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CN106854833A - 一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法 - Google Patents

一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法 Download PDF

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CN106854833A CN201611260080.XA CN201611260080A CN106854833A CN 106854833 A CN106854833 A CN 106854833A CN 201611260080 A CN201611260080 A CN 201611260080A CN 106854833 A CN106854833 A CN 106854833A
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Abstract

本发明公开一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。本发明纤维包括高分子量聚乙烯纤维基层、附于基层表面的多巴胺活化层和呈片层展开状态贴附于多巴胺活化层表面的部分还原石墨烯层。本发明通过优选氧化石墨烯的分散介质及分散液浓度、还原剂种类和浸渍次数，得到轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维。利用部分还原石墨烯的特性：1)碳氧原子比，适量的含氧基团能够保证部分还原石墨烯与多巴胺改性后的纤维发生足够强的相互作用，同时提供足够的导电性；2)片层层数，影响其在纤维上的稳定吸附；3)片层平面尺寸，影响片层在纤维表面的涂覆，以及导电通路。

Description

一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与碳纤维、芳纶纤维并称为世界三大高性能纤维，在国防工业和防护装备领域至关重要。UHMWPE纤维除具有极高的强度、模量外，其密度较低(约为0.97g/cm3)，是唯一可漂浮于水面之上的高性能纤维，同时具有抗冲击、耐腐蚀、耐磨损等优异性能。然而，由于UHMWPE纤维的介电常数低(2.4)、电阻高(＞1014Ω)，在应用时抗静电性能较差。UHMWPE纤维呈高度化学惰性，表面极度光滑，对其进行改性也是本领域的重大难题之一。
抗静电涂层型纤维是指以纤维为基体，通过涂覆固化在纤维表面吸附一层导电填料的纤维。传统的导电涂层类型主要为金属(如银、铜、镍等)，但金属涂层往往使纤维密度增大，由此带来单位资源效益低等缺点。公开号为CN102277728的中国发明专利采用银(密度为10.49g/cm3)为导电粒子，以银氨溶液为镀银液，在镀银前将纤维进行去浆和表面活化处理，最终得到一种可导电的UHMWPE纤维，其中当线电阻约为0.15Ω/cm时，纤维密度从处理前的0.97g/cm3变为处理后的约1.92g/cm3(密度增加约95％)。公开号为CN1693576的中国发明专利以镍、铜为导电粒子，对织物去油、粗化、去膜、敏化、活化等前处理后，进行一次化学镀镍、电镀铜和二次化学镀镍或者电镀镍，通过工艺参数的调整得到一种高性能的电磁屏蔽用导电涤纶织物，该织物表面电阻为0.03Ω/□，导电织物面密度从55g/cm2增加到111g/cm2(密度增加约102％)。
为了从较少的资源中获得同样甚至更高的效益，开发轻质抗静电纤维就显得十分有意义。而石墨烯作为一种新型碳纳米超轻材料，具有较低的密度(按石墨计：2.25g/cm3)、极大的比表面积(2363m2/g)、极好的导电性(6×103S/cm)及极快的电子转移速率(2×105cm2/Vs)，是一种出色的二维纳米导电材料。将石墨烯用作导电涂层使用时，可在最小限度改变材料密度的前提下，获得导电性的巨大提升。公开号为CN102926207的中国发明专利采用浸染技术制备的导电织物及其制备方法和应用中，将织物进行碱液处理、预处理、助染剂浸泡和石墨烯水分散液浸渍，在超声作用下将导电粒子吸附到织物表面，该织物中石墨烯的质量百分比为3.5％，织物由绝缘变为电导率为3.6×102S/cm。公开号为CN103966844的中国发明专利提供了一种石墨烯导电复合纤维的制备方法，将涤纶(或棉或粘胶)纤维使用硅烷偶联剂表面活化处理后，浸入到含有分散剂的石墨烯水溶液中(质量浓度为0.1％～5％)，烘干后复合纤维中石墨烯含量为1％～3％，石墨烯复合纤维的电阻率为10～105Ω·m，比常规纤维电阻率(～1014Ω·m)降低十几个数量级。
对比金属涂层与石墨烯涂层对于纤维或织物导电性能的改善程度，不难发现，石墨烯可在相同增重条件下更加利于材料导电性能的提升，因而石墨烯是制备轻质抗静电材料的优选。但又由于石墨烯的化学惰性和层间范德华力作用，引起片层间难剥离且涂层易脱落现象，严重阻碍了其导电纳米材料优势的发挥。特别是将石墨烯应用于UHMWPE纤维的表面处理时，由于UHMWPE纤维呈高度化学惰性，表面极度光滑，造成石墨烯片层很难在UHMWPE纤维表面呈均匀分布和紧密结合。因此，急需研究新的材料体系和方法以解决上述问题，并以经济可行的方式生产出轻质抗静电UHMWPE纤维。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维。
所述轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维包括高分子量聚乙烯纤维基层、多巴胺活化层和部分还原石墨烯层(也可以称为石墨烯抗静电层)；其中多巴胺活化层贴附于基层表面，部分还原石墨烯层呈片层展开状态贴附于多巴胺活化层表面。
所述的轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维的密度为0.97～1.03g/cm3，直径为15～25μm，强度为30～40cN/dtex，模量为800～1600cN/dtex，断裂伸长率为2.5％～4.5％，表面电阻率为103～1010Ω/cm，表面碳氧原子比为4∶1～10∶1；(此处的表面碳氧原子比指代UHMWPE+多巴胺+石墨烯的碳氧原子比)；
所述的多巴胺活化层质量含量为0.01％～1.0％，碳氧原子比为4∶1～6∶1；
所述的部分还原石墨烯层的质量含量为0.1％～5％，碳氧原子比5∶1～10∶1，片层表面尺寸为0.1～2μm，片层层数为1～10层；所述的部分还原石墨烯层与多巴胺活化层的质量比为500∶1～0.1∶1；
所述的轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维在室温下的水中超声清洗2h后，其表面电阻率为清洗前的1～100倍。
本发明的第二个目的是提供一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，该方法的具体步骤是：
步骤(1)、氧化石墨烯分散液的配制：
常温下将氧化石墨烯粉末加入到分散介质中，先机械搅拌20～30min，搅拌速率为500～800r/min，再在冰水浴中超声处理20～40min，得到均匀稳定的氧化石墨烯分散体系；其中氧化石墨烯粉末为分散介质重量的0.01％～1％。
所述的氧化石墨烯的碳氧原子比为2∶1～4∶1，片层表面尺寸为0.1～2μm，片层层数为1～10层；
所述的分散介质为水、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)中的一种或两种的混合物；
作为优选，所述氧化石墨烯为分散介质重量的0.05％～0.5％；
作为优选，所述的氧化石墨烯分散介质的pH值为8～12；
步骤(2)、UHMWPE纤维的清洗：在室温下将UHMWPE纤维在溶剂中超声清洗0.5～1.5h，取出干燥后待用；所述的溶剂为乙醇、丙酮和四氢呋喃中的一种或两种的混合物；
所述的UHMWPE纤维的分子量为100～300万，密度为0.97g/cm3，直径为15～25μm，强度为30～40cN/dtex，模量为800～1600cN/dtex，断裂伸长率为2.5％～4.5％，表面电阻率为1012～1016Ω/cm；表面碳氧原子比为10∶1～1000∶1；
作为优选，UHMWPE纤维的直径为20～23μm，表面碳氧原子比为100∶1～1000∶1；
步骤(3)、活化纤维的制备：在pH为8～11的三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲溶液中加入多巴胺，得到多巴胺溶液；再在上述多巴胺溶液中加入步骤2处理后的纤维，静置反应8～24h，洗涤干燥后得到多巴胺活化UHMWPE纤维；
所述的多巴胺为儿茶酚胺类或二苯醌类化合物中的一种或两种的混合物，结构式如(1)，其中R为带有氨基基团的-(CHy)x-NH2或-(CHy)x-NH-(CHq)p-CH3或-(CH2)x-NH-(CO)x-(CH2)P-CH3或-(CH2)x-NH-(CO)x-(CH2)P-C6H5或-(CH2)x-NH2或-(CHy)x-N(CHj)h-(CHq)p-(CH3)e或-CHOH-NH-(CH2)p-CH3或-CHOH-(CH2)x-NH2，其中x为1～99的自然数，p、h为0～99的自然数，y、q、e为1或2，j为1、2或3；
作为优选，R为 n为1～10的自然数；
作为优选，所述Tris-HCl缓冲溶液的pH为8～10；
作为优选，所述多巴胺溶液的质量浓度为0.1％～0.3％；
所述的UHMWPE纤维与多巴胺溶液的质量比为2％～10％；
所述的多巴胺活化UHMWPE纤维的表面碳氧原子比为4∶1～8∶1；(此处表面碳氧原子比指代UHMWPE+多巴胺的碳氧原子比)；
步骤(4)、轻质抗静电UHMWPE的制备：将步骤(3)得到的活化纤维浸入到步骤(1)得到的氧化石墨烯分散液中，再加入还原剂，在50～95℃下以100～500r/min的转速搅拌1～5h，然后将纤维洗涤干燥，重复此浸渍还原过程2～10次，得到部分还原石墨烯涂覆超高分子量聚乙烯纤维；
所述还原剂为氨水、水合肼、氢碘酸、硼氢化钠、抗坏血酸、过硫酸钠、葡萄糖中的一种或两种的混合物。
所述氧化石墨烯与还原剂的质量比为1∶0.5～1∶40；
所述石墨烯涂覆超高分子量聚乙烯纤维中，石墨烯含量为0.1％～5％，纤维表面碳氧原子比为4∶1～10∶1，石墨烯片层尺寸为0.1～2μm，石墨烯层数为1～10层。
本发明通过优选氧化石墨烯的分散介质及分散液浓度、还原剂种类和浸渍次数，得到轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维。利用部分还原石墨烯的特性：1)碳氧原子比，适量的含氧基团能够保证部分还原石墨烯与多巴胺改性后的纤维发生足够强的相互作用，同时提供足够的导电性；2)片层层数，部分还原石墨烯的层数过高时，会降低单位体积石墨烯数量，进而不利于其在纤维上的稳定吸附，而部分还原石墨烯的层数过低时，则极易发生自卷缩而不利于在UHMWPE纤维表面的充分伸展，进而降低纤维的导电性能；3)片层平面尺寸，适宜的片层平面尺寸不仅有利于片层在纤维表面的涂覆，而且有利于导电通路的形成；4)分散剂，氧化石墨烯的含氧基团使其在极性溶剂中得以均匀分散，降低片层之间的团聚，利于其与纤维充分地接触；另外，还原剂种类通过影响氧化石墨烯的还原程度(即石墨烯表面的碳氧原子比)，进而改变石墨烯与活化纤维表面的结合力大小，最终影响纤维的密度和导电性能。同时，浸渍次数决定了纤维表面吸附石墨烯数量的多少，故而也直接纤维性能。总之，本发明通过优选氧化石墨烯的分散液、还原剂种类和浸渍次数，得到良好抗静电性能的轻质超高分子量纤维。
附图说明
图1为超高分子量聚乙烯纤维的电镜图；
图2为活化纤维的电镜图；
图3为石墨烯涂覆超高分子量聚乙烯纤维的电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案及效果作进一步的描述，但应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
本实施例中所述纤维密度的计算方法为：UHMWPE纤维密度为0.973g/cm3，直径为15～25μm，表面电阻率为1012～1016Ω/cm，UHMWPE纤维的直径(如图1所示)在活化(如图2所示)和石墨烯涂覆(如图3所示)前后基本保持不变，通过称量一定长涂覆后纤维的重量计算而得。
比较例1：
量取500mL pH为10的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺，搅拌均匀后加入UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后往1.0％的硝酸银溶液中边滴加氨水边搅拌，至溶液变澄清，之后将其和5.0％的酒石酸钾钠溶液按体积比为1∶1混合均匀，形成镀银液；最后将活化纤维浸入镀银液中，室温下遮光反应0.5h，得到镀银纤维。
此方法制备的纤维密度为1.053g/cm3，电阻率为1010Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为1013Ω/cm，即清洗前的1000倍。可见，采用多巴胺处理UHMWPE纤维然后镀银，当优选银的使用量使处理后纤维的电阻率达到1010Ω/cm，其密度增加至1.053g/cm3，进一步减少银的使用量，处理后纤维的密度减小，但电阻率大于1010Ω/cm。
比较例2：
量取500mL pH为9的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺，搅拌均匀后加入UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后往3.8％的硝酸银溶液中边滴加氨水边搅拌，至溶液变澄清，之后将其和17％的酒石酸钾钠溶液按体积比为1∶1混合均匀，形成镀银液；最后将活化纤维浸入镀银液中，室温下遮光反应0.5h，得到镀银纤维。
此方法制备的纤维密度为1.102g/cm3，电阻率为104Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为107Ω/cm，即清洗前的1000倍。可见，采用多巴胺处理UHMWPE纤维然后镀银，虽然使纤维的电阻率下降，但纤维密度较高，且镀银层的牢度不足。
比较例3：
量取500mL pH为8.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺，搅拌均匀后加入UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后往3.8％的硝酸银溶液中边滴加氨水边搅拌，至溶液变澄清，之后将其和17％的酒石酸钾钠溶液按体积比为1∶1混合均匀，形成镀银液；最后将活化纤维浸入镀银液中，室温下遮光反应8h，得到镀银纤维。
此方法制备的纤维密度为1.943g/cm3，电阻率为≤1.0Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为107Ω/cm，即清洗前的107倍。可见，采用多巴胺处理UHMWPE纤维然后镀银，当银的使用量较高时，虽然使纤维的电阻率有效下降，但纤维密度大幅升高，且镀银层的牢度不足。
比较例4：
取氧化石墨烯1.25g加入到500mL去离子水中，机械搅拌30min，超声处理30min；将UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)浸入氧化石墨烯分散液中，加入氨水调节pH为9，再加入水合肼(氧化石墨烯与水合肼的质量比为10∶7)，在95℃下以200r/min的转速搅拌3h，完成石墨烯涂覆，重复此浸渍还原过程8次，得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维密度为0.976g/cm3，电阻率为1011Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为1014Ω，即清洗前的1000倍。可见，采用石墨烯涂覆UHMWPE纤维，虽然使纤维的电阻率下降，且密度保持较低，但石墨烯涂覆层的牢度不足。
实施例1：
量取500mL pH为8.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将0.05g氧化石墨烯加入到500mL去离子水中，机械搅拌20min，超声处理20min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入氨水调节pH为9，再加入水合肼(氧化石墨烯与水合肼的质量比为10∶5)，在50℃下以100r/min的转速搅拌2h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程6次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.976g/cm3，表面电阻率为108Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为109Ω/cm，即清洗前的10倍。
实施例2：
量取500mL pH为10的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将0.25g氧化石墨烯加入到500mL去离子水中，机械搅拌20min，超声处理20min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入氨水调节pH为9，再加入水合肼(氧化石墨烯与水合肼的质量比为10∶5)，在70℃下以100r/min的转速搅拌3h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程5次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.977g/cm3，表面电阻率为108Ω/cm，，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为1010Ω/cm，即清洗前的100倍。
实施例3：
量取500mL pH为9的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将1.25g氧化石墨烯加入到500mL毫升去离子水中，机械搅拌30min，超声处理30min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入氨水调节pH为10，再加入水合肼(氧化石墨烯与水合肼的质量比为10∶7)，在85℃下以300r/min的转速搅拌2h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程7次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.991g/cm3，表面电阻率为106Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为107Ω/cm，即清洗前的10倍。
实施例4：
量取500mL pH为10的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将2.50g氧化石墨烯加入到500mL去离子水中，机械搅拌30min，超声处理30min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入氨水调节pH为11，再加入水合肼(氧化石墨烯与水合肼的质量比为10∶10)，在95℃下以200r/min的转速搅拌5h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程4次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.998g/cm3，表面电阻率为106Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为108Ω/cm，即清洗前的100倍。
实施例5：
量取500mL pH为8.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将5.00g氧化石墨烯加入到500mL去离子水中，机械搅拌30min，超声处理40min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入氨水调节pH为10，再加入水合肼(氧化石墨烯与水合肼的质量比为10∶10)，在95℃下以500r/min的转速搅拌3h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程8次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为1.023g/cm3，表面电阻率为104Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为106Ω/cm，即清洗前的100倍。
实施例6：
量取500mL pH为9.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将0.25g氧化石墨烯加入到500mL乙二醇中，机械搅拌20min，超声处理20min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入硼氢化钠(氧化石墨烯与硼氢化钠的质量比为1∶4)，在65℃下以200r/min的转速搅拌2h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程8次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.979g/cm3，电阻率为107Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为107Ω/cm，即清洗前的1倍。
实施例7：
量取500mL pH为9.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将1.25g氧化石墨烯加入到500mL乙二醇中，机械搅拌30min，超声处理30min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入硼氢化钠(氧化石墨烯与硼氢化钠的质量比为1∶6)，在75℃下以100r/min的转速搅拌4h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程5次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.989g/cm3，电阻率为106Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为107Ω/cm，即清洗前的10倍。
实施例8：
量取500mL pH为9的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将2.50g氧化石墨烯加入到500mL去离子水中，机械搅拌30min，超声处理40min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入硼氢化钠(氧化石墨烯与硼氢化钠的质量比为1∶8)，在90℃下以200r/min的转速搅拌5h，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程5次；再将纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入葡萄糖(氧化石墨烯与葡萄糖的质量比为1∶8)，在90℃下以200r/min的转速搅拌5h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程5次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为1.023g/cm3，电阻率为104Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为105Ω/cm，即清洗前的10倍。
实施例9：
量取500mL pH为8.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将0.25g氧化石墨烯加入到500mL NMP溶液中，机械搅拌20min，超声处理20min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入抗坏血酸(氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为1∶10)，在50℃下以100r/min的转速搅拌1h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程2次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.975g/cm3，电阻率为1010Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为1010Ω/cm，即清洗前的1倍。
实施例10：
量取500mL pH为9的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将1.25g氧化石墨烯加入到500mL NMP溶液中，机械搅拌30min，超声处理30min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入抗坏血酸(氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为1∶12)，在55℃下以100r/min的转速搅拌2h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程8次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.994g/cm3，电阻率为105Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为105Ω/cm，即清洗前后电阻率不变。
实施例11：
量取500mL pH为8.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将2.50g氧化石墨烯加入到500mL NMP溶液中，机械搅拌30min，超声处理40min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入抗坏血酸(氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为1∶15)，在60℃下以200r/min的转速搅拌5h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程4次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为1.013g/cm3，电阻率为106Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为108Ω/cm，即清洗前的100倍。
实施例12：
量取500mL pH为8.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将0.25g氧化石墨烯加入到500mL DMF中，机械搅拌20min，超声处理20min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入氢碘酸(氧化石墨烯与氢碘酸的质量比为1∶20)，在65℃下以100r/min的转速搅拌3h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程7次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.978g/cm3，电阻率为107Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为108Ω/cm，即清洗前的10倍。
实施例13：
量取500mL pH为8.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将1.25g氧化石墨烯加入到500mL DMF中，机械搅拌30min，超声处理40min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入氢碘酸(氧化石墨烯与氢碘酸的质量比为1∶30)，在75℃下以200r/min的转速搅拌4h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程9次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.997g/cm3，电阻率为105Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为106Ω/cm，即清洗前的10倍。
实施例14：
量取500mL pH为8.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将2.50g氧化石墨烯加入到500mL DMF中，机械搅拌30min，超声处理40min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入氢碘酸(氧化石墨烯与氢碘酸的质量比为1∶40)，在80℃下以200r/min的转速搅拌5h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程7次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为1.016g/cm3，电阻率为105Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为107Ω/cm，即清洗前的100倍。
实施例15：
量取500mL pH为9的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将2.50g氧化石墨烯加入到500mL去离子水中，机械搅拌30min，超声处理40min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入过硫酸钠(氧化石墨烯与过硫酸钠的质量比为1∶10)，在90℃下以200r/min的转速搅拌3h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程5次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.991g/cm3，电阻率为107Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为109Ω/cm，即清洗前的100倍。
实施例16：
量取500mL pH为9的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将1.25g氧化石墨烯加入到500mL去离子水中，机械搅拌30min，超声处理30min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入葡萄糖(氧化石墨烯与葡萄糖的质量比为1∶8)，在75℃下以200r/min的转速搅拌4h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程10次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为0.998g/cm3，电阻率为103Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为105Ω/cm，即清洗前的100倍。
实施例17：
量取500mL pH为8.5的Tris-HCl缓冲溶液，加入1g多巴胺(如表2所示)，搅拌均匀，加入如表1所示的UHMWPE纤维(经丙酮超声处理1h)，静置反应24h，得到活化纤维；然后如表3所示，将2.50g氧化石墨烯加入到500mL去离子水中，机械搅拌30min，超声处理40min；之后将活化纤维浸入氧化石墨烯分散液中，加入葡萄糖(氧化石墨烯与葡萄糖的质量比为1∶12)，在90℃下以200r/min的转速搅拌1h，完成石墨烯涂覆，洗涤干燥后，重复此浸渍还原过程7次，最终得到石墨烯涂覆UHMWPE纤维。
此方法制备的纤维如表4所示，其中密度为1.009g/cm3，电阻率为106Ω/cm，纤维牢度为：室温下超声清洗2h后电阻率变为107Ω/cm，即清洗前的10倍。

Claims (10)

1.一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维，密度为0.97～1.03g/cm3，直径为15～25μm，强度为30～40cN/dtex，模量为800～1600cN/dtex，断裂伸长率为2.5％～4.5％，表面电阻率为103～1010Ω/cm，表面碳氧原子比为4:1～10:1，其特征在于包括超高分子量聚乙烯纤维基层、多巴胺活化层和部分还原石墨烯层；其中多巴胺活化层贴附于基层表面，部分还原石墨烯层呈片层展开状态贴附于多巴胺活化层表面；
所述的部分还原石墨烯层的质量含量为0.1～5％，碳氧原子比为5:1～10:1，片层表面尺寸为0.1～2μm，片层层数为1～10层。
2.如权利要求1所述的一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于所述的多巴胺活化层质量含量为0.01～1.0％，碳氧原子比为4:1～6:1；
所述的部分还原石墨烯层与多巴胺活化层的质量比为500:1～0.1:1。
3.如权利要求1所述的一种轻质抗静电超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤是：
步骤(1)、氧化石墨烯分散液的配制：
常温下将氧化石墨烯粉末加入到分散介质中，先机械搅拌20～30min，搅拌速度为500～800r/min，再在冰水浴中超声处理20～40min，得到均匀稳定的氧化石墨烯分散体系；
步骤(2)、UHMWPE纤维的清洗：在常温下将UHMWPE纤维在溶剂中超声清洗0.5～1.5h，取出干燥后待用；
步骤(3)、活化纤维的制备：在pH为8～11的三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲溶液中加入多巴胺，得到多巴胺溶液；再在上述多巴胺溶液中加入步骤(2)处理后的纤维，静置反应8～24h，洗涤干燥后得到多巴胺活化UHMWPE纤维；
步骤(4)、轻质抗静电UHMWPE的制备：将步骤3得到的活化纤维浸入到步骤(1)得到的氧化石墨烯分散体系中，再加入还原剂，在50～95℃下以100～500r/min的转速搅拌1～5h，然后将纤维洗涤干燥，重复此浸渍还原过程2～10次，得到部分还原石墨烯涂覆超高分子量聚乙烯纤维。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(1)氧化石墨烯粉末为分散介质重量的0.01～1％；步骤(3)所述的UHMWPE纤维与多巴胺溶液的质量比为2～10％；步骤(4)所述氧化石墨烯与还原剂的质量比为1:0.5～1:40。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(1)所述的氧化石墨烯的碳氧原子比为2:1～4:1，片层表面尺寸为0.1～2μm，片层层数为1～10层。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(2)所述的UHMWPE纤维的分子量为100～300万，密度为0.973g/cm3，直径为15～25μm，强度为30～40cN/dtex，模量为800～1600cN/dtex，断裂伸长率为2.5％～4.5％，表面电阻率为1012～1016Ω/cm；表面碳氧原子比为10:1～1000:1。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(2)UHMWPE纤维的直径为20～23μm，表面碳氧原子比为100:1～1000:1。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(3)所述的多巴胺为儿茶酚胺类或二苯醌类化合物中的一种或两种的混合物，结构式如下：
其中R为带有氨基基团的-(CHy)x-NH2或-(CHy)x-NH-(CHq)p-CH3或-(CH2)x-NH-(CO)x-(CH2)P-CH3或-(CH2)x-NH-(CO)x-(CH2)P-C6H5或-(CH2)x-NH2或-(CHy)x-N(CHj)h-(CHq)p-(CH3)e或-CHOH-NH-(CH2)p-CH3或-CHOH-(CH2)x-NH2，其中x为1～99的自然数，p、h为0～99的自然数，y、q、e为1或2，j为1、2或3。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于步骤(3)所述的多巴胺为儿茶酚胺类或二苯醌类化合物中的一种或两种的混合物，结构式如下：
其中R为 n为1～10的自然数。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(4)所述还原剂为氨水、水合肼、氢碘酸、硼氢化钠、抗坏血酸、过硫酸钠、葡萄糖中的一种或两种的混合物。
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