一种超高分子量聚乙烯纤维、表面改性方法和应

本发明属于材料，具体是涉及一种超高分子量聚乙烯纤维、表面改性方法和应用。背景技术：1、超高分子量聚乙烯纤维又称高强高模聚乙烯纤维，是以相对分子质量大于100万的超高相对分子量聚乙烯为原料，采用凝胶纺丝法—超倍拉伸技术制得。2、软质防弹材料大部分都是通过胶粘剂将单向排列的超高分子量聚乙烯纤维进行粘结，通过这种方法得到的防弹材料能抵御高能子弹或者弹片的冲击。目前，超高分子量聚乙烯软质防弹材料的防弹性能从根本上来讲，主要由三个方面所决定：纤维的排列取向，纤维的强度和纤维与胶粘剂的粘接性。3、水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，目前被广泛应用于防弹材料的粘接，然而，由于超高分子量聚乙烯分子属于非极性物质，疏水性很强，这导致超高分子量聚乙烯纤维与水性聚氨酯粘结性并不好，因此针对该纤维与水性聚氨酯之间的粘接性还有很大空间的提升。4、目前，通过表面改性提高超高分子量聚乙烯纤维强度的研究还没有被报道过，但已经有很多关于提高超高分子量聚乙烯粘接性的报道。5、中国专利文献cn102720066公开一种方法，该方法是将超高分子量聚乙烯纤维先进行低温等离子体处理，然后将纤维置于苯胺单体的反应液中，最后得到含有均匀连续的导电复合纤维。上述表面改性的方法，虽然可以提高超高分子量聚乙烯纤维与胶粘剂的粘接性能，但这些改性破坏了超高分子量聚乙烯纤维的表面结构，使得其强度变差。6、中国专利文献cn101024919a公开了一种提高超高分子量聚乙烯纤维表面粘接性的方法，该方法是将超高分子量聚乙烯纤维进入到三氯化铁等氧化剂的正丁醇或者水溶液中，然后将浸泡过的纤维放入抽真空并含有吡咯或者噻吩单体的装置中，最终得到复合纤维。该方法所用的正丁醇或者水溶液由于表面能较大，很难在高疏水性的纤维表面进行均匀涂敷，因此纤维的表面涂敷不能保证均匀性，其均匀性无法得到有效的验证，另外纤维虽然表面没有遭到破坏，但是其断裂强度有所降低，这是因为聚吡咯或者聚噻吩的复合显著增大了纤维的质量，而其强度升高不明显，这也说明了该方法很难得到涂敷均匀的复合纤维。另外需要抽真空的装置不适宜大规模生产化，而且成本提高，操作复杂。7、专利申请号cn113718527a的专利采用的是3,4-乙烯二氧噻吩单体通过气相聚合对超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，得到了高强度和导电性好的导电复合纤维。但其没有能提高与水性聚氨酯的粘接性能。技术实现思路1、本发明要解决的技术问题是提供一种超高分子量聚乙烯纤维、表面改性方法和应用，同时提高超高分子量聚乙烯纤维的强度以及纤维与水性聚氨酯之间的粘接性。2、本发明实施例提供一种超高分子量聚乙烯纤维的表面改性方法，超高分子量聚乙烯纤维浸泡在烷基硫酸铁溶液中，取出后和高分子单体进行气相聚合反应，然后先后浸泡在有机溶剂、无机酸溶液和水中，干燥，得到表面改性后的超高分子量聚乙烯纤维；3、所述高分子单体为噻吩并[3,4-b]-1,4-二噁英-2-甲醇或2，3-二氢噻吩并[3，4-b][1，4]二氧杂环己烷基-2-羧酸，优选为噻吩并[3,4-b]-1,4-二噁英-2-甲醇。4、其中一个实施例中，所述烷基硫酸铁为c7-c18的直链型烷基硫酸铁或支链型烷基硫酸铁。5、优选的，所述直链型烷基硫酸铁为庚烷基硫酸铁、辛烷基硫酸铁、壬烷基硫酸铁、葵烷基硫酸铁、十一烷基硫酸铁、十二烷基硫酸铁、十三烷基硫酸铁、十四烷基硫酸铁、十五烷基硫酸铁、十六烷基硫酸铁、十七烷基硫酸铁或十八烷基硫酸铁；6、所述支链型烷基硫酸铁为7-乙基-2-甲基-4-十一烷基硫酸铁或2-乙基己基硫酸铁。7、优选的，所述烷基硫酸铁为十二烷基硫酸铁。8、优选的，所述烷基硫酸铁溶液中的溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1-丙醇或2-甲基-2-丙醇，所述烷基硫酸铁溶液的质量浓度为5～35wt%。9、优选的，所述烷基硫酸铁溶液中的溶剂为甲醇，所述烷基硫酸铁溶液的质量浓度为5～35wt%。10、优选的，所述有机溶剂为甲醇、无水乙醇、丙醇或异丙醇，所述无机酸为盐酸或硫酸，所述无机酸溶液为无机酸水溶液，质量浓度为5%～30%。11、优选的，所述气相聚合反应的温度为60-80℃，反应时间为5-120min；在无水乙醇中的浸泡时间为10-20min，在无机酸溶液中的浸泡时间为50-80min，在水在的浸泡时间为100-150min；干燥的方式为在50-70℃中干燥，干燥时间为20-50min。12、本发明实施例提供一种所述的表面改性方法得到的超高分子量聚乙烯纤维。13、本发明实施例提供一种所述的超高分子量聚乙烯纤维在用于抗静电和耐高能冲击防弹材料中的应用。14、本发明的有益效果是，本发明不仅能显著提高超高分子量聚乙烯纤维表面粘接性能，还能有效提升超高分子量聚乙烯纤维的强度，而且，该纤维在超长范围内都表现出了极好的连续和均一的导电性，因此该改性纤维可以应用在防弹服，防弹复合板，防弹头盔等防护装备上，还可以应用在一些特殊的领域，比如智能服装，抗静电工作服等。另外，该方法采用的是表面活性剂型的催化剂，这种催化剂的溶液本身就可以在聚乙烯材料表面进行均一地涂敷，该方法可以避免对超高分子量聚乙烯纤维表面进行特殊处理，从而可以避免降低纤维本身的性能。再次，该方法不需要真空操作，常压下就能高效的完成改性，操作简单，改性条件易于控制，生产设备要求不高，成本低廉，易于大规模生产化应用。15、本发明可有效地同时提高超高分子量聚乙烯纤维的强度以及纤维与水性聚氨酯之间的粘接性，改性后的超高分子量聚乙烯纤维的强度提高了10%～15%，纤维与水性聚氨酯间的结合强度增加了10%～20%，该改性方法工艺简单，成本较低，生产出来的产品性能稳定，可重复性高。16、本发明的高分子单体为噻吩并[3,4-b]-1,4-二噁英-2-甲醇或2，3-二氢噻吩并[3，4-b][1，4]二氧杂环己烷基-2-羧酸，相对于常规的噻吩、3,4-乙烯二氧噻吩或吡咯，可以更加有序的进行分子组装，成为结晶度更高的高分子，高分子结晶度越高，强度越大；另外，本发明的单体中含有较多的羟基和羧基，最终合成的高分子涂层具有大量的羧基和羟基，相比于没有这些基团的单体，与水性聚氨酯粘结性更高。因此，可以提高强度和粘接性。17、本发明的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在有机溶剂，特别是无水乙醇中，用于洗掉大部分没有反应完全的单体和催化剂，该步骤可以让附着在纤维表面的聚合物进行分子重组结晶，有效地提升强度。在初步合成后，高分子聚合物与未反应完的催化剂形成无定形的混合物，但采用乙醇浸泡后，未反应完成的催化剂会慢慢的溶解在乙醇中，另外，催化剂中的部分阴离子作为杂质会留在高分子聚合物中，随着大部分催化剂溶出，高分子聚合物与杂质阴离子会进行重组，形成高结晶度的高分子。18、本发明的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在无机酸溶液中，然后在水中浸泡一段时间，可以将还未洗净的催化剂进一步去除，让附着在纤维表面的聚合物分子链结合的更加紧密，进一步提升强度。虽然大部分催化剂随着有机溶剂，比如无水乙醇溶出，但还是由少部分留在里面，少部分的催化剂的掺杂会让高分子链之间形成比较疏松的结晶体，因此经过证实，采用无机酸可以让催化剂进行酸解，然后用水进行溶出，最后高分子链之间就会更加紧密。