本發(fā)明涉及高分子材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超疏水聚乙烯纖維薄膜的制備方法。

背景技術(shù)：

超疏水表面因具有大于150°的靜態(tài)接觸角和小于10°的滾動(dòng)角的性能而吸引人們研究。自然界中許多植物葉面、水禽羽毛都具有超疏水性。這些動(dòng)、植物的表面一般都分泌有疏水的油脂或蠟,而且表面非常粗糙,與水的接觸角可達(dá)150°以上。荷葉以超疏水性和自清潔而出名，這得益于它特殊的分級(jí)粗糙度：細(xì)小的微米乳突結(jié)構(gòu)上還有一層蠟質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，液滴會(huì)坐落在乳突結(jié)構(gòu)的頂端，因此這些葉子會(huì)展示出優(yōu)秀的超疏水性。目前，借鑒自然界中存在的天然疏水性物質(zhì)的疏水原理，超疏水表面一般可以通過兩類技術(shù)路線來制備：一類是在低表面能的疏水材料表面上構(gòu)建微米-納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)；另外一類是用低表面能物質(zhì)在微米-納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修飾處理。其中,制備合適微米-納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)的方法是相關(guān)研究的關(guān)鍵。

超高分子量聚乙烯是一種性能優(yōu)良的工程塑料，綜合了所有塑料的優(yōu)越性能，它的分子結(jié)構(gòu)與普通聚乙烯的基本相同，但分子量卻高達(dá)100萬以上，因而具有不同于普通聚乙烯的一些特殊性能。uhmwpe具有自潤滑性、摩擦系數(shù)小，磨耗低，、耐化學(xué)藥品性優(yōu)良，、耐沖擊、耐壓性、抗凍性、保溫性、自潤滑性、抗結(jié)垢性、耐應(yīng)力開裂性、衛(wèi)生性等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、食品和飲料加工機(jī)械、鑄件、木材加工工業(yè)、散裝材料處理、醫(yī)療上的人工移植器、采礦加工機(jī)械、紡織機(jī)械及交通運(yùn)輸車輛、體育娛樂設(shè)備等領(lǐng)域。在uhmwpe廣泛應(yīng)用過程中，對(duì)于其疏水性能的需求越來越強(qiáng)烈。然而目前對(duì)于疏水性材料的制備方法主要有蒸汽誘導(dǎo)相分離法、模板印刷法、電紡靜電紡絲法、溶膠-凝膠法、模板擠壓法、激光和等離子體刻蝕法、拉伸法、腐蝕法以及其他方法。這些方法在實(shí)際應(yīng)用過程中成本高，周期長，不適于工業(yè)上推廣應(yīng)用。因此，探索一種制備方法簡(jiǎn)單、低成本、高加工效率的超疏水聚乙烯纖維薄膜的制備方法，是一項(xiàng)具有重要應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種超疏水聚乙烯纖維薄膜的制備方法，該方法操作簡(jiǎn)便、易于控制、成本低、加工效率高。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種超疏水聚乙烯纖維薄膜的制備方法，包括以下操作步驟：

1）制備超高分子量聚乙烯紡絲液：在140℃溫度下，將超高分子量聚乙烯粉末溶于二甲苯中，配置成質(zhì)量濃度為0.0.1~0.5%的超高分子量聚乙烯溶液；

2）紡絲、紡膜：在油浴鍋的上方設(shè)置攪拌棒，攪拌棒的下方固定連接鋼絲框，將步驟1）制備的超高分子量聚乙烯溶液轉(zhuǎn)移至油浴鍋中，鋼絲框浸入超高分子量聚乙烯溶液中，設(shè)定油浴溫度為105~115℃，恒溫結(jié)晶，設(shè)定攪拌速率＞600r/min，鋼絲框在超高分子量聚乙烯溶液中隨著攪拌棒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行紡絲、紡膜，結(jié)晶的纖維纏繞在鋼絲框上形成薄膜；其中鋼絲框?yàn)橛芍睆綖?.5~1mm的鋼絲圍成的長為40mm，寬為17mm的鋼絲框；

3）干燥：將步驟2）紡絲、紡膜完成后形成的纖維薄膜取出，干燥，即得所述的超疏水聚乙烯纖維薄膜。

可選的，步驟2）中所述恒溫結(jié)晶的時(shí)間為20min。

可選的，所述超高分子量聚乙烯粉末的型號(hào)為m2，數(shù)均分子量為（2.0～3.0）×10⁶g/mol。所述超高分子量聚乙烯粉末從加入二甲苯至完全溶解的時(shí)間＞10分鐘。

可選的，步驟2）中所述攪拌速率為800r/min。

可選的，步驟3）中所述干燥為在50~75℃條件下干燥1~2min。

可選的，步驟2）中所述鋼絲框圍成的平面垂直于超高分子量聚乙烯溶液的液面。本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明的超疏水聚乙烯纖維薄膜基于超疏水性能材料的生產(chǎn)要求，不用低表面能去修飾粗糙表面，而是利用超高分子量聚乙烯（uhmwpe）為材料，通過流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶的方法直接制得具有串晶（shish-kebab）結(jié)構(gòu)的uhmwpe超疏水纖維薄膜；

2、本發(fā)明方法制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜是一種典型的串晶結(jié)構(gòu)，微米尺寸的shish在表面隨機(jī)取向，幾個(gè)shish-kebab共同生長形成更大的尺寸，表面有許多互相連通的shish-kebab形成了微米結(jié)構(gòu)；同時(shí)圓盤狀的kebab垂直于shish周期性地排列，kebab之間的間隙和納米尺寸的kebab形成了納米結(jié)構(gòu)，這種特色的shish-kebab形成了一種微納分層結(jié)構(gòu)，降低了超高分子量聚乙烯纖維薄膜表面對(duì)水的粘附性，提高表面的接觸角，賦予超高分子量聚乙烯纖維薄膜的超疏水性能；

3、本發(fā)明方法制備的超疏水超高分子量聚乙烯纖維薄膜具備自清潔功能，能夠比較完美地模仿荷葉表面的自清潔能力；

4、本發(fā)明方法制備的超疏水超高分子量聚乙烯纖維薄膜具備油水分離功能，能夠從水中吸附水表明的油，可應(yīng)用于防護(hù)海洋污染。

5、本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)便，成本低廉，周期短，適于工業(yè)化推廣應(yīng)用。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)施例1中的流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)裝置圖；其中1為攪拌棒、2為油浴鍋、3為鋼絲框；

圖2本發(fā)明實(shí)施例1制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜不同倍率下的掃描電鏡圖對(duì)照?qǐng)D；其中a為1μm倍率下的掃描電鏡圖；b為100nm倍率下的掃描電鏡圖；

圖3本發(fā)明實(shí)施例1制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜與水滴的靜態(tài)接觸角測(cè)試圖；

圖4本發(fā)明實(shí)施例1制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜與水滴的滾動(dòng)角測(cè)試圖；

圖5本發(fā)明實(shí)施例1制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜自清潔功能演示圖；

圖6本發(fā)明實(shí)施例1制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜油水分離自清潔功能演示圖。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

下述實(shí)施例中采用的超高分子量聚乙烯粉末的型號(hào)為m2，數(shù)均分子量為（2.0～3.0）×10⁶g/mol。

實(shí)施例1

本實(shí)施例超疏水聚乙烯纖維薄膜的制備方法，具體操作步驟為：

1）制備超高分子量聚乙烯紡絲液：取超高分子量聚乙烯粉末加入有機(jī)溶劑二甲苯中，在140℃條件下溶解10分鐘以上至超高分子量聚乙烯粉末完全溶于二甲苯中，得質(zhì)量濃度為0.05%的超高分子量聚乙烯溶液；

2）紡絲、紡膜：如圖1所示，在油浴鍋的上方設(shè)置攪拌棒，攪拌棒的下方左右對(duì)稱固定連接兩個(gè)鋼絲框，將步驟1）制備的超高分子量聚乙烯溶液轉(zhuǎn)移至油浴鍋中放置的筒體部?jī)?nèi)徑為35mm的縮口玻璃容器中，加入的超高分子量聚乙烯溶液的體積為40ml，，鋼絲框浸入超高分子量聚乙烯溶液中，設(shè)定油浴溫度為105℃，設(shè)定攪拌速率800r/min，恒溫結(jié)晶20min，鋼絲框在超高分子量聚乙烯溶液中隨著攪拌棒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行紡絲、紡膜；其中鋼絲框?yàn)橛芍睆綖?.8mm的鋼絲圍成的長為40mm，寬為17mm的鋼絲框，兩個(gè)鋼絲框豎直固定在攪拌棒的下端；

3）干燥：將步驟2）紡絲、紡膜完成后形成的帶有纖維薄膜的攪拌棒取出，采用60℃的熱風(fēng)干燥1.5min，即得所述的超疏水聚乙烯纖維薄膜。

本實(shí)施例制備的纖維薄膜的性能檢測(cè)：

1、采用sem觀察本實(shí)施例制備的纖維薄膜的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，微米尺寸的shish在表面隨機(jī)取向，幾個(gè)shish-kebab共同生長形成更大的尺寸，表面有許多互相連通的shish-kebab形成了微米結(jié)構(gòu)；同時(shí)由圖b可知圓盤狀的kebab垂直于shish周期性地排列，kebab之間的間隙和納米尺寸的kebab形成了納米結(jié)構(gòu)，這種特色的shish-kebab形成了一種微納分層結(jié)構(gòu)；

2、采用接觸角測(cè)試儀測(cè)量本實(shí)施例制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜對(duì)水液滴的接觸角為154°（如圖3所示）,滾動(dòng)角小于5°（如圖4所示），表明本實(shí)施制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜具有很好的疏水性能；

3、如圖5所示，將mno2粉末灑在本實(shí)施例制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜的表面，用水滴沖洗之后，mno2直接從超疏水聚乙烯纖維薄膜表面脫落，并不留下任何痕跡，表面本實(shí)施例方法制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜具有很好的自清潔功能；

4、如圖6所示，在水中滴入環(huán)己烷，然后采用本實(shí)施例制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜粘附水中的環(huán)己烷，經(jīng)過5s左右的時(shí)間，水中的環(huán)己烷完全粘附在超疏水聚乙烯纖維薄膜表面，表明本實(shí)施例制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜具有很好的油水分離自潔凈功能，可以應(yīng)用于河水、海洋等有機(jī)物污染物的去除。

實(shí)施例2

本實(shí)施例超疏水聚乙烯纖維薄膜的制備方法，具體操作步驟為：

1）制備超高分子量聚乙烯紡絲液：取超高分子量聚乙烯粉末加入有機(jī)溶劑二甲苯中，在140℃條件下溶解10分鐘以上至超高分子量聚乙烯粉末完全溶于二甲苯中，得質(zhì)量濃度為0.01%的超高分子量聚乙烯溶液；

2）紡絲、紡膜：在油浴鍋的上方設(shè)置攪拌棒，攪拌棒的下方左右對(duì)稱固定連接兩個(gè)鋼絲框，將步驟1）制備的超高分子量聚乙烯溶液轉(zhuǎn)移至油浴鍋中，鋼絲框浸入超高分子量聚乙烯溶液中，設(shè)定油浴溫度為110℃，設(shè)定攪拌速率800r/min，恒溫結(jié)晶20min，鋼絲框在超高分子量聚乙烯溶液中隨著攪拌棒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行紡絲、紡膜；其中鋼絲框?yàn)橛芍睆綖?.5mm的鋼絲圍成的長為40mm，寬為17mm的鋼絲框，兩個(gè)鋼絲框豎直固定在攪拌棒的下端；

3）干燥：將步驟2）紡絲、紡膜完成后形成的纖維薄膜取出，采用50℃的熱風(fēng)干燥2min，即得所述的超疏水聚乙烯纖維薄膜。

本實(shí)施例制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜的各項(xiàng)性能與實(shí)施例1基本等同。

實(shí)施例3

本實(shí)施例超疏水聚乙烯纖維薄膜的制備方法，具體操作步驟為：

1）制備超高分子量聚乙烯紡絲液：取超高分子量聚乙烯粉末加入有機(jī)溶劑二甲苯中，在140℃條件下溶解10分鐘以上至超高分子量聚乙烯粉末完全溶于二甲苯中，得質(zhì)量濃度為0.5%的超高分子量聚乙烯溶液；

2）紡絲、紡膜：在油浴鍋的上方設(shè)置攪拌棒，攪拌棒的下方左右對(duì)稱固定連接兩個(gè)鋼絲框，將步驟1）制備的超高分子量聚乙烯溶液轉(zhuǎn)移至油浴鍋中，鋼絲框浸入超高分子量聚乙烯溶液中，設(shè)定油浴溫度為115℃，設(shè)定攪拌速率800r/min，恒溫結(jié)晶20min，鋼絲框在超高分子量聚乙烯溶液中隨著攪拌棒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行紡絲、紡膜；其中鋼絲框?yàn)橛芍睆綖?mm的鋼絲圍成的長為40mm，寬為17mm的鋼絲框，兩個(gè)鋼絲框豎直固定在攪拌棒的下端；

3）干燥：將步驟2）紡絲、紡膜完成后形成的纖維薄膜取出，采用75℃的熱風(fēng)干燥1min，即得所述的超疏水聚乙烯纖維薄膜。

本實(shí)施例制備的超疏水聚乙烯纖維薄膜的各項(xiàng)性能與實(shí)施例1基本等同。

對(duì)比例1

本對(duì)比例聚乙烯纖維薄膜與實(shí)施例1不同的是，配制質(zhì)量濃度為5%的超高分子量聚乙烯溶液，省去使用鋼絲框紡絲紡膜，改用直徑為20mm、長為35mm的聚四氟乙烯纖維棒紡絲紡膜，結(jié)晶溫度設(shè)定為96℃，其他同實(shí)施例1。

采用接觸角測(cè)試儀測(cè)量后，本對(duì)比例方法制備的聚乙烯纖維薄膜對(duì)水液滴的接觸角為146°，滾動(dòng)角＞10°，不能滿足超疏水性能的要求。

對(duì)比例2

本對(duì)比例聚乙烯纖維薄膜與實(shí)施例1不同的是，配制質(zhì)量濃度為5%的超高分子量聚乙烯溶液，省去使用鋼絲框紡絲紡膜，改用直徑為20mm、長為35mm的聚四氟乙烯纖維棒紡絲紡膜，結(jié)晶溫度設(shè)定為105℃，其他同實(shí)施例1。

采用接觸角測(cè)試儀測(cè)量后，本對(duì)比例方法制備的聚乙烯纖維薄膜對(duì)水液滴的接觸角為147°，滾動(dòng)角＞10°，不能滿足超疏水性能的要求。

對(duì)比例3

本對(duì)比例聚乙烯纖維薄膜與實(shí)施例1不同的是，配制質(zhì)量濃度為5%的超高分子量聚乙烯溶液，省去使用鋼絲框紡絲紡膜，改用直徑為20mm、長為35mm的聚四氟乙烯纖維棒紡絲紡膜，結(jié)晶溫度設(shè)定為114℃，其他同實(shí)施例1。

采用接觸角測(cè)試儀測(cè)量后，本對(duì)比例方法制備的聚乙烯纖維薄膜對(duì)水液滴的接觸角為149°，滾動(dòng)角＞10°，不能滿足超疏水性能的要求。

對(duì)比例4

本對(duì)比例聚乙烯纖維薄膜與實(shí)施例1不同的是，配制質(zhì)量濃度為5%的超高分子量聚乙烯溶液，省去使用鋼絲框紡絲紡膜，改用直徑為20mm、長為35mm的聚四氟乙烯纖維棒紡絲紡膜，結(jié)晶溫度設(shè)定為123℃，其他同實(shí)施例1。

采用接觸角測(cè)試儀測(cè)量后，本對(duì)比例方法制備的聚乙烯纖維薄膜對(duì)水液滴的接觸角為127°，滾動(dòng)角＞10°，不能滿足超疏水性能的要求。