高强度聚乙烯纤维的改性

1. 高强度聚乙烯纤维的改性 纺织学院 肖桂真

2. 高强度聚乙烯（UHMWPE）纤维 高强度聚乙烯（UHMWPE）纤维以其优异的性能而成为一种重要的高科技纤维品种，但由于本身的结构特点，使得其存在一定的性能缺陷而限制了应用范围。通过等离子体处理法、氧化法等各种物理和化学的方法对高强度聚乙烯（UHMWPE）纤维表面进行改性处理，可不同程度改善其耐热、界面、抗蠕变等弱性。目前，国内外针对UHMWPE纤维的改性方法很多，既有物理方法，也有化学方法。

3. UHMWPE纤维表面的物理处理主要依据PE分子结晶的不完整性，对UHMWPE纤维表面进行糙化处理，如非晶部分可溶于二甲苯，而结晶部分不溶于二甲苯，经二甲苯处理后可在高性能聚乙烯纤维表面产生刻蚀，形成凸凹不平的表面，增加了纤维和树脂之间的力学啮合以及纤维表面与树脂结合的真实接触面积，提高了纤维与树脂基体的粘结强度。 溶胀结晶法也可用来处理UHMWPE表面。溶胀结晶法是利用聚乙烯的高结晶性能，使纤维表面的无定型区发生溶解后重新结晶，在纤维表面形成一层分子刷。 物理处理方法 Company Logo

4. 化学处理方法 化学方法是在纤维表面产生能和树脂反应的活性基团，一般的化学处理法包括化学试剂处理法、等离子体处理法、电晕放电处理法和辐射引发表面接枝处理法等。一般的化学处理方法均包含物理处理方法 Company Logo

5. 化学处理方法 Ⅰ 化学氧化方法 氧化法通常采用重铬酸钾、铬酸、双氧水、高锰酸钾等强氧化剂对UHMWPE纤维进行化学处理，可在纤维表面引起化学变化和物理变化，而在UHMWPE纤维分子中引入极性基团，增大了纤维与基体树脂的作用力，同时由于化学试剂对纤维表面所产生的化学刻蚀增大了纤维表面的粗糙程度，也即增大了纤维的比表面积，所有这些都有利于纤维与树脂的很好结合。 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

6. 化学处理方法 Ⅰ 等离子体处理 等离子由分子、分子离解而产生的复合粒子、原子、电子和正负离子等构成。等离子体处理的作用效果仅在材料表面有限深度内(几个分子)，因此纤维自身的力学性能不会受太大的影响，这是等离子体处理法在UHMWPE纤维表面处理中的最大优势。采用等离子体对UHMWPE纤维进行接枝处理后，在纤维表面可产生活性，虽然不能直接在纤维表面产生自由基，但可引发氧化基团分解成自由基，发生接枝反应。 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

7. 化学处理方法 Ⅰ 电晕放电处理 电晕处理(又称电火花处理)是将2～100 kV，2～10 kHz的高频高电压(但未达到击穿电压)施加于致电电极上，由于电极表面附近的电场很强，电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象；气体介质电离后产生大量的等离子体及臭氧，与PE表面分子直接或间接作用，使其表面分子链上产生羰基等极性基团。表面张力明显提高；加之糙化表面改善了表面的粘接性达到表面处理的目的。 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

8. 化学处理方法 Ⅰ 辐射引发表面接枝处理 辐射引发表面接枝处理是在纤维的表面上通过辐射引发而进行接枝聚合，长出能与基体紧密结合的缓冲层，从而改善纤维与基体间的粘接性。目前主要研究的是丙烯类单体的接枝聚合，如丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(CMA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸环己酯(CHM)等。辐射源多为60Co、γ射线和紫外光(UV)，也有用X射线或电子轰击等方法来接枝的。 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

9. 化学处理方法 其他改性方法 对UHMWPE纤维进行改性的方法还很多，如本体改性法、压延法、涂层法等。本体改性是指那些不是直接改变高聚物表面性能，而是对纤维分子本身进行改性的方法。典型的例子是聚烯烃同另一含有活性官能团的成分进行共混、接枝或共聚。由于热力学和动力学的原因，这些官能团可以有选择性地位于材料的表面上，因此对提高粘合性能有贡献。压延法是UHMWPE纤维经一对压辊作用后，由原来的圆形截面变成了扁平的截面，增大了纤维与基体树脂的接触面积，粘合性能有一定的改善。涂层法是在UHMWPE纤维表面涂上一层试剂，该层试剂可以起到一定的偶联作用，来增大UHMWPE纤维与树脂的粘合性能的方法。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

10. 结语 UHMWPE纤维表面改性方法较多，这些处理方法均有其各自的特点，但各种单一的表面处理方法均有各种各样的缺点，如化学试剂处理是其中研究最早也是较为成熟的方法，但化学试剂处理会影响UHMWPE纤维原有的结构，以牺牲纤维本身的力学性能来提高纤维和树脂之间的界面强度；等离子体处理过程较复杂，且处理成本较高，目前进行工业化生产还存在难度。为了更好地提高UHMWPE纤维性能，可以采用几种处理方法联合应用，使处理后纤维自身的力学性能下降不多，但其使复合材料的界面结合力大大上升，以最大限度地提高UHMWPE纤维强度，并选择合适简单的工艺路线，降低其工业化难度，拓宽UHMWPE纤维的应用范围。