UHMWPE纤维表面改性技术的研究进展
纳米改性增强超高分子量聚乙烯复合材料研究进展
纳米改性增强超高分子量聚乙烯复合材料研究进展摘要：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种分子量超过150万､具有线性结构的热塑性工程塑料，其耐冲击性､耐磨损性､耐低温性､耐应力开裂性､抗粘附能力､自润滑性､耐化学腐蚀､无毒害性等优异的综合性能是其他聚合物材料无法比拟的｡鉴于UHMWPE优异的性能特点，其在生物医学､电子科学､建筑业､机械零件､运动器械､化工等领域具有广泛的应用；尤其在生物医学方面，由于UHMWPE优异的生理惰性，已作为人工关节､矫正外科零件､心脏瓣膜等在临床使用｡随着科技发展对聚合物材料的性能要求日益严格，对聚合物的改性增强也随之而来。
关键词：纳米改性；超高分子量聚乙烯；复合材料引言纤维增强复合材料作为复合材料行业的最重要分支，其发展基本可以追溯到20世纪40年代，当时为满足航空航天等高科技行业的迫切需要，玻璃纤维增强塑料被开发出来并成功应用。
随着60年代后碳纤维、硼纤维、芳纶等一些高性能纤维的出现，纤维增强复合材料的性能不断提升。
一、纳米改性UHMWPE复合材料（一）单相纳米材料填充改性UHMWPE单相纳米粒子填充改性UHMWPE制备复合材料，是通过表面活性剂改性纳米粒子填充UHMWPE制备纳米/超高分子量聚乙烯复合材料来改善聚合物的性能｡诸多专家学者在单相纳米材料填充改性超高分子量聚乙烯方面做了相当充分的研究，且大多以无机纳米材料填充聚合物为主｡单相填充UHMWPE的无机纳米粒子主要有Al2O3､ZnO､SiO2､TiO2､ZrO2､纳米蒙脱土（nano-MMT）､纳米羟基磷灰石（HA）､碳系纳米材料（石墨烯纳米片（GNS）､氧化石墨烯（GO）､多壁碳纳米管（MWCNT）､碳纳米纤维（CNF））等，采用单相纳米材料填充UHMWPE制备复合材料有效改善了聚合物的摩擦性能､力学性能､生物性､耐热性和导电性等｡（二）多相纳米材料填充改性UHMWPE多相纳米粒子改性超高分子量聚乙烯是通过填充不同的纳米材料进行UHMWPE的改性｡单相纳米材料填充改性后提高了聚合物的某些性能，但不一定能完全改善材料的其它应用缺陷，所以采用多相纳米粒子填充UHMWPE，通过纳米材料的协同作用来提高聚合物的综合性能｡雷毅等采用纳米Zn0和SiO2共混填充改性UHMWPE，并研究了复合材料的摩擦磨损行为，对比发现纳米ZnO和SiO2具有明显的协同效应｡张炜等采用表面改性纳米炭黑及纳米级Mg（OH）2､硼酸锌､纳米TiO2等作为阻燃剂制备了抗静电无卤阻燃型纳米/UHMWPE复合材料，既改善了超高分子量聚乙烯的热性能和抗静电性能，又提高了其阻燃性能｡二、纳米改性UHMWPE复合材料的性能（一）力学性能由于UHMWPE的硬度低，耐冲击性能较差，限制了其在很多领域的应用，所以需对UHMWPE进行增强改性提高力学性能以满足其在工程应用中的需求｡Ma Tian等通过偶联剂改性WS2填充UHMWPE制备复合纤维，显著提高了复合材料的抗冲击性，在添加量为4%（质量分数）时抗拉伸性能提高了10%｡Jin Tong等通过添加10%（质量分数）表面改性后的硅灰石纤维填充UHMWPE，最大程度地提高了复合材料的拉伸性能和抗冲击性｡Chen Yuanfeng等[7]通过液相超声分散GO与UHMWPE共混制备了GO/UHMWPE复合材料，当添加量为0.5%（质量分数）时，复合材料的屈服强度､抗拉强度和断裂伸长率等均比UHMWPE有不同程度的提升｡Stuerzel Markus等采用原位聚合法制备功能化石墨烯/超高分子量聚乙烯（FG/UHMWPE）纳米复合材料，当添加量为1.0%（质量分数）时复合材料的硬度､断裂伸长率和成核结晶度均得到不同程度的提高｡Wood Weston J等通过优化液体石蜡辅助熔混工艺制备CNFs/UHMWPE复合材料，结果显示CNFs的添加在提高复合材料硬度的同时，还使复合材料保持了纯UHMWPE的韧性和延展性｡Senatov F S等采用机械活化的纳米Al2O3填充UHMWPE，考察了纳米复合材料的力学性能，当添加量为3.0%（质量分数）时，复合材料的极限应力增大了38%，杨氏模量和硬度分别提高了1.58倍和1倍，复合材料的屈服强度和断裂伸长率也得到不同程度的提高，力学性能的改善得益于较大比表面积且形状不规则的纳米颗粒与聚合物的接触面积更大，从而增强了两者之间的附着力｡（二）电学性能聚合物具有比较高的介电常数，良好的绝缘性能，通过导电纳米材料对其改性能显著提高导电性能｡GaoJiefeng等通过液相法将MWCNTs负载至UHMWPE粉末颗粒表面形成二维导电网络，使超高分子量聚乙烯电阻率明显降低，且其渗流阀值仅为0.072%（体积分数）｡HuHongliang等制备了石墨烯包覆UHMWPE的导电复合材料，石墨烯纳米片在聚合物基体中形成导电隔离网膜结构，在0.028%（体积分数）的低渗流阀值时表现出优异的导电性｡狄莹莹等以水､乙醇和肼为混合媒介，通过超声分散方法并热压成型同样制备了具有隔离网状结构的GNS/UHM-WPE复合材料､MWCNTs/UHMWPE复合材料和MWC-NTs-GNS/UHMWPE复合材料，并对比分析了几种复合材料的导电性能以及力学性能｡结果表明：MWCNTs-GNS/UHMWPE和GNS/UHMWPE复合材料均具有低至0.148%和0.059%（体积分数）的渗流阀值，当填料含量为1.0%（质量分数）时，MWCNTs/UHMWPE复合材料的导电率高于相同填料含量的GNS/UHMWPE复合材料；多相填料填充的复合材料MWCNTs-GNS/UHMWPE的渗流阀值仅为0.039%（体积分数），表现出较高的导电性能，但随着填料含量的增加复合材料的力学性能有不同程度的降低｡（三）UHMWPE 纤维增强复合材料的制备经过本体改性的UHMWPE纤维，可以和基体树脂进行特异性结合。
紫外辐射接枝改性UHMWPE纤维表面的研究
第３ ０卷
第 ６期
合
成
纤
维
工
业
Ｖ０ ． ０ Ｎ ． Ｉ３ ｏ ６
Ｄｅ ． ２ ｏ ｃ ｏ ７
２０ ０ ７年 １ ２月
ＣＨＩ ＹＮＴ ＮＡ Ｓ ＨＥ Ｃ Ｉ ＴＩ Ｆ ＢＥＲ Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＹ
紫 外 辐 射 接 枝 改性 ＵＨＭＷＰ Ｅ纤维 表 面 的研 究
外 辐射 接 枝 改性 方 法 易 于 控制 、 效率 高 、 污染 、 无
一
将 Ｕ ＭＷＰ 纤 维 织 物 裁 剪 成 ５ ｍ ×５ Ｈ Ｅ ０ｍ ０
ｍｍ 的试 样 ， 正庚 烷 中浸 泡 ２ ， 索 式 萃 取器 在 ４ｈ 在
次 性投 资成 本低 、 合连 续化 生产 ， 常 适合 可 适 非
Hale Waihona Puke 中用丙酮萃取 ４ｈ 洗去织物表面的污渍及其他附 ， 着 物 。随后 放人 真 空烘 箱 中 ６ ℃ 烘 干 至恒 重 ， ０ 进 行 气相 接 枝 、 相 接 枝 处 理 Ｊ 液 。气 相 接 枝 是 Ｕ Ｈ—
ＭＷＰ Ｅ试 样置 于 弥漫着 溶 剂 、 体 、 单 光敏 剂 的蒸 汽 的惰 性 气氛 中进 行 光 接 枝 聚合 ； 相接 枝 法 就 是 液 把光 敏 剂 、 体 或其 他助 剂一 起 配成 溶液 ， 单 直接 将 试样 置 于溶 液 中进行 光接 枝 聚合 。织 物与 高压 汞
显微 镜 分析 纤 维表 面形 态 。
丙烯 酰胺 （ Ｍ） 中 国 国药公 司北 京 公 司产 ； Ａ ： 顺 丁烯二 酸酐 （ Ｈ） 高 碘 酸 钠 （ Ｉ ， 氧 化苯 ＭＡ ， Ｎ） 过
甲酰 （ Ｐ ： 京 化 学 试 剂 公 司产 ； 烯 酸 乙酯 Ｂ Ｏ） 北 丙
超高分子量聚乙烯的特性及应用进展
超高分子量聚乙烯的特性及应用进展一、本文概述超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种独特的高分子材料，以其优异的物理性能和广泛的应用领域而备受关注。
本文旨在全面概述超高分子量聚乙烯的基本特性，包括其分子结构、力学行为、热稳定性等方面，同时深入探讨其在多个领域的应用进展，如耐磨材料、航空航天、医疗器械等。
通过对现有文献的综述和分析，本文旨在为研究者和工程师提供有关超高分子量聚乙烯的最新信息，以推动该材料在未来科技和工业领域的发展。
本文将介绍超高分子量聚乙烯的基本结构和性质，包括其分子链长度、结晶度、热稳定性等关键参数，以及这些参数如何影响其宏观性能。
随后，将重点关注UHMWPE在不同应用领域的最新进展，特别是在耐磨材料、航空航天、医疗器械等领域的创新应用。
还将讨论UHMWPE在环保和可持续发展方面的潜力，例如作为可回收材料或生物相容材料的使用。
本文将对超高分子量聚乙烯的未来发展趋势进行展望，包括新材料设计、加工技术改进、应用领域拓展等方面。
通过总结现有研究成果和挑战，本文旨在为相关领域的研究者和工程师提供有价值的参考和指导，以促进超高分子量聚乙烯在科技和工业领域的进一步发展。
二、UHMWPE的基本特性超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种线性聚合物，其分子量通常超过一百万，赋予了其许多独特的物理和化学特性。
UHMWPE具有极高的抗拉伸强度，其强度甚至可以与钢材相媲美，而其密度却远远低于钢材，这使得它成为一种理想的轻量化材料。
UHMWPE的耐磨性极佳，其耐磨性比一般的金属和塑料都要好，因此在许多需要耐磨的场合，如滑动、摩擦等，UHMWPE都有很好的应用前景。
UHMWPE还具有优良的抗冲击性、自润滑性、耐化学腐蚀性以及良好的生物相容性等特点。
这使得它在许多领域都有广泛的应用，包括但不限于工程、机械、化工、医疗、体育等领域。
特别是在工程领域，UHMWPE的轻量化、高强度、耐磨等特点使得它在制造重载耐磨零件、桥梁缆绳、船舶缆绳等方面有着独特的优势。
紫外辐照交联改性UHMWPE纤维的研究
关键 词 ： 超高相 对分子质量聚乙烯纤维 紫外 辐照 交联
具有质 轻 、 高强 高模 等优 异性 能 ， 在军 用 防护材 料
（ 防弹衣 ） 绳 缆 、 空 航 天 材 料 等 领 域 得 到 日 如 、 航 益广 泛 的应 用 。然 而 ， 于 Ｕ ＭＷＰ 固有 的 结 由 Ｈ Ｅ
于４ ０℃烘箱 内烘 干 至恒 重 。通 氮 气 于 含 有 一 定 比例交 联剂 Ｔ Ｔ 光 敏剂 二苯 甲酮 的丙 酮 溶 液 ＭＰ Ａ、
８ ： （ ．一Ｌ ） Ｌ Ｌ ｏ ／ ｏ×１０ ０ ％ （） １
某厂 家产 ； 正庚 烷 、 酮 、 甲苯 ： 析 纯 ， 京 化 丙 二 分 北
工厂产 ； 羟 甲基 丙 烷 三 丙 烯 酸 酯 （ Ｍ Ｉ ： 三 Ｔ Ｆ＇ 分 Ａ）
析纯 ， 比利 时 Ｕ Ｂ公 司产 ； 苯 甲酮 ： 学 纯 ， Ｃ 二 化 北
５ ０℃ ， 声频 率 ２ Ｈ ， 超 ８ｋ ｚ超声 时 间 ５ｍｎ ｉ。萃取 后
丝条 置于 通风橱 中 自然 干燥 ２ 。 ４ｈ １ ２ ２ 紫外辐 照 交联 反 应 ．．
２ １ 红外 光谱 分析 ． 由图 １可 以 看 出 ， 联 剂 Ｔ Ｔ 分 别 在 交 ＭＰ Ａ
收 稿 日期 ： ０ ０ ０ －５ ２ １— ８２ ；修 改 稿 收 到 日期 ：０ １０ －０ ２ １ ． １２ 。 作 者 简 介 ：黄 鑫 （９ ５ ） 男 ， 士 研 究 生 。 研 究 方 向 为 超 １８ 一 ， 硕 高相对分子质量聚乙烯纤维纺丝性能及蠕变改性。 通 讯 联 系 人 。ｚａｇｏｉ ｇ ｂｃ １３ ｔｍ ｈｏｕｌ ｎ＿ ｉ＠ ６ ．ｏ ａ ＿ ｔ
超高分子量聚乙烯纤维表面改性技术研究现状
为了解决UHMWPE纤维与基体结合粘结性差的问题，长期以来各国的学者作了许多相关的研究，也取得了一定的进展。
一些常用的方法主要有等离子处理，电晕放电处理，辐照处理以及氧化法处理等等。
1 等离子处理等离子体处理由于仅作用在材料表面有限深度内(几个分子)，对纤维的力学性能不会有太大的影响，因而受到了人们的关注。
等离子体处理UHMWPE纤维表面的方法分为低温等离子体处理和等离子体引发接枝表面处理两种方法。
韩国的Sung In Moon，Jyongsik Jang 研究了氧气等离子处理后UHMWPE与乙烯基酯树脂的粘结性能的变化，他们发现处理后的纤维与未处理的纤维比较，横向拉伸强度提高，这表明复合体的界面粘结性能得到了改善，且通过SEM观察发现纤维表面产生很多微陷，这有利于纤维与树脂之间的机械互锁作用，同时他们用有限元分析的方法研究了UHMWPE与基体之间力的传递。
Hengjun Liu等人采用氩气对UHMWPE 纤维进行等离子处理，研究结果显示处理后的纤维耐磨性和硬度都得到了提高，同时其表面的润湿性也得到了提高。
之后的研究中他们又将UHMWPE在氧气等离子体在微波电子回旋共振系统中进行处理研究纤维性能的改变，他们发现纤维的硬度和耐磨性都得到了提高的同时纤维的表面产生了许多含氧的活性基团，增加了纤维与基体的润湿性和粘结性。
Zhang YC等人针对超高分子量聚乙烯纤维表面能低与基体结合性能差的缺点，采用了在常压下对纤维进行等离子处理改性的方法，实验中采用的纤维是表面包裹有纳米二氧化硅的UHMWPE纤维，等离子处理所用的载气为氩气和氧气的混合气体(100:1)，处理后纤维的表面能明显提高与基体的润湿角减小，通过红外光谱分析后发现在纤维表面产生了很多的含氧活性基团，大大提高了其与树脂的结合性能。
Z-F. Li等以丙烯酰胺为单体利用等离子接枝的方法处理超高分子量聚乙烯纤维，他们发现处理后的纤维的强度与原纤维相比并没有明显的变化，然而在复合材料层间剪切强度(ILSS)的测试中发现，经过接枝处理的纤维与树脂的结合强度明显高于未处理的纤维，且处理效果与处理功率和时间有关，当等离子功率为30W，处理时间为10min时，剪切强度达到最大值。
UHMWPE纤维的表面改性研究进展
受到 人们 的重 视 。
１． 活性染料工艺 １１
流程： 精练一水洗 （Ｏ ０Ｃ） ６ ～７ 一染色一水洗 （ 。 ６ Ｃ） ０
一
皂煮 一水洗 （ 。 。 ６ Ｃ） ０
Ｎａ Ｓ ｚ Ｏ４
ＮａＣＯ３ ｚ
氧化作用在纤维表面导入羧基、羰基 、 磺酸基等含氧极性
基 团 ；同时 纤维 表 面 弱界 面层 因溶于 处理 液 中而 被破 坏 ， 甚 至分 子链 断 裂 ，形成 凹 凸不平 的表 面 增 加纤维 的 比表
皂煮 ：皂粉 ２ ／ Ｌ，９ 。 １ ｉ，浴比 １：０ ｇ ８Ｃ ０ｍｎ ３。
纤维技术 Ｆ 工
＿ ， —一
ＵＨＭＷ Ｐ 维 的表 面 改性 Ｅ纤
研究进展
摘要：文章论述 了Ｕ ＭＷＰ 超高相对 分子质量聚 乙烯） Ｈ Ｅ（ 纤维表面改性的几种方
法 ：化 学试剂处 理 法、 等 离子体 处理 法 、 电晕放 电处 理 、辐射 引 发表 面接 枝处 理 等；分析 了这 些 方法 的改性原 理 及取得 的 效果和 工业化 进展 ， 出 了ＵＨ 提 ＭＷＰ Ｅ纤
维普资讯
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ｙ 纤维技术 Leabharlann 比起常用的纯棉和涤 ／ 棉织物具有一定的 自熄效果 医院 养老院中得到应用。
，
可 在
Ｕ ＨＭＷＰ （ Ｅ 超高相对分子质量聚 乙烯 ）纤维是在 １７ ９ ５年由荷 兰 ＤＳ 公 司采用凝 胶纺丝 超拉伸技术研 Ｍ 制成功并实现工业化生产的高强高模纤维。采用凝胶 纺
对 Ｕ ＭＷＰ Ｈ Ｅ纤维进行表面处理 的目的是清除或强
超高分子量聚乙烯的改性研究
超高分子量聚乙烯的改性研究1.改性研究超高分子量聚乙烯通过改性，可以改变其缺陷，提高了其加工流动性，可以达到增韧、增强、提高耐热以及抗磨损的性能。
现在改性都集中在以下几个方面。
1.1与中低分子量聚乙烯改性1.1.1与HDPE共混改性现在国内外都有比较多这方面的研究，也有不少有关这一方面的专利文献。
国内的刘延华等就从加工设备方面进行研究，来提高UHMWPE/HDPE合金的可加工性。
实验采用同向双螺杆挤出机，并设计了两套螺杆组合方案，一套装有7对捏合盘元件，另一套只装有2对，且在排气口都装有一对左螺旋纹元件，以利于排气。
结果证明，装有2对捏合盘的挤出机可以连续挤出，随着螺杆转速成的提高，熔融效果变差且认为熔体在机头内为柱塞式流动，在挤出速率合适的条件下，可挤出光滑的棒材，否则会形成鲨鱼皮状裂纹。
北京化工大学李跃进研究了UHMWPE/HDPE共混物的加工工艺，流变性能，结晶形态以及力学性能。
发现体系粘度相对于超高分子量聚乙烯来说明显降低，成型工艺得到了显著的提高。
实验结果表明，以双辊共混法制备的共混物的粘度最低，混合均匀性好，易于注射成型。
并且UHMWPE与HDPE共混后能产生共晶。
其加入的成核剂为白碳黑，白碳黑的加入对共混的结晶形态有明显的影响，生成大量细小而均匀的球晶，避免了过多过大的晶体缺陷，补尝了UHMWPE与HDPE共混后耐磨性及抗冲击性的降低。
德国的O·Jacobs发现在超高分子量聚乙烯纤维中加入HDPE，超高分子量聚乙烯的很多性能得到了改善。
例如，其共混物的蠕变就比纯的超高分子量聚乙烯慢很多，其抗磨损性能也提高了许多。
共混物所能承受的的静态载荷比超高分子量聚乙烯多了2倍，比HDPE多了1倍。
UHMWPE的拉伸强度和杨氏模量分别为20MPa和708MPa，当加入50%HDPE时发现共混物的强度和模量分别增加了一个到两个数量级，共混物的拉伸强度和杨氏模量分别为850MPa和28000MPa。
表面改性UHMWPE纤维黏结性的有限元分析
ｔａ ｈ ｃ ｃ ｌ ｔｄ ｎ ｅｆｃａ ｓ ｅ ｒ ｔｅ ｇｈ ｆ ｈ ｏ ｃ ｃｄ ｒａｅ ＵＨＭＷ Ｐ ｉ ｅ ／ ｐ ｘ ｒｓｎ ｙ ｔｍ ｈ ｔ ｔｅ ａ ｕａｅ ｉ ｔｒａ ｉ ｌ ｌ ｈ ａ ｓｒｎ ｏ ｃ ｒｍｉ ａ ｉ ｔｅ ｔｄ ｔ Ｅ ｆ ｒ ｅ ｏ ｙ ｅ ｉ ｓ ｓｅ ｂｓ
Ｓ ＮＧ Ｊ ｎ，ＸＩ Ｏ Ｃ ａ ｇａ Ｏ ｕ Ａ ｈ ｎ ｆ （ ｃｏ ｌｆＭａ ｒ ｌ ｃ ｎｅ ｎ ｈｍ ｃ ｌ ｎ ｉ ｅ ｎ ，Ｔ ｎ ｎ Ｐ ｌ ｅ ｎ ｎ ｅ ｉ ，Ｔ ｎ ｎ ３ ０ ６ ， ｈ ａ Ｓｈ ｏ ｏ ｔ ｉ ｉ ｃ ｄ Ｃ ｅ ｉ ｇ ｎ ｒ ｇ ｉ ｊ ｏ ｔ ｈ ｉ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｅａ Ｓ ｅ ａ ａＥ ｅｉ ａｉ ｙｃ ｃ ｖ ｓｙ ｉ ｊ ０ １０ Ｃ ｉ ） ａ ｉ ｎ
ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ａｕ ｘｅ ｉ ｎ ａ ｖ ｌ ｅ．Ｗ ｈ ｎ ｐ ｒｏｅｐ ｏ ｅ ｓｗａ ｌ ｅ ｙ ｒｌ ｒ ｃ ｓ ｓ １ｈ，ｔ ｅ ｃ ｌｕ ａｅ ａＨ ｓｎ ａ ｅ ｔｔ ｈ ｘ ｅｉ ｎ ａ ａＨ ｈ ａｃ ｌｔｄ ｖ ｌ ｅｗａ ｅ ｒｓ ｏｔ ｅｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｖ ｅ． ｌ ｌ
关键词 Ｕ ＨＭＷＰ Ｅ纤 维 ；铬 酸 氧 化 ；吡 咯 ；气 相 沉 积 ；有 限 元
中 图 分 类 号 ：Ｑ３２ Ｔ ４
文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｆｉ ｉｅ ｅｅ ｅ ｔａ ａｙ ｉ ｆａ ｅ ｉｎ ｏ ｕｒａ ｅｍ ｏ ｉ ｅ ｎｔ ｌｍ ｎ ｎ ｌｓｓｏ ｄｈ ｓｏ ｆｓ ｆ ｃ ｄ ｆ ｄ ＵＨＭ Ｗ ＰＥ ｂ ｒ ｉ ｉ ｆ ｅｓ
ｒｖ ａｅ ｅｔｒ ａ ｒｅ ｎ ｔ ｔｅ ｘ ｅ ｍｅ ｔｌｖ ｕ ｅ ｅ ｌｄ ａ ｂ ｔ ｇ ｅ ｍｅ ｔｗｉ ｅ ｈ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎａ ａ ｅ， ａ ｄ ｌｇ ｔｙ ｈ ｇ ｅ ｔａ ｔｅ ｘ ｅ ｍｅ ｔｌ ｖ ｕ ｌ ｎ ｓｉｈ ｌ ｉｈ ｒ ｈ ｎ ｈ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ａ ｅ． ｉ ｌ
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机理研究的深入，处理的效果会越来越好，ｕＨＭｗＰＥ 纤维界面性能将会得到进一步的改善，以实现ｕＨ． ＭⅥ研￡纤维在航空航天、军事科技领域的广泛应用。
参考文献
ｌ栾秀娜，于俊荣，刘兆峰．超高相对分子质量聚乙烯纤维及其应用 ［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００３，２８（３）：２３
２．４电晕放电处理法 电晕放电表面处理就是将清洁处理后的纤维置
能。这些方法对提高ＵＨＭＷＰＥ纤维与基体的层问
粘合作用效果不明显，故现阶段对这些方法的改性 研究不如前面介绍的方法多ｎ６、１
７｜。
由于目前所采用的方法，在提高纤维浸润性的 同时，均会不同程度降低了处理后纤维的力学性能， 限制了纤维的应用。有人提出了用复合处理的方法 对ＵＨＭＷＰＥ纤维进行处理，可以解决此问题。王成
等离子体处理由于仅作用在材料表面有限深度 内（几个分子），对纤维的力学性能不会有太大的影 响，因而受到了人们的关注。等离子体处理ＵＨＭ— ＷＰＥ纤维表面法分为低温等离子体处理和等离子
体引发接枝表面处理两种方法ｂ’６ Ｊ。本节只介绍低
温等离子体处理法，等离子体接枝处理法在辐照引
发表面接枝法中介绍。
所谓ＵＨＭＷＰＥ纤维低温等离子体表面处理就
产生沟槽，表面粗糙度增加，有利于与基体的机械结 合。这与液相氧化法处理效果相似。经过等离子体 处理后的ＵＨＭＷＰＥ纤维，其复合材料的层间剪切强
万方数据 度（ＩＩＬＳ）可提高３倍以上。
层，能有效地提高纤维与基体的粘结性能，因而具有
６２
纤维复合材料
２００６焦
工业应用前景。但由于工艺流程长，纤维需进行多 次清洁处理，工序难以实现连续性。在目前条件下 较难实现工业化连续生产。
官能团，易与基体形成化学键合，提高复合材料的层
间剪切强度【１２、１
３｜。
目前ＵＨＭＷＰＥ纤维的有些工业化商品是经过
简单的电晕放电处理，但是处理效果不是很明显。
并且电晕放电处理在很大程度上受到了作业间歇性
３结语
的限制。因此电晕放电处理要实现工业化、连续化 还存在很大的难度。
２．５化学交联处理法
在复合材料中起增强作用的ｕＨ嗍纤维由
纤维表面氧化、表面层交联和产生微孔［８’９］。
美国的Ｈｓｉｅｈ等人用ｃ如和Ｋ２ｃｒ０７处理纤维，
发现在酸性催化的条件下，环氧树脂对纤维的浸润 程度增加，树脂和纤维的界面粘结强度显著提高，但 在碱性催化的条件下却没有类似的效果。以色列的 Ｓｉｌｖｅｔｅｎ小组用铬酸、高锰酸钾和双氧水等试剂处理 了Ｓｐｅｔｒａ一１０００纤维，他们从射线微分析得到的能 量分散光谱发现：原丝表面含有２２％的羟基或者醚 基，且不能用乙醇洗去。铬酸刻蚀尽管降低了表面 的氧含量，但能提高纤维的粘结性，高锰酸钾和双氧
上通过辐射引发第二单体而进行接枝聚合，产生能 够与基体紧密结合的缓冲层，从而改善纤维与基体 间的粘结性。通常辐射源为ｒ、了射线、紫外光等， 目前所用的第二单体主要是丙烯类单体，如：丙烯酸
（ＡＡ）、丙烯酰胺（ＡＭ）、甲基丙烯酸缩水甘油酯 （ＧＭＡ）等。
境中浸泡，在改善纤维浸润性的同时导致了纤维力 学性能的较大损失；同时由于操作繁琐，对设备要求 高，废液的污染严重等问题。因此，液相氧化表面处 理法要实现连续化，还需要在处理介质、操作方法以 及设备方面做出较大改进。
度取向而导致的光滑表面。所有这些因素的共同作
此，在下面的论述中，按照具体的处理介质进行分类
阐述。 ２．１液相氧化处理法
所谓液相氧化表面处理法［３’４１就是通过化学试 剂对纤维表面进行氧化处理，从而改变纤维表面的 粗糙度和表面活性官能团的含量。用来处理ＵＨＭ— ＷＰＥ纤维的化学试剂都具有强氧化性，主要有铬 酸、高锰酸钾溶液和双氧水等。处理过程为：将洁净
合材料的层间剪切强度；同时在纤维表面生成含氧
纳米二氧化硅溶胶表面涂覆的复合化表面处理，并 对ＵＨＭＷＰＥ纤维／环氧树脂复合材料进行了界面性 能研究。结果表明，单纯的液相氧化和表面涂覆均 可以提高复合材料的界面性能，但液相氧化处理时 间过长会使纤维强度降低，而复合化处理则具有协
同效应，可以不降低纤维强度而大幅度提高复合材 料的层间剪切强度，是一种有效的表面处理方法。
Ｂｕｔ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｏｏｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｏｎｄｉｎｇ
ｃａｎ
Ｃｏ．，Ｉ皿，Ｙｕｅｙａｎｇ ４１４０１４，Ｈｕｎａｎ）
ｈｉｇｈ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｆｉｂｅｒ
ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ．ｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ
ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ
ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ
ａｒｅ
ａｎｄ
ｐｌａｓｍａ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
４期
田晓伟：ＵＨＭＷＰＥ纤维表面改性技术的研究进展
６１
大，显著提高纤维和基体之间的粘结性能。 冼杏娟等人用重铬酸钾在Ｈ２ｓ０４的水溶液中对 ＵＨＭＷＰＥ纤维进行氧化处理后，在６０℃恒温条件下 将其放入氧化磷的乙醚溶液中，反应２０ｍｉｎ，随后将 纤维用乙醚清洗，最后将纤维放入６０℃的二乙烯三 胺和异戊四醇的混合溶液中反应５ｈ，即得到改性 ＵＨＭＷＰＥ纤维。反应后的纤维由于引入了酰氯极 性基团，加上氧化过程中形成的沟槽，使得纤维和基 体的层间粘合性能得到极大的改善。
２．２等离子体处理法
紫外光引发接枝是先引发光敏剂，如二苯甲酮 （ＢＰ），再由光敏剂引发单体接枝到纤维表面。美国 联信公司的Ｎｇｕｙｅｎ和他的同事以二苯甲酮作光敏 剂，紫外光引发丙烯酸接枝到纤维表面。研究发现
纤维与树脂间的粘结强度受预浸时问、处理温度、紫 外光辐射强度、光敏剂的种类和浓度的影响。东华 大学的刘兆峰小组先后在纤维的紫外光辐照方面做 了大量的工作，他们用三烯丙基氰尿酸作交联剂、苯 酮作光敏剂、丙酮作溶剂，将洁净的纤维在氮气气氛 中进行紫外光辐照。结果表明：在１小时内，随辐照 时间的增加，纤维中的凝胶含量从０％增加到２５％，
第４期 ２００６年１２月
纤维复合材料
ＦｍＥＲ
ＣｏⅣⅡ－ｃ熔Ｉ’ＴＥｓ
Ｎｏ．４
６０
Ｄｅｃ．，２００６
ＵＨＭＷＰＥ纤维表面改性技术的研究进展
田晓伟
（巴陵石化环氧树脂事业部，湖南岳阳４１４０１４）
摘要超高相对分子质量聚乙烯（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，导致纤维与基体之间的界面粘接性能较差而限制了其应用。通过液相氧化法、等离子体处理法等 各种方法对ＵＨＭＷＰＥ纤维表面进行处理，可不同程度改善其界面粘结性能。本文详细介绍了ＵＨＭＷＰＥ纤维的表 面改性方法及其进展。 关键词超高分子量聚乙烯纤维；界面；改性
ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ
ＵＨＭＷＰＥ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ
ｉｔｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ
ａｌｓｏ
ｉｎｔｒｅｄｕｃｅｄ
ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．
ＫＥＹ＼＾ｆＯＲＤＳ
ＵＨＭＷＰＥ ｆｄ］ｅｒ；Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：Ｍｏｄｍｃａｄｏｎ
１前言
超高分子量聚乙烯纤维（ＵＨＭＷＰＥ）是继碳纤 维、芳纶纤维之后出现的一种高性能纤维。它是以
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｏｆ
ＵＨＭＷＰＥ
Ｆｉｈｅｒ
耶睑Ｎ Ｘｉａｏ—Ｗｅｉ
（Ｅｐｏｘｙ Ｒｅｓｉｎ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｂａｌｉｎｇ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ＡＢＳＴＲＡＣＴ’１１伧ＵＨＭＷＰＥ ｆｉｂｅｒ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ
首要问题。
２
ＵＨＭＷＰＥ纤维的表面处理
对ＵＨＭＷＰＥ纤维的表面进行处理，按照处理方
超高分子量聚乙烯为原料，经过高压固态挤压法、增
塑熔融纺丝法、表面结晶生长法、超拉伸或局部超拉
法的原理不同，可以分为物理改性和化学改性。而 根据所使用的改性介质的不同，又可以细分出很多 种方法。在研究改性效果的时候要注意到，一种方
的ＵＨＭＷＰＥ纤维浸入介质中，在指定的温度下氧化
用使纤维的表面能很小，用作复合材料的增强材料 时难以与基体树脂形成良好的界面粘接［３ｊ。大量的 研究表明，由ＵＨＭＷＰＥ纤维制成的复合材料在使用 过程中常以层间破坏的形式而被破坏，产生此问题 的根源在于ＵＨＭＷＰＥ纤维本身的结构特点及生产 工艺的特点。因此，由ＵＨＭＷＰＥ纤维制成的复合材
加拿大的Ｂｒｏｗｎ等人。刊用氨等离子处理的ＵＨ．
ＭＷＰＥ纤维增强环氧树脂复合材料，经用扫描电镜 观察发现：未处理的复合材料拉伸或剪切时，断面上 出现明显的纤维和树脂分离区；而处理过的断面上 出现纤维的微纤化、内部剪切断裂和基体断裂，这表 明基体与纤维粘结性加强。美国的Ｔｉｓｓｔｉｎｇｔｏｎ等人 发现，氧等离子体处理显著提高了ＵＨＭＷＰＥ纤维／ 环氧树脂复合材料的剪切强度，即提高了界面的粘 结强度，该复合材料粘结强度的增大，纤维和环氧树 脂间接触角的减小，是由三方面的贡献共同造成的：
于其自身的结构缺陷，只有在经过各种表面处理后 才具有实际的应用价值。尽管目前采用了一系列的 可用方法对ｕＨＭｗＰＥ纤维进行表面处理，但其和碳 纤维与基体的粘结性能相比仍有较大的差距。上述
各种方法的研究已有较大进展，随着对表面处理的
化学交联法是直接采用引发剂引发单体在纤维 表面的接枝，与辐照引发接枝法相似，但是可以避免 辐照接枝法在设备上的投入，此法工序简单，容易实
是将洁净的ＵＨＭＷＰＥ纤维置于等离子处理装置的
此后，凝胶含量基本保持稳定在２５％～３０％之间。 辐照后，纤维的力学性能和耐热性能都得到了一定