UHMWPE纖維的表面處理技術(shù)進(jìn)展

劉曉巧，孟家光，田 萌

(1.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西 西安 710048；2.廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)院，廣東 廣州 510000)

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UHMWPE纖維的表面處理技術(shù)進(jìn)展

劉曉巧1，孟家光1，田 萌2

(1.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西 西安 710048；2.廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)院，廣東 廣州 510000)

詳細(xì)介紹了超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維的表面改性方法、改性原理及改性效果，并提出了UHMWPE纖維的表面處理技術(shù)的新進(jìn)展及展望。UHMWPE纖維的表面改性方法主要有氧化處理法、化學(xué)交聯(lián)法、電暈放電法、輻照引發(fā)表面接枝法、等離子體處理法等；目前，電暈放電法已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，其他方法難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；今后，硅烷偶聯(lián)劑化學(xué)交聯(lián)法有較好的工業(yè)化應(yīng)用前景，采用兩種或多種方法并用對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行表面改性將會(huì)得到較好的發(fā)展。

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維 表面改性 電暈放電 化學(xué)交聯(lián) 界面粘結(jié)性

在復(fù)合材料中，增強(qiáng)材料的主要作用是承受外界載荷，增加復(fù)合材料的強(qiáng)度， 改善其力學(xué)性能，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來(lái)說(shuō)，其高比強(qiáng)度和比剛度等特性均來(lái)自于增強(qiáng)纖維[1]。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維作為目前全球高科技纖維之一，具有優(yōu)異的綜合性能，并已作為重要的增強(qiáng)材料廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料[2-5]。但是由于UHMWPE纖維化學(xué)性能不活潑，表面非常光滑，所以纖維與基體之間的粘結(jié)性差，界面結(jié)合力較低，這些都嚴(yán)重限制了UHMWPE纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用[6-7]。為使UHMWPE纖維能夠更好地應(yīng)用于復(fù)合材料中，需要減弱UHMWPE纖維表面的化學(xué)惰性，增加UHMWPE纖維的表面粗糙度，改善UHMWPE纖維和基體之間的界面強(qiáng)度，必須對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行表面改性。作者綜述了UHMWPE纖維各種表面改性方法、原理和效果，并對(duì)其改性新技術(shù)提出了展望。

1 UHMWPE纖維表面改性方法

1.1 氧化處理法

氧化處理法改性UHMWPE纖維就是將強(qiáng)氧化劑作用于纖維表面，此時(shí)氧化劑與纖維基體聚合物之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)就會(huì)使纖維表面被刻蝕，粗糙度增大，極性基團(tuán)含量增多，從而改善纖維與基體樹(shù)脂間的粘結(jié)性[8-9]。按照處理時(shí)所采用的介質(zhì)不同可以將此方法分為氣相氧化法和液相氧化法。氣相氧化法常用的介質(zhì)有臭氧和光，方法是將UHMWPE纖維進(jìn)行表面清潔，放置于介質(zhì)中，待反應(yīng)一段時(shí)間后，用去離子水對(duì)其進(jìn)行清洗，最后烘干即可。液相氧化法常用雙氧水、高錳酸鉀、鉻酸等[10]試劑作為介質(zhì)，方法是在規(guī)定溫度下，將經(jīng)過(guò)清潔處理的UHMWPE纖維置于上述溶液中，待處理一段時(shí)間后取出，用水清洗纖維表面，直至其表面呈中性，接著用超純水對(duì)UHMWPE纖維表面進(jìn)行再次清洗，最后烘干即可。UHMWPE纖維經(jīng)鉻酸80 ℃處理2 min后，與環(huán)氧樹(shù)脂之間的粘結(jié)強(qiáng)度較未處理纖維提高63%，纖維粘結(jié)性能改善效果明顯[11]。

采用氣相氧化法改性UHMWPE纖維，雖然方法簡(jiǎn)單易行，并可持續(xù)進(jìn)行，然而卻很難控制UHMWPE纖維表面的氧化程度，有可能因?yàn)檠趸潭冗^(guò)深造成纖維強(qiáng)度下降。液相氧化法雖然較容易控制，然而方法復(fù)雜繁瑣，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。綜上可知，氧化處理法的優(yōu)點(diǎn)是可改善UHMWPE纖維復(fù)合材料的界面性能，缺點(diǎn)是會(huì)影響UHMWPE纖維的斷裂強(qiáng)度，而且在設(shè)備及操作方面也需繼續(xù)完善[12]。

1.2 化學(xué)交聯(lián)處理法

化學(xué)交聯(lián)法是用引發(fā)劑引發(fā)單體在纖維表面接枝，或者直接采用單體對(duì)纖維進(jìn)行處理?，F(xiàn)階段采用硅烷偶聯(lián)劑比較多。在過(guò)氧化物引發(fā)下，用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行改性，經(jīng)過(guò)硅烷改性處理后，纖維的表面變得粗糙，纖維表面的官能團(tuán)數(shù)量和極性增加，提高了纖維和基體樹(shù)脂間的粘結(jié)性能及層間剪切強(qiáng)度，同時(shí)，改性后纖維的力學(xué)性能和抗蠕變性能也有很大提高。張一等[13]用硅烷偶聯(lián)劑KH-550，KH-560和鈦酸酯偶聯(lián)劑NDZ-201改性UHMWPE纖維, 3種偶聯(lián)劑改性后的纖維的性能比未改性纖維均有較大的提高。其中，硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性效果最好,其改性纖維與樹(shù)脂基體間的層間剪切強(qiáng)度與未改性纖維相比增幅達(dá)到87.8%，斷裂強(qiáng)度比未改性纖維提高了6.9%,模量提高了32.6%。綜上所述，使用硅烷偶聯(lián)劑改性處理UHMWPE纖維，改性工序比較簡(jiǎn)單、方便實(shí)用，且偶聯(lián)劑價(jià)格也低廉，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。

1.3 電暈放電處理法

電暈放電處理法是把干凈的UHMWPE纖維放在兩端施加2～100 kV，2～10 kHz高頻電壓的電極之間，此時(shí)電極周?chē)妶?chǎng)非常強(qiáng)，周?chē)囊恍┛諝鈺?huì)被局部擊穿而發(fā)生電離，電離產(chǎn)生大量的等離子體粒子就會(huì)作用在UHMWPE纖維表面對(duì)其進(jìn)行處理[14-15]。

采用該方法改性UHMWPE纖維會(huì)刻蝕其表面, 從而增大纖維的表面粗糙度和比表面積，因此把處理之后的UHMWPE纖維用作復(fù)合材料增強(qiáng)體，就會(huì)使得其與樹(shù)脂基體的界面性能得到很大改善。研究表明，經(jīng)電暈處理后，UHMWPE纖維斷裂強(qiáng)度約為處理前的32%，纖維與樹(shù)脂的粘結(jié)強(qiáng)力提高了67%[16]。雖然采用電暈放電法處理UHMWPE纖維操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，時(shí)間也較短，目前已經(jīng)用于一些工業(yè)產(chǎn)品的表面處理，但是由于其改善纖維的粘結(jié)性能是有限度的，而且電暈放電處理法不能持續(xù)用于UHMWPE纖維的處理，因此要用此方法進(jìn)行連續(xù)的工業(yè)化生產(chǎn)還存在非常大的困難[17-18]。

1.4 輻照引發(fā)表面接枝法

輻照引發(fā)表面接枝法改性UHMWPE纖維是對(duì)纖維表面進(jìn)行輻射，從而誘發(fā)第二單體進(jìn)行聚合反應(yīng)，此時(shí)UHMWPE纖維表面會(huì)產(chǎn)生與其性質(zhì)不同的物質(zhì)，由此來(lái)提高UHMWPE纖維和基體樹(shù)脂間的粘結(jié)性[19]。通常所用的輻射源為電子束[20]、γ射線(xiàn)[21]和紫外光等，其中紫外光法最常用。該方法首先激活光敏劑(如丙烯酸)，然后利用光敏劑把單體接枝到UHMWPE纖維表面，從而增大UHMWPE纖維表面的粗糙度，且不會(huì)損傷纖維的力學(xué)性能[22-23]。實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)紫外光輻照后的UHMWPE纖維拉伸強(qiáng)度降低了4.8%，單絲拔出力提高29.6%；經(jīng)電子束輻照后的UHMWPE纖維拉伸強(qiáng)度降低了19.4%，單絲拔出力提高了12.3%。因此，紫外光輻照與電子束輻照相比，紫外光輻照對(duì)纖維力學(xué)性能的影響較小，界面性能提高更加明顯[24]。理論上紫外光引發(fā)表面接枝法改性UHMWPE纖維能夠連續(xù)化進(jìn)行，因此這種方法在工業(yè)上具有一定的應(yīng)用前景[25]。但是，輻射交聯(lián)工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)條件要求高，還需要研究人員進(jìn)行不斷地探索。

1.5 等離子體處理法

等離子體處理UHMWPE纖維的原理是利用等離子體產(chǎn)生的高能粒子轟擊纖維表面，從而使得纖維表面變得粗糙，同時(shí)高能粒子的轟擊還會(huì)使纖維表面變得活潑，此時(shí)表面的一些活性分子就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生新的基團(tuán)。目前等離子處理法是UHMWPE纖維表面改性的最佳方式之一，該方法又分成兩種方法，即等離子接枝和低溫等離子改性。等離子接枝的方法是利用等離子體處理設(shè)備對(duì)在單體溶液中浸泡過(guò)的潔凈UHMWPE纖維進(jìn)行處理，處理之后的纖維表面變得活潑，引起附著在UHMWPE纖維表面的單體與該纖維發(fā)生聚合反應(yīng)，從而形成表面的涂層。低溫等離子體改性方法是把干凈的UHMWPE纖維放在等離子處理設(shè)備真空腔內(nèi)的試樣臺(tái)上，開(kāi)啟儀器，設(shè)置所需參數(shù)，如：處理壓強(qiáng)、處理時(shí)間和處理功率等，對(duì)UHMWPE纖維表面進(jìn)行改性處理[26-28]。

現(xiàn)階段使用等離子體對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行表面改性是一種較為理想的方法，因?yàn)榈入x子體能量較低，作用強(qiáng)度卻很高，反應(yīng)溫度低，穿透力較小，只會(huì)作用于纖維表面，而且不會(huì)對(duì)UHMWPE纖維的基本性能產(chǎn)生影響，因此該方法應(yīng)用較為廣泛[29]。

1.6 其他處理法

除了以上5種處理方法，目前還出現(xiàn)了一些其他方法，如涂層處理法、激光處理法、壓延處理法等。

涂層處理法就是在UHMWPE纖維表面涂一層化學(xué)試劑。通常此方法可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是在UHMWPE纖維表面涂抹一層可以消除界面殘余應(yīng)力的高聚物，從而形成可塑層；另一類(lèi)方法是所涂界面層可以使纖維與樹(shù)脂粘合非常穩(wěn)定，能夠很大程度減弱UHMWPE纖維復(fù)合材料的樹(shù)脂基體在固化時(shí)在界面處所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從而改善UHMWPE纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能[30]。激光處理法改性UHMWPE纖維與電暈放電處理法相似，就是利用激光的高能量處理纖維表面，從而提高UHMWPE纖維表面的極性和浸潤(rùn)性，同時(shí)還可以提高其層間剪切強(qiáng)度，但是處理之后UHMWPE纖維的力學(xué)性能會(huì)有所降低。壓延處理法就是在特定溫度下把UHMWPE纖維放在壓延機(jī)的兩輥之間進(jìn)行碾壓，碾壓之后的纖維截面就會(huì)由未碾壓時(shí)的圓形變成扁平狀，這時(shí)UHMWPE纖維比表面積增大，其與基體樹(shù)脂的接觸面積也會(huì)隨之增加，纖維與基體樹(shù)脂的界面性能就會(huì)得到改善[31]。

2 最新研究進(jìn)展

目前，除了上述幾種處理方法外，UHMWPE纖維的表面改性也有了最新的研究進(jìn)展，出現(xiàn)了使用兩種或多種方法并用來(lái)處理UHMWPE纖維，如將電暈和紫外接枝并用處理UHMWPE 纖維，處理后纖維與樹(shù)脂的粘結(jié)性也得到了提高?；蛘邚脑线M(jìn)行改性以增加分子間作用力，或者在纖維成形階段加入極性萃取劑，均可獲得有較好粘接性的 UHMWPE 纖維。李剛[32]采用鉻酸與偶聯(lián)劑二者復(fù)合方式處理UHMWPE纖維，與未處理纖維相比，復(fù)合處理方法處理的單纖維接觸角降低74.6%。代棟梁等[33]研究發(fā)現(xiàn)，超臨界CO2預(yù)處理對(duì)UHMWPE纖維的輻照交聯(lián)起到了重要的促進(jìn)作用，使其抗蠕變性能得到很大程度的改善。當(dāng)然在進(jìn)行纖維表面改性的同時(shí)也要注重改性效果和成本。

3 結(jié)語(yǔ)

UHMWPE纖維表面改性方法已經(jīng)有很多種，但是真正能夠用于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的并不多。氧化處理法是研究最為成熟的方法，其中鉻酸處理UHMWPE纖維效果相對(duì)最佳，但是存在處理后纖維強(qiáng)度下降，反應(yīng)不易控制且生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢液易造成環(huán)境污染等問(wèn)題。電暈放電處理對(duì)纖維本體的損傷小，無(wú)污染，現(xiàn)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。輻照引發(fā)表面接枝法，尤其是低溫等離子體處理對(duì)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)條件要求高，難以工業(yè)化應(yīng)用。使用硅烷偶聯(lián)劑這類(lèi)試劑對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)處理，操作簡(jiǎn)單且成本不高，比較適合于工業(yè)化生產(chǎn)。在UHMWPE 纖維紡制成形階段進(jìn)行改進(jìn)，從而賦予UHMWPE 纖維好的表面粘接性而不降低纖維強(qiáng)度，是今后UHMWPE纖維改性的發(fā)展方向。當(dāng)然，隨著科技的發(fā)展，UHMWPE纖維的處理方法會(huì)越來(lái)越完善。

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Progress in surface modification technology of UHMWPE fiber

Liu Xiaoqiao1, Meng Jiaguang1, Tian Meng2

(1.SchoolofTextilesandMaterials,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an710048; 2.GuangzhouFiberProductTestingInstitute,Guangzhou510000)

The surface modification techniques, principles and effects were introduced in details for ultrahigh relative molecular mass polyethylene (UHMWPE) fiber. The progress and outlook of the surface modification techniques for UHMWPE fiber were put forward. The surface modification techniques for UHMWPE fiber dominantly comprise oxidation modification, chemical crosslinking modification, corona discharge modification, irradiation induced surface grafting modification, plasma modification, etc. The corona discharge modification has been applied in the commercial production by now, but other modification techniques are difficult being commercialized. The chemical crosslinking modification with silane coupling agent is expected to be of a wonderful commercial application prospect in the future. The combination of two or manifold techniques would be well developed for the surface modification of UHMWPE fiber.

ultrahigh relative molecular mass polyethylene fiber; surface modification; corona discharge; chemical crosslinking; interface adhesion

2016- 06-16； 修改稿收到日期：2016- 09-20。

劉曉巧(1990—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔椥虏牧?、新工藝和新技術(shù)。E-mail：18092862376@163.com。

陜西省2011產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心科研項(xiàng)目(2015ZX-02)。

TQ342+.7

A

1001- 0041(2016)06- 0050- 05