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超高分子量聚乙烯纤维的表面处理方法汇总
2014-08-05 11:58:45

    UHMWPE纤维的表面处理
    对UHMWPE纤维的表面进行处理 ,按照处理方法的原理不同 ,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 ,一种方法往往同时拥有物理改性和化学改性的特征。因此 ,在下面的论述中 ,按照具体的处理介质进行分类阐述。
3.1 等离子处理
     等离子处理分为低温等离子处理和等离子接枝表面处理两种。
所谓 U HMWPE 纤维低温等离子表面处理就是将经清洁处理的 U HMWPE 纤维置于等离子处理装置的两块极板之间抽真空 ,在低于 40Pa 的环境下启动等离子发生装置 ,对纤维进行一定时间的低温等离子处理 ,然后取出纤维保存备用。
     所谓 U HMWPE 纤维等离子接枝表面处理就是将经清洁处理的 U HMWPE 纤维浸入单体溶液中 ,经过一定时间后取出 ,置于低温等离子装置中进一步处理 ,处理后的纤维表面产生活性点 ,以引发单体在纤维表面接枝聚合。最后用丙酮洗去纤维表面的均聚物 ,储存备用。
    通过等离子的紫外光辐射使纤维在纺丝过程中表面形成的弱结合层(WBL)进一步交联 ,从而提高了 U HMWPE纤维表面的内聚强度。另外 ,等离子处理后的纤维表面可以形成了多种活性基团 ,如: - C - O H - , -CO - , - COOH , - COO - 等这些活性基团 ,有利于纤维与基体树脂的化学结合。等离子处理还使纤维表面产生沟槽 ,表面粗糙度增加 ,有利于与基体的机械结合。经过该方法处理后 U HMWPE 纤维作为复合材料的性能大大提高了 ,层间剪切强度提高了 3 倍以上。但是等离子表面处理后的UHMWPE纤维活性基团的衰减率比较大 ,两小时就衰减了三分之一。并且该处理方法需要较高真空 ,要求压强小于 40Pa。因此UHMWPE纤维等离子表面处理难以实现连续化工业生产。
3. 2  电晕放电处理
     所谓 UHMWPE 纤维电晕放电表面处理就是将经清洁处理后的 U HMWPE 纤维置于电晕处理装置的两极板之间常压下加载60 KV 左右高压 ,功率为 350W 左右 ,使空气电离 ,产生电晕 ,处理一定时间后取出备用。
    电晕放电表面处理对 U HMWPE 纤维表面产生刻蚀作用 ,增加了纤维与树脂的接触面积,在纤维表面的树脂固化后 ,会形成力学啮合作用。力学啮合作用的大小与树脂对纤维的浸润程度、 树脂与纤维的接触面积都有很大关系 ,但是这种物理作用的强度最大仅有 24 K J •mol- 1。因此单纯靠电晕放电方法来提高纤维和树脂的界面粘合强度是有限的。见报道的只有将电晕放电处理用于工业处理聚烯烃薄膜。虽然目前 U HMWPE纤维的有些工业化商品是经过简单的电晕放电处理,但是效果不是很明显。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。
3. 3  辐照引发表面接枝
     所谓 U HMWPE 纤维辐照引发表面接枝处理就是在纤维的表面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60C、 γ射线/紫外光等 ,其中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UHMWPE纤维表面。目前所用的第二单体是丙烯类单体,如:丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸缩水甘油酯 ( GMA)等。
     UHMWPE 纤维紫外光引发交联表面处理在理论上可以实现连续化进行 ,而且只对极薄的表层有影响 ,因而具有工业应用前景。但是由于纤维需要经过一定时间的辐照 ,所以间歇作业在很大程度上限制了它的应用。
3. 4  氧化处理法
      所谓 U HMWPE 纤维氧化表面处理法就是通过化学试剂或气体对纤维表面进行氧化处理 ,从而改变纤维表面的粗糙程度和表面极性基团的含量。根据氧化介质不同可分为湿法和干法两类。湿法也就是液相氧化 ,其常用介质有: K2 Cr2O2 + H2 SO4 , KMnO4+ HNO3 , H2O2 (30 %)等;即将洁净的 U H2MWPE纤维浸入介质中 ,在指定的温度下氧化处理规定时间后取出 ,水洗至中性;再用去离子水洗涤数次 ,烘干备用。干法为气相氧化法 ,常用光氧化和臭氧氧化;即将洁净的UHMWPE纤维经过预处理后 ,暴露在介质气体中 ,反应一定时间取出 ,经过离子水清洗 ,烘干备用。
     液态氧化法比较温和 ,易于控制 ,但操作繁琐 ,对设备要求高 ,污染严重。气相氧化法处理时设备简单 ,操作方便 ,易于连续化生产 ,但氧化程度难以控制 ,有可能会造成氧化程度过深而造成纤维强度下降的现象。总之 ,氧化法表面处理要实现连续化 ,需要在操作方法以及设备方面作出一定的改进。
3.5 化学交联处理法
    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 ,容易实现工业化连续生产。
郎彦庆等采用过氧化物作引发剂 ,对 UHMWPE纤维进行硅烷交联改性 ,研究发现 ,经过硅烷改性处理后 ,纤维表面接枝了硅烷分子 ,使得纤维表面的化学官能团数量和极性增加 ,从而提高了纤维和基体树脂间的粘结性能;接枝处理后 ,纤维的表面出现了更多的斑纹 ,因而增大了纤维与树脂的机械互锁作用 ,使得复合材料的层间剪切强度提高 ,是改性前复合材料层间剪切强度的 2.45 倍。同时改性后纤维的抗蠕变性能也有所改善。
3.6 其它处理方法
    除等离子体处理、化学试剂氧化法、表面接枝法、电晕放电处理等方法以外,压延法、涂层法等方法在一定程度上都可以提高 UHMWPE纤维与树脂基体的粘结性能。
      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扁平状,从而在复合中增加了接触面积 ,粘合性能有一定的提高 ,但不是很明显。涂层法是在 UHMWPE 纤维表面上涂上一层试剂。从超高分子量聚乙烯纤维工业化生产至今 ,还未能研究开发出理想的试剂用作涂层。这种试剂应是起偶联剂的作用 ,提高UHMWPE纤维与基体的粘结性能。这些方法对提高 UHMWPE纤维与基体的层间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。
     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。王成忠等人对UHMWPE纤维进行了铬酸液相氧化和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。