氧氣等離子體處理對(duì)超高分子量聚乙烯纖維力學(xué)性能的影響*

洪劍寒 潘志娟

(1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輕紡系，蘇州，215009;2.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州，215123;3.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室〔蘇州〕，蘇州，215123)

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維是20世紀(jì)70年代末期由荷蘭帝斯曼公司研制成功，并于1990年開始工業(yè)化生產(chǎn)，是繼碳纖維、芳綸之后出現(xiàn)的一種新型高性能纖維。UHMWPE纖維具有高強(qiáng)、高模、低密度、耐腐蝕、良好的韌性和疲勞性能、耐高速?zèng)_擊等優(yōu)異性能，具有巨大的應(yīng)用潛力，目前已在國(guó)防軍需裝備、航空航天、繩纜、生物醫(yī)用材料、體育器材、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

但是，UHMWPE的分子鏈中不含極性基團(tuán)，其表面呈惰性;另外纖維加工后，表面殘留的溶劑、酸和低分子聚合物形成較弱的界面層(約10 nm級(jí));再加上纖維致密光滑，無粗糙的表面以供形成機(jī)械嚙合點(diǎn)，使得纖維表面能很低。因此UHMWPE纖維與樹脂基體的黏結(jié)性很差，影響其復(fù)合材料的使用性能。為改善UHMWPE纖維的黏結(jié)性能，往往在使用前需進(jìn)行表面處理。目前常用的方法有化學(xué)試劑處理、電暈放電處理、紫外接枝處理等。如何洋［1］用鉻酸對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行表面處理后，發(fā)現(xiàn)在纖維表面生成了羥基、羰基、羧基等極性的對(duì)纖維具有浸潤(rùn)性的基團(tuán)，并對(duì)樹脂基體的黏結(jié)性提高60%以上。宋俊等人［2］采用鉻酸溶液對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行表面處理后，其層間剪切強(qiáng)度增大。戚東濤等人［3］對(duì)UHMWPE纖維表面進(jìn)行電暈處理，處理后纖維與基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度提高了535%，短梁剪切強(qiáng)度提高40%以上。駱玉祥等人［4］研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)紫外接枝處理后，UHMWPE纖維布復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度可提高90%以上。等離子體處理UHMWPE纖維亦有較多研究，如姜生［5］將UHMWPE纖維用氬等離子處理后與低密度聚乙烯(LDPE)基體復(fù)合，其復(fù)合材料的縱橫向拉伸斷裂比功分別較處理前提高70%和40%;王書忠等人［6］研究發(fā)現(xiàn)，等離子體處理使UHMWPE纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提高3倍以上;肖干［7］分別用空氣等離子和氧氣等離子處理UHMWPE纖維，發(fā)現(xiàn)UHMWPE/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度分別較未處理纖維提高了2.4倍和4倍。

UHMWPE纖維作為高強(qiáng)高模材料，其使用前的表面處理應(yīng)盡可能地不損傷其優(yōu)異的力學(xué)性能。等離子體處理雖為一種不改變材料主體性能的表面處理方法，但或多或少會(huì)對(duì)所處理材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。本文采用氧氣等離子體對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行處理，研究處理前后纖維力學(xué)性能的變化情況。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

UHMWPE 纖維，444 dtex/240 f，單絲線密度1.85 dtex(杭州翔盛高強(qiáng)纖維材料股份有限公司)。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

UHMWPE纖維的等離子處理采用自制等離子體改性處理儀，處理前后的表面形貌由日立S-4800型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察，纖維力學(xué)性能的測(cè)試采用LLY-06型電子單纖維強(qiáng)力測(cè)試儀(萊州市電子儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 氧氣等離子處理

將洗凈并干燥后的UHMWPE纖維置于等離子處理儀真空反應(yīng)室內(nèi)，啟動(dòng)真空泵，抽出反應(yīng)室內(nèi)空氣至壓強(qiáng)為10 Pa以下;通入氧氣至50 Pa以上，關(guān)閉進(jìn)氣閥門再抽氣至10 Pa以下，再通入氧氣至50 Pa以上。如此反復(fù)數(shù)次，以提高反應(yīng)室內(nèi)氧氣純度。洗氣結(jié)束后調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)氣量，使反應(yīng)室內(nèi)氣體壓強(qiáng)至設(shè)定值，并設(shè)定反應(yīng)功率與處理時(shí)間，啟動(dòng)高頻電源，開始反應(yīng)。

1.2.2 纖維表面形貌分析

等離子處理前后的UHMWPE纖維的表面形貌分析，采用S-4800型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察。

1.2.3 纖維強(qiáng)伸性能測(cè)試

纖維斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試，按照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》。

2 結(jié)果與分析

2.1 等離子處理對(duì)UHMWPE纖維表面形貌的影響

圖1所示為等離子處理前后UHMWPE纖維的表面形貌。從圖1(a)中可以看出，未經(jīng)等離子處理的UHMWPE纖維表面縱向分布有紡絲過程中形成的微細(xì)溝槽，溝槽清晰，表面光滑。經(jīng)氧氣等離子處理后，如圖1(b)所示，纖維表面由于等離子的刻蝕作用而產(chǎn)生一些細(xì)微凹坑，同時(shí)還生成了一些UHMWPE纖維表面層物質(zhì)分解形成的氣態(tài)物返回纖維表面重新聚合逐步生長(zhǎng)而形成的顆粒狀沉積物［8-9］，纖維表面粗糙度提高，溝槽邊界模糊不清。因此經(jīng)氧氣等離子體處理后，UHMWPE纖維表面能提高，可提高其與基體材料的黏結(jié)牢度，以提高其復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖1 UHMWPE纖維的掃描電鏡圖

2.2 等離子處理對(duì)UHMWPE纖維力學(xué)性能的影響

2.2.1 處理時(shí)間

在反應(yīng)功率為90 W，氧氣壓強(qiáng)為40 Pa的條件下，處理時(shí)間對(duì)UHMWPE纖維斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響如圖2所示。

圖2 處理時(shí)間對(duì)UHMWPE纖維力學(xué)性能的影響

氧氣等離子處理對(duì)UHMWPE纖維的力學(xué)性能有一定的影響，從圖2中可以看出，經(jīng)等離子處理后，纖維斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率上升。未處理纖維的斷裂強(qiáng)度為30.67 cN/dtex，經(jīng)0.5 min氧氣等離子處理后下降至29.38 cN/dtex，強(qiáng)度損失4.2%;隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，其強(qiáng)度不斷下降，至4 min時(shí)下降至26 cN/dtex，強(qiáng)度損失達(dá)15%，此后變化較小。等離子體內(nèi)高能粒子不斷刻蝕纖維表面，損傷纖維，且隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，刻蝕程度不斷增加，因此纖維強(qiáng)度隨處理時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，達(dá)到一定程度后趨于穩(wěn)定。UHMWPE纖維經(jīng)氧氣等離子處理后，斷裂伸長(zhǎng)率較未處理有所提高，但從試驗(yàn)結(jié)果看，其變化與處理時(shí)間沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2.2 反應(yīng)功率

在處理時(shí)間為4 min，氧氣壓強(qiáng)為40 Pa的條件下，反應(yīng)功率對(duì)UHMWPE纖維斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響如圖3所示。

圖3 反應(yīng)功率對(duì)UHMWPE纖維力學(xué)性能的影響

從圖3中可以看出，在處理時(shí)間為4 min，氧氣壓強(qiáng)為40 Pa的條件下，較低的反應(yīng)功率對(duì)UHMWPE纖維即造成一定的損傷，反應(yīng)功率為50 W時(shí)纖維強(qiáng)度損失9%左右;隨著等離子處理反應(yīng)功率的逐漸增大，UHMWPE纖維的斷裂強(qiáng)度不斷下降，到150 W時(shí)僅為24.17 cN/dtex，強(qiáng)度損失達(dá)21.2%。這主要是由于隨反應(yīng)功率的提高，等離子體內(nèi)高能粒子對(duì)纖維表面的轟擊刻蝕作用增強(qiáng)，導(dǎo)致纖維強(qiáng)度不斷下降。等離子處理后纖維斷裂伸長(zhǎng)率較處理前有所提高，但亦無明顯的規(guī)律可循。

2.2.3 氧氣壓強(qiáng)

在處理時(shí)間為4 min，反應(yīng)功率為90 W的條件下，氧氣壓強(qiáng)對(duì)UHMWPE纖維斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響如圖4所示。

圖4 氧氣壓強(qiáng)對(duì)UHMWPE纖維力學(xué)性能的影響

從圖4可以看出，在氧氣壓強(qiáng)較低時(shí)，隨著壓強(qiáng)的增大，UHMWPE纖維強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，至50 Pa時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)度下降至最低，為23.81 cN/dtex，較未處理時(shí)的損耗高達(dá)22.4%，此后隨著壓強(qiáng)的增大強(qiáng)度略有升高。在等離子體反應(yīng)中起作用的是高速電子，氧氣壓強(qiáng)較低時(shí)，等離子體內(nèi)被高速電子激發(fā)電離的高能粒子數(shù)量很少，對(duì)纖維表面的刻蝕作用較弱;隨著氧氣壓強(qiáng)的增大，高能粒子數(shù)量增多，對(duì)纖維表面的刻蝕作用增強(qiáng);但是當(dāng)壓強(qiáng)增大到一定程度時(shí)，由于反應(yīng)室內(nèi)氧氣分子相對(duì)密集，電子碰撞概率大增，平均自由程大大縮短，能量降低，使被電子激發(fā)電離的高能粒子數(shù)量減少［10］，因此減弱了對(duì)纖維表面的刻蝕作用。同樣，從圖4中可以看出，雖然等離子處理后纖維斷裂伸長(zhǎng)率較處理前有所提高，但其變化與氧氣壓強(qiáng)亦無對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)氧氣等離子體處理后，UHMWPE纖維表面因刻蝕作用而變得粗糙，表面能提高，有利于其與基體材料的復(fù)合。

(2)氧氣等離子體處理對(duì)UHMWPE纖維的力學(xué)性能造成一定的影響，且處理時(shí)間、反應(yīng)功率和氧氣壓強(qiáng)對(duì)纖維的處理效果均有較為明顯的影響。

(3)氧氣等離子體處理降低了UHMWPE纖維的斷裂強(qiáng)度，提高了斷裂伸長(zhǎng)率，這對(duì)纖維的應(yīng)用是不利的。因此，在滿足提高纖維表面能、增強(qiáng)其黏結(jié)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡可能使用較短的處理時(shí)間、較小的反應(yīng)功率和適當(dāng)?shù)难鯕鈮簭?qiáng)，以減小對(duì)纖維的損傷。

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