[发明专利]超高分子量聚乙烯/石墨烯复合纤维制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯/石墨烯复合纤维制备方法及其应用。

背景技术

从战争的对抗性来讲，防弹装备是与子弹类武器相伴相生的必然产物。目前，常规武器发展迅速，对单兵的威胁等级逐步提高，为提高单兵的防弹生存能力和战场移动能力，必须发展轻质高效的防弹复合材料体系。

在单兵个体防护中，用于防弹的装甲材料包括氧化铝(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B₄C)、氮化硅(Si₃N₄)、二硼化钛(TiB₂)等。其中最常用的为氧化铝、碳化硅和碳化硼等，这些陶瓷材料的特点是密度小、硬度高、模量高；其中，Al₂O₃具有中等的密度、模量和硬度，原料易得，工艺成熟，采用高纯度氧化铝经过固相烧结工艺，可以得到适于防弹要求的低成本防弹陶瓷，在防弹性能和重量要求不高时，氧化铝陶瓷是较好的选择；SiC陶瓷的硬度、弹性模量较高、密度适中，整体防弹性能优于Al₂O₃陶瓷；但是，SiC陶瓷在实际中并没有得到广泛的应用，其较大的脆性是制约其应用的主要因素，同时，碳化硅的制备成本是氧化铝的2～3倍，因此其性价比与氧化铝相比不具备明显的优势。B₄C陶瓷密度最小、硬度最高，在防弹陶瓷中防弹性能最好，在以减重为前提的装甲系统中和追求轻量化的个体防护插板中有其优越性。近年来，美国和欧洲等西方国家开发出适合人体外形曲线的大尺寸、整体B₄C复合防弹插板，与传统块状陶瓷拼接的插板相比，整体插板不但降低了拼接、复合成本，同时也改善了防弹衣抵抗弹丸多次打击的能力。但是，B₄C陶瓷的制备难度大，高温致密化困难，主要靠热压烧结(＞2000℃)，生产效率低，成品价格昂贵，特别是大尺寸、弧面形状产品的制备更加困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高分子量聚乙烯/石墨烯复合纤维及其制备方法与应用。

本发明提供的复合纤维，由石墨烯与由超高分子量聚乙烯在100～200℃均聚而得的产物组成；所述超高分子量聚乙烯的重均分子量为1×10⁶～4×10⁶，具体为1×10⁶～3×10⁶；所述石墨烯为具有单层或多层结构的石墨烯粉末(下文可称其为“所述石墨烯粉末”或“石墨烯粉末”)，其直径为0.6～1.8μm，厚度为0.5～5nm。所述均聚步骤中，时间为1～4小时。

上述复合纤维中，所述石墨烯的直径具体为0.8nm、1nm、0.6nm或1.8nm，厚度具体为0.5nm、5nm、1nm或2nm；所述石墨烯粉末的质量百分含量为0.01～5％，具体为0.1～2％，具体为0.1％、0.5％、1％或0.8％。所述石墨烯与所述由超高分子量聚乙烯在100～200℃均聚而得的产物以物理方式均匀混合；所述复合纤维的拉伸强度为1.8～3.0GPa，具体为1.8～2.5GPa，具体为1.9GPa、2.2GPa、2.4GPa或2.5G Pa，拉伸模量为95～140GPa，具体为90～130GPa，具体为90GPa、110GPa、120GPa或130GPa，在氮气气氛中的热分解温度为370～420℃，具体为370～400℃，具体为370℃、380℃、390℃或400℃。

上述复合纤维也可按照下述本发明提供的方法制备而得。

本发明提供的制备所述复合纤维的方法，包括如下步骤：将石墨烯粉末进行表面净化处理和偶联处理后，均匀分散在含有超高分子量超高分子量聚乙烯的石蜡油或十氢萘中，在剪切条件下升温至100～200℃进行均聚后得到凝胶，再将所述凝胶进行纺丝，得到所述复合纤维；

其中，所述超高分子量聚乙烯的重均分子量为1×10⁶～4×10⁶，具体为1×10⁶～3×10⁶，更具体为2×10⁶、2.5×10⁶或3×10⁶；所述石墨烯粉末为市面销售的普通石墨烯粉末，其直径为0.6～1.8μm，厚度为0.5～5nm。上述方法中，制备该类复合纤维的关键是使石墨烯粉末在基体材料中均匀分散，而且与基体材料有较好的相容性，因而，需将石墨烯进行包括表面净化处理和偶联处理在内的前期处理；