研究与开发 C合成纤维工业,HINA SYNTHE nC FIB20E1R8 I,4N1D(U1S)T:R3Y1 硅烷偶联剂表面改性UHMWPE纤维的工艺优化 杨燕宁,孟家光,程燕婷,刘晓巧 (西安工程大学纺织与材料学院,陕西西安710048) 摘 要:以硅烷偶联剂KH-550在不同条件下处理超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维,采用正交实 验方法,以硅烷偶联剂KH-550的浓度(A)、处理温度(B)、处理时间(G)为因素,以UHMWPE纤维的断裂 强力、界面剪切强度(r)为实验指标,研究了硅烷偶联剂KH-550处理UHMWPE纤维的最佳工艺条件。结 果表明:UHMWPE纤维断裂强力的影响因素主次顺序为 ,B,c,r的影响因素主次顺序为曰,A,C;硅烷偶 联剂KH-550处理UHMWPE纤维的最优工艺为硅烷偶联剂KH-550质量分数17.5%,处理温度55℃,处理 时间7 h,在此条件下得到的UHMWPE纤维的断裂强力为41.15 cN,断裂强力损失率为2.44%,r为1.359 MPa,r的增加率为35.22%。 关键词:超高相对分子质量聚乙烯纤维硅烷偶联剂 表面改性正交实验工艺 断裂强力 界面剪 切强度 中图分类号:TQ342 .61;TQ342 .7 文献标识码:A 文章编号:1001.0041(2018)o1.0031—04 超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维 北京特力化纤有限公司产;硅烷偶联剂KH-550: 是一种高性能纤维,具有高强高模,低密度,耐化 南京联硅化工有限公司产;环氧乙烯树脂:华东理 学腐蚀等优良性能…,在航空航天和军事工业等 工大学华昌聚合物有限公司产;2一过氧化甲乙酮: 领域有着广泛的应用 J。但由于UHMWPE纤维 西安金锦乐化工有限公司产;异辛酸钴:新郑市龙 的易结晶取向和对称结构,使纤维表面呈现出很 湖镇天龙化工商行提供。 强的化学惰性,浸润性差 J,被用于复合材料增 1.2主要仪器 强体时,难以显示出高强高模的性能。因此,需要 Instron 3365型万能材料试验机:美国英斯特 对UHMWPE纤维进行表面改性,使非极性的纤 朗公司制。 维表面引入极性基团,使惰性的纤维表面层活化, 1.3实验方法 改善纤维与基体的粘结性 J。而对于UHM. 将UHMWPE纤维在无水乙醇中浸泡12 h, WPE纤维增强体复合材料,界面性能的好坏取决 并用蒸馏水洗涤,以除去纤维表面的污渍。然后 于纤维与基体的粘结情况。 将纤维在50℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥。再 徐明忠等 选用三聚氰酸三丙烯酯(TAC) 使用不同浓度的硅烷偶联剂KH-550、不同处理时 作为交联剂对UHMWPE纤维进行紫外辐照交联 间、不同处理温度对UHMWPE纤维进行表面改 改性,表明经交联改性后UHMWPE纤维的抗蠕 性。以硅烷偶联剂KH-550的质量分数(A)、处 变性能有较明显提高。 理温度(B)、处理时间(C)为因素进行正交实 作者采用正交实验法分析硅烷偶联剂KH一 验,对改性工艺进行优化,其正交实验设计方案如 550在不同处理条件(浓度、温度和时间)下UH. 表1和表2所示。 表1正交实验因素水平 MWPE纤维的断裂强力和界面剪切强度(下)的 Tab.1 Orthogonal experimental factor level 关系,得到硅烷偶联剂KH-550处理UHMWPE纤 维的最优工艺条件,以期为UHMWPE纤维的表 面改性提供一定参考。 1实验 1.1材料 收稿日期:2017—09-21;修改稿收到日期:2017—11-20。 作者简介:杨燕宁(1992一),女,硕士生,研究方向为纺织 UHMWPE纤维:规格为1 760 dtex/1 385 f, 新材料、新工艺。E—mail:361239684@qq.tom。 32 合成纤维工业 2018年第41卷 表2正交实验设计方案 Tab.2 Ort竖 hogonal : experiment desi; gn plan C 1.4性能测试 :采用环氧乙烯基酯树脂为基体,过氧化甲 乙酮作为固化剂,异辛酸钴为促进剂,拔出实验采 用Instron 3365型万能材料试验机测试。r的计算 如式(1)所示 J。 r=F/'rrdl (1) 式中: 表示纤维拔出强力;d表示纤维直径; 表示纤维埋人树脂的长度。 断裂强力:采用Instron 3365型万能材料试验 机进行测试,纤维试样测定长度为600 mm左右。 由公式(2)得出单纤维的强力损失率(S) 。。。 S=(F0一F1)/Fo×100% (2) 式中:F0,F,表示改性前、后的纤维断裂强力。 2结果与讨论 2.1 UHMWPE纤维的断裂强力 由表3可知,UHMWPE纤维的断裂强力的正 交实验结果中,A,B,C因素的极差(R)分别为 0.21,0.17,0.13 cN,即对UHMWPE纤维断裂强 力的影响因素主次顺序为A,B,c。 表3断裂强力的正交实验结果 Tab.3 Orthogonal experimental results of breaking strength 因素主一次 由断裂强力的实验结果之和( , i, K3i)可以看出,A,B,C 3个因素的K。i值最大,根 据UHMWPE纤维断裂强力越大越好的原则,得 到最优工艺为:A, 。C ,即硅烷偶联剂KH-550 的质量分数为12.5%,温度为45℃,时间为7 h。 2.2 UHMwPE纤维的r 由表4可知,UHMWPE纤维的r的正交实验 结果中A,B,c 3个因素的R分别为0.050, 0.087,0.038 MPa,因此,处理温度对UHMWPE 纤维的丁影响最大、硅烷偶联剂KH-550的浓度 次之、处理时间的影响最小。即3个因素的主次 顺序为 ,A,C。从表4还可以看出,A,B,C因素 的 的实验结果之和( … ,g3 )中 值均 最大,分别为3.890,3.948,3.869。根据UHM— WPE纤维的下越高越好的原则,得到最优工艺 为:A c ,即硅烷偶联剂KH-550的质量分数 为17.5%,温度为55℃,时间为7 h。 表4 r的正交实验结果 Tab.4 Orthogonal experimental result for r 2.3最优条件实验的结果分析 在A, ,C。实验条件下进行补充实验,结果如 表5所示。由于UHMWPE纤维的r和断裂强力 这两个评价指标得到的最优方案不一致,所以需 对两种方案进行结果分析。 表5两种方案的结果分析 Tab.5 Results of two orthogonal experiment plans 最优方案的平均值( )计算如公式(3) 所示: =y+∑口 (3) 第1期 杨燕宁等.硅烷偶联剂表面改性UHMWPE纤维的工艺优化 33 式中:∑0 为∑( -y),y为实验结果的平均 Ma Wenjan.An investigation on surface modiifcation and flam- 值;ki 为因素第 列第i水平效应的平均值。 (1)以断裂强力为指标,由表3可知,9次实 验的断裂强力总值为124.67 cN,Y为41.4 cN。 根据公式(3)计算最优方案的平均值: A,的效应(a ): al=k1^一Y=124.67/3—41.41=0.15 cN(4) 的效应(b ): b1=k1B—Y=124.55/3—41.41=0.11 cN(5) C 的效应(c ): cl=klc—Y=124.50/3—41.41=0.09 cN(6) =Y+a1+bl+cl=41.76 cN (7) (2)以丁为指标,由表4可知,r的9次实验 结果总值为11.44 MPa,Y为1.272 MPa。根据公 式(3)计算最优方案的平均值: a3=k3^一Y=3.890/3—1.272:0.025 MPa(8) b3=k3B—Y=3.948/3—1.272=0.044 MPa(9) c =Jj} 一Y=3.569/3—1.272=0.018 MPa (10) /.t Y+a3+b3+ 3=1.359 MPa (11) 由此可知,UHMWPE纤维断裂强力的理论目 标值为41.76 cN, 的理论目标值为1.359 MPa。 由于实验及测试过程中有一定的误差,因此计算 得到的理论值与实际实验结果之间存在差异。由 表5可知,经方案A】 】C】处理之后,UHMWPE纤 维Js为0.97%,r增加率为17.71%。经方案 A B3C3改性之后,UHMWPE纤维断裂强力损失率 为2.44%,r增加率为35.22%。由于使用方案 , ,C 改性之后纤维7-增加率远远大于其对应 ,所以得到硅烷偶联剂KH-550对UHMWPE纤 维最优改性方案是A B C ,即硅烷偶联剂KH. 550质量分数为17.5%,温度55℃,时间7 h。 3结论 硅烷偶联剂KH-550处理UHMWPE纤维的 最优方案为硅烷偶联剂KH.550质量分数为 17.5%,温度55℃,时间7 h。在此条件下得到的 UHMWPE纤维断裂强力为41.15 cN,断裂强力损 失率为2.44%,r为1.359 MPa, 的增加率为 35.22% 参考文献 [1] 马文俊.超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维/织物表面改 性及阻燃性能研究[D].北京:北京化工大学,2015. mability of ultra—high molecular weight polyethylene(UHM- WPE)fiber/fabric[D].Beijing:Beijing University of Chemi— cal Technology,2015. [2]谢东.超高分子量聚乙烯的表面改性及其耐磨性能研究 [D].成都:西南交通大学,2010. Xie Dong.Surface modiifcation of hish moleculra weig}lt poly— ethylene and its wear—resistance[D].Chengdu:Southwest Jiao— tong University,2010. [3]赵晓琳,杜建华,杨宏伟,等.超高分子量聚乙烯纤维的表面 改性[J].粉末冶金技术,2015,33(1):58—63. Zhao Xiaolin,Du Jianhua,Yang Hongwei,et a1.Study on ad· hesive property of ultra—high molecular weight polyethylene fiber [J].Powder Met Teeh,2015,33(1):58—63. [4] 金军,张慧萍,晏雄.超高分子量聚乙烯纤维的表面改性研 究[J].产业用纺织品,2010,28(2):36—4O. Jin Jun,Zhang Huiping,Yan Xiong.Study on surface-treatment of UHMWPE fiber[J].Tech Text,2010,28(2):36—4O. [5] 高尚兵.超高分子量聚乙烯纤维的表面接枝及其与橡胶粘 合性能的研究[D].北京:北京化工大学.2015. Gao Shangbing.Surface modiifcation of UHMWPE fibers for enhancing the interfacial properties of fibers/rubber compoistes [D].Beijing:Beijing University of Chemical Technology, 2015. [6] 李瑞培,李微微,孟立,等.超高分子量聚乙烯纤维的液相氧 化改性及其环氧树脂基复合材料的力学和摩擦性能[J]. 材料导报,2016,30(4):41—46. Li Ruipei,Li Weiwei,Meng Li,et a1.Liquid·phase oxidation modiifcation of ulrta—high molecular wei ght polyethylene fiber and mechanical/tirbologieal properties of the corresponding fi- ber—reinforced epoxy resin composites[J].Mater Rev,2016,30 (4):41—46. [7] 徐明忠,赵国棵.UHMWPE纤维的表面交联改性[J].高分 子材料科学与工程,2012,28(10):59—62. Xu Mingzhong,Zhao Guoliang.Surface crosslinking modifica— tion of UHMWPE fibers[J].Polym Mater Sci Eng,2012,28 (10):59—62. [8] 曹涛,李显波.络酸处理超高分子量聚乙烯纤维性能分析 [J].山东纺织科技,2014(2):53—56. Cao Tao,Li Xianbo.Research on adhesion of UHMWPE fiber treated by chromic acid[J].Shandong Text Sci Tech,2014 (2):53—56. [9] 刘晓晓.碳纳米管/超高分子量聚乙烯纤维表面改性及性能 研究[D].杭州:浙江理工大学,2013. Liu Xiaoxiao.Study on Surface modiifcation and properties of ifber[D].Hangzhou:Zhejiang Sci。Tech University,2013. [1O]冉茂强,付兴伟,徐伟,等.PBO纤维拉伸性能测试的影响 因素探讨[J].合成纤维工业,2016,39(2):70—73. Ran Maoqinag,Fu Xingwei,Xu Wei,et a1.Influentila factors on testing tensile properties of PBO fiber[J].Chin Syn Fiber Ind,2016,39(2):70—73. 合成纤维工业 2018年第41卷 Optimization of surface modiifcation process of UHMWPE ifber with silane coupling agent Yang Yanning,Meng Jiaguang,Cheng Yanting,Liu Xiaoqiao (College of Textiles and Materials,Xi an Polytechnic University,Xi an 710048) Abstract:The surface modiifcation of ultra—high relative molecular mass polyethylene(UHMWPE)fiber was performed in presence of silane coupling agent KH-550 under different conditions.The surface modiifcation conditions for UHMWPE fiber with silane coupling agent KH一550 were optimized by orthogonal experiment using the concentration of silane coupling agent KH-550 (A),treatment temperature(B)and treatment time(C)as factors and the breaking strength and interfacial shear s ̄ength (r)as the expeirmental index.The results showed that hte primary and secondary order of the factors that afected the breaking strength wasA,B,C when the sequence affecting f was B,A,C;the produced UHMWPE fiber had the breaking strength of 41.15 cN,breaking strength loss of 2.44%,r of 1.359 MPa with the growth rate of 35.22%under the conditions as followed: 17.5%silane coupling agent KH一550 by mass fraction.treatment temperature 55℃and time 7 h. Key words:ultra·high relative moleculra mass polyethylene fiber;silane coupling agent;surface modiifcation;orthogonal ex- periment;process;breaking strength;interfacial shear strength (上接第3O页) Synthesis of NPG-and BDO-modified copolyester and preparation and properites of its fiber Liu Shanshan ,Shi Ludan ,Zhou Rong ,Wang Xueli ,Hu Hongmei ,Wang Chaosheng (1.College foMaterial Science and Engineering,Donghua University,Shanghai 201620;2.College foMechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201620;3.College fo Textiles,Donghua University,Shanghai 201620;4.Textile Sciecne and Technology Innovation Center,Donghua University,Shanghai 201620) Abstract:A series of modiifed copolyester was synthesized by direct esteriifcation using puriifed terephthalie acid(PrrA),eth- ylene glycol(EG),neopentyl glycol(NPG)and 1,4-butanediol(BDO)of different contents as raw materials,and was pro— duced into copolyester fibers via melt spinning process.The chemical structure,crystlaline structure and thermal properites of the copolyester and the mechanical properties of the copolyester fibers were studied.The results showed that the chemical structure of the copolyester was characterized by hydrogen nuclear magnetic resonance spectroscopy and the obtained copelyester was proved to be the target product;as compared with PET,the crystal sturcture of the copolyester did not change,and the crystlalinity de- creased in some degree with the increase of BDO content;the glass transition temperature and melting point of the copelyester de— creased gradually with the increase of BDO content,however,the thermal stability did not obviously change,and the initial ther- mal decomposition temperature was higher than 335℃:and the addition of NPG and the increase of BDO content had little effect on the breaking strength of the copolyester fiber,but the elongation at break gradually increased,the initial modulus gradually de— creased and the softness gradually increased. Key words:polyethylene terephthalate;copolyester;neopentyl glycol;1,4-butanediol;fiber;structure;properties