UHMWPE纤维的表面处理技术进展

刘晓巧，孟家光，田 萌

(1.西安工程大学 纺织与材料学院，陕西 西安 710048；2.广州纤维产品检测院，广东 广州 510000)



UHMWPE纤维的表面处理技术进展

刘晓巧1，孟家光1，田 萌2

(1.西安工程大学 纺织与材料学院，陕西 西安 710048；2.广州纤维产品检测院，广东 广州 510000)

详细介绍了超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维的表面改性方法、改性原理及改性效果，并提出了UHMWPE纤维的表面处理技术的新进展及展望。UHMWPE纤维的表面改性方法主要有氧化处理法、化学交联法、电晕放电法、辐照引发表面接枝法、等离子体处理法等；目前，电晕放电法已经应用于工业化生产，其他方法难以实现工业化；今后，硅烷偶联剂化学交联法有较好的工业化应用前景，采用两种或多种方法并用对UHMWPE纤维进行表面改性将会得到较好的发展。

超高相对分子质量聚乙烯纤维 表面改性 电晕放电 化学交联 界面粘结性

在复合材料中，增强材料的主要作用是承受外界载荷，增加复合材料的强度， 改善其力学性能，尤其对于结构材料来说，其高比强度和比刚度等特性均来自于增强纤维[1]。超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为目前全球高科技纤维之一，具有优异的综合性能，并已作为重要的增强材料广泛应用于复合材料[2-5]。但是由于UHMWPE纤维化学性能不活泼，表面非常光滑，所以纤维与基体之间的粘结性差，界面结合力较低，这些都严重限制了UHMWPE纤维在复合材料中的应用[6-7]。为使UHMWPE纤维能够更好地应用于复合材料中，需要减弱UHMWPE纤维表面的化学惰性，增加UHMWPE纤维的表面粗糙度，改善UHMWPE纤维和基体之间的界面强度，必须对UHMWPE纤维进行表面改性。作者综述了UHMWPE纤维各种表面改性方法、原理和效果，并对其改性新技术提出了展望。

1 UHMWPE纤维表面改性方法

1.1 氧化处理法

氧化处理法改性UHMWPE纤维就是将强氧化剂作用于纤维表面，此时氧化剂与纤维基体聚合物之间发生的化学反应就会使纤维表面被刻蚀，粗糙度增大，极性基团含量增多，从而改善纤维与基体树脂间的粘结性[8-9]。按照处理时所采用的介质不同可以将此方法分为气相氧化法和液相氧化法。气相氧化法常用的介质有臭氧和光，方法是将UHMWPE纤维进行表面清洁，放置于介质中，待反应一段时间后，用去离子水对其进行清洗，最后烘干即可。液相氧化法常用双氧水、高锰酸钾、铬酸等[10]试剂作为介质，方法是在规定温度下，将经过清洁处理的UHMWPE纤维置于上述溶液中，待处理一段时间后取出，用水清洗纤维表面，直至其表面呈中性，接着用超纯水对UHMWPE纤维表面进行再次清洗，最后烘干即可。UHMWPE纤维经铬酸80 ℃处理2 min后，与环氧树脂之间的粘结强度较未处理纤维提高63%，纤维粘结性能改善效果明显[11]。

采用气相氧化法改性UHMWPE纤维，虽然方法简单易行，并可持续进行，然而却很难控制UHMWPE纤维表面的氧化程度，有可能因为氧化程度过深造成纤维强度下降。液相氧化法虽然较容易控制，然而方法复杂繁琐，而且会对环境造成很大的污染。综上可知，氧化处理法的优点是可改善UHMWPE纤维复合材料的界面性能，缺点是会影响UHMWPE纤维的断裂强度，而且在设备及操作方面也需继续完善[12]。

1.2 化学交联处理法

化学交联法是用引发剂引发单体在纤维表面接枝，或者直接采用单体对纤维进行处理。现阶段采用硅烷偶联剂比较多。在过氧化物引发下，用硅烷偶联剂对UHMWPE纤维进行改性，经过硅烷改性处理后，纤维的表面变得粗糙，纤维表面的官能团数量和极性增加，提高了纤维和基体树脂间的粘结性能及层间剪切强度，同时，改性后纤维的力学性能和抗蠕变性能也有很大提高。张一等[13]用硅烷偶联剂KH-550，KH-560和钛酸酯偶联剂NDZ-201改性UHMWPE纤维, 3种偶联剂改性后的纤维的性能比未改性纤维均有较大的提高。其中，硅烷偶联剂KH-550改性效果最好,其改性纤维与树脂基体间的层间剪切强度与未改性纤维相比增幅达到87.8%，断裂强度比未改性纤维提高了6.9%,模量提高了32.6%。综上所述，使用硅烷偶联剂改性处理UHMWPE纤维，改性工序比较简单、方便实用，且偶联剂价格也低廉，容易实现工业化连续生产。

1.3 电晕放电处理法

电晕放电处理法是把干净的UHMWPE纤维放在两端施加2～100 kV，2～10 kHz高频电压的电极之间，此时电极周围电场非常强，周围的一些空气会被局部击穿而发生电离，电离产生大量的等离子体粒子就会作用在UHMWPE纤维表面对其进行处理[14-15]。

采用该方法改性UHMWPE纤维会刻蚀其表面, 从而增大纤维的表面粗糙度和比表面积，因此把处理之后的UHMWPE纤维用作复合材料增强体，就会使得其与树脂基体的界面性能得到很大改善。研究表明，经电晕处理后，UHMWPE纤维断裂强度约为处理前的32%，纤维与树脂的粘结强力提高了67%[16]。虽然采用电晕放电法处理UHMWPE纤维操作过程比较简单，时间也较短，目前已经用于一些工业产品的表面处理，但是由于其改善纤维的粘结性能是有限度的，而且电晕放电处理法不能持续用于UHMWPE纤维的处理，因此要用此方法进行连续的工业化生产还存在非常大的困难[17-18]。

1.4 辐照引发表面接枝法

辐照引发表面接枝法改性UHMWPE纤维是对纤维表面进行辐射，从而诱发第二单体进行聚合反应，此时UHMWPE纤维表面会产生与其性质不同的物质，由此来提高UHMWPE纤维和基体树脂间的粘结性[19]。通常所用的辐射源为电子束[20]、γ射线[21]和紫外光等，其中紫外光法最常用。该方法首先激活光敏剂(如丙烯酸)，然后利用光敏剂把单体接枝到UHMWPE纤维表面，从而增大UHMWPE纤维表面的粗糙度，且不会损伤纤维的力学性能[22-23]。实验表明：经紫外光辐照后的UHMWPE纤维拉伸强度降低了4.8%，单丝拔出力提高29.6%；经电子束辐照后的UHMWPE纤维拉伸强度降低了19.4%，单丝拔出力提高了12.3%。因此，紫外光辐照与电子束辐照相比，紫外光辐照对纤维力学性能的影响较小，界面性能提高更加明显[24]。理论上紫外光引发表面接枝法改性UHMWPE纤维能够连续化进行，因此这种方法在工业上具有一定的应用前景[25]。但是，辐射交联工艺复杂，对设备及实验条件要求高，还需要研究人员进行不断地探索。

1.5 等离子体处理法

等离子体处理UHMWPE纤维的原理是利用等离子体产生的高能粒子轰击纤维表面，从而使得纤维表面变得粗糙，同时高能粒子的轰击还会使纤维表面变得活泼，此时表面的一些活性分子就会发生反应，产生新的基团。目前等离子处理法是UHMWPE纤维表面改性的最佳方式之一，该方法又分成两种方法，即等离子接枝和低温等离子改性。等离子接枝的方法是利用等离子体处理设备对在单体溶液中浸泡过的洁净UHMWPE纤维进行处理，处理之后的纤维表面变得活泼，引起附着在UHMWPE纤维表面的单体与该纤维发生聚合反应，从而形成表面的涂层。低温等离子体改性方法是把干净的UHMWPE纤维放在等离子处理设备真空腔内的试样台上，开启仪器，设置所需参数，如：处理压强、处理时间和处理功率等，对UHMWPE纤维表面进行改性处理[26-28]。

现阶段使用等离子体对UHMWPE纤维进行表面改性是一种较为理想的方法，因为等离子体能量较低，作用强度却很高，反应温度低，穿透力较小，只会作用于纤维表面，而且不会对UHMWPE纤维的基本性能产生影响，因此该方法应用较为广泛[29]。

1.6 其他处理法

除了以上5种处理方法，目前还出现了一些其他方法，如涂层处理法、激光处理法、压延处理法等。

涂层处理法就是在UHMWPE纤维表面涂一层化学试剂。通常此方法可分为两类：一类是在UHMWPE纤维表面涂抹一层可以消除界面残余应力的高聚物，从而形成可塑层；另一类方法是所涂界面层可以使纤维与树脂粘合非常稳定，能够很大程度减弱UHMWPE纤维复合材料的树脂基体在固化时在界面处所产生的残余应力，从而改善UHMWPE纤维增强树脂基复合材料的力学性能[30]。激光处理法改性UHMWPE纤维与电晕放电处理法相似，就是利用激光的高能量处理纤维表面，从而提高UHMWPE纤维表面的极性和浸润性，同时还可以提高其层间剪切强度，但是处理之后UHMWPE纤维的力学性能会有所降低。压延处理法就是在特定温度下把UHMWPE纤维放在压延机的两辊之间进行碾压，碾压之后的纤维截面就会由未碾压时的圆形变成扁平状，这时UHMWPE纤维比表面积增大，其与基体树脂的接触面积也会随之增加，纤维与基体树脂的界面性能就会得到改善[31]。

2 最新研究进展

目前，除了上述几种处理方法外，UHMWPE纤维的表面改性也有了最新的研究进展，出现了使用两种或多种方法并用来处理UHMWPE纤维，如将电晕和紫外接枝并用处理UHMWPE 纤维，处理后纤维与树脂的粘结性也得到了提高。或者从原料进行改性以增加分子间作用力，或者在纤维成形阶段加入极性萃取剂，均可获得有较好粘接性的 UHMWPE 纤维。李刚[32]采用铬酸与偶联剂二者复合方式处理UHMWPE纤维，与未处理纤维相比，复合处理方法处理的单纤维接触角降低74.6%。代栋梁等[33]研究发现，超临界CO2预处理对UHMWPE纤维的辐照交联起到了重要的促进作用，使其抗蠕变性能得到很大程度的改善。当然在进行纤维表面改性的同时也要注重改性效果和成本。

3 结语

UHMWPE纤维表面改性方法已经有很多种，但是真正能够用于工业化连续生产的并不多。氧化处理法是研究最为成熟的方法，其中铬酸处理UHMWPE纤维效果相对最佳，但是存在处理后纤维强度下降，反应不易控制且生产过程中产生的废液易造成环境污染等问题。电晕放电处理对纤维本体的损伤小，无污染，现阶段已经实现工业化生产。辐照引发表面接枝法，尤其是低温等离子体处理对设备及实验条件要求高，难以工业化应用。使用硅烷偶联剂这类试剂对UHMWPE纤维进行化学交联处理，操作简单且成本不高，比较适合于工业化生产。在UHMWPE 纤维纺制成形阶段进行改进，从而赋予UHMWPE 纤维好的表面粘接性而不降低纤维强度，是今后UHMWPE纤维改性的发展方向。当然，随着科技的发展，UHMWPE纤维的处理方法会越来越完善。

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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。

刘晓巧(1990—)，女，硕士研究生，研究方向为纺织新材料、新工艺和新技术。E-mail：18092862376@163.com。

陕西省2011产业用纺织品协同创新中心科研项目(2015ZX-02)。

TQ342+.7

A

1001- 0041(2016)06- 0050- 05