超高分子量聚乙烯纤维的表面改性.pdf

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第33卷第1期
粉未治金技术
Vol 33. No
2015年2月
Powder Metallurgy Technology
Feb.2015
综送
門超高分子量聚乙烯纤维的表面改性
赵晓琳”杜建华2杨安伟2)贾成厂?吕莹莹
)(北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083
2)(装甲兵工程学院科研部,北京100072)
摘要:超高分子量聚乙烯纤维( UHMWPE)是一种新型高性能纤维,但是由于纤维高取向度、表面惰性,造
成纤维与树脂之间的界面粘结强度低,限制了纤维的应用。因此,必须对纤维表面进行改性。本文详细介绍
了超高分子量聚乙烯纤维表面改性常用的几种方法。有化学试剂处理、等离子体处理、电晕放电处理、辐射引
发表面接枝处理、化学交联处理等。由于方法单独使用均存在不足之处,所以最好是几种方法联合使用,各取
所长,取利避害,以提高纤维及其复合产物的综合性能
关键词:关键字:超高分子量聚乙烯纤维;表面改性;粘结强度
Study on adhesive property of Ultra-high Molecular
Weight Polyethylene Fiber
Zhao Xiaolin", Du Jianhua?), Yang Hongwei),Jia Chengchang, Lv yingying
1)(School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technol
Beijing, Beijing 100083, China
2)(Department of Seience Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China
Abstract: Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE fiber is a new kind of high performance
fibers. However, due to its high fiber orientation degree, inert surface, the lowadhesive strength of ber-matrix interface
the application of the fiber is restricted. Therefore, surface of fiber must be modified. The main methods of surface
modification of ultra-high molecular weight polyethylene fiber are introduced
Key words: UHM W PE fiber; Surface modification; Adhesive strength
由于纤维及其复合材料的优异性能,从其诞生技术,拉丝纺制而成。纤维原料简单易得,制备工艺
之日起,就进行了广泛研究(力学性能、微观形貌、简单,生产成本低,并且生产过程中产生的产品都可
模拟等领域),并且其应用也日渐成熟。继对传统以进行回收,对环境无污染。
的碳纤维及芳纶纤维进行深入研究之后,人们又对
上述三种新型高能纤维中:碳纤维是有机高
另一种高强度、高模量的高性能纤维产生了浓厚的性能纤维,由有机高分子聚合物前驱碳化制成;芳纶
兴趣,这种纤维称为超高分子量聚乙烯纤维,又称高纤维是有机高聚物高性能纤维,并且分子链是刚性
强高模聚乙烯纤维或者直链聚乙烯纤维,英文全称链;而 UHMWPE纤维是具有伸直长链的高性能纤
Utra- High Molecular Weight Polyethylene Fiber(简称维。正是由于 UHMWPE纤维具有特殊的结构组
UHMWPE)。该纤维在上个世纪70年代被荷
成,才赋有不同于其他两种纤维的特殊性能(°-:低
DSM公司研制成功2,并且在80年代进入了产密度,密度仅有0.97g/m3,只有芳纶纤维的三分之
业化生产。该纤维是由分子量在100~600万的二,高模碳纤维的二分之-;高比强度和比模量,比
聚乙烯粉、抗氧剂等原料,通过冻胶纺丝和超拉伸等强度一般在24cN/dtex以上,是芳纶纤维的1.9倍、
*通信作者:贾成厂(1949-),男,博士,教授,博土生导师。E- mail: jcc@ustb.edu,cn
收稿日期:2014-11-06
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第33卷第1期
赵哓琳等:超高分子量聚乙烯纤维的表面改性
碳纤维的1.8倍、钢的15倍;优异的抗化学腐烛性不当,则可能大幅度降低纤维强度。常用的化学试
能和抗湿性,在水等多种其他介质中稳定性良好;良剂有:氯磺酸、铬酸溶液、重铬酸钾溶液、髙锰酸钾溶
好的耐磨性和弯曲性能,用 UHMWPE纤维制成的液、王水和双氧水等强氧化剂。其中,处理效果
绳子的断裂循环数是 Kevlar纤维的8倍,并且纤维较好的是铬酸。化学试剂处理虽然能有效改善粘结
具有可编制性;优异的能量吸收特性,能量吸收能力性能,但是造成纤维强度下降,并且存在氧化程度难
是 Kevlar纤维的2.6倍、配玻璃纤维的3倍、碳纤维以控制,污染严重,操作复杂等缺陷,难以实现工业
的1.8倍;耐光性能,暴晒37天,无强度损失;优越化生产。
的电性能和声性能,对雷达波反射率很小,声音传播
Hsieh等采用CrO2和K2Cr201两种试剂处
速度快,轴向是横向的5~-6倍;抗低温性能,即使在理 UEIMWPD纤维,并且分别在碱性环境和酸性环
150℃时也不发生脆化;生物性能,制造人造器境中使用,结果发现:在碱性的情况下,纤维性能没
官。由于 UHMWPE纤维独特的性能,使得其广泛有很大变化,纤维浸润性没有增加;在酸性的情况
应用于医用材料、水上用品、航空、航天和军事工业下,最佳处理条件时间为1min,温度为25℃,纤维
等领域·。
的拉伸性能不会下降并且浸润性明显提高。
Silverstein等9用各种试剂处理 UHMWPE纤
超高分子量聚乙烯纤维表面改性
维,发现铬酸的处理效果最好,对纤维表层进行刻
由于 UHMWPE纤维分子链呈线性结构,具有蚀,增加粗糙度,并且生成含氧活性基团,从而提高
高取向度、髙结晶度,并且分子链由惰性的亚甲基基纤维与树脂的粘结性。
团组成,表面缺乏苯环等活性基团,造成表面光滑、
吴越等用浓HNO3、KMnO溶液、铬酸等处
表面能低,不易被树脂漫润,与树脂基体的粘接性很理 UHMWPE纤维,得出铬酸的效果最好,纤维复合
差(例如,未处理的 UHMWPE纤维与环氧的单丝拉材料的ILSS随处理时间增大,纤维的润湿性也随时
拔强度只有0.5MPa?),从而影响其复合材料的间提高,当处理时间超过8d时,均趋于稳定状态,
力学性能,限制 UHMWPE纤维复合材料在结构材不再变化
料方面的推广与应用”。因此,为了提高纤维与树
金军等?采用超声下铬酸溶液处理 UHMWPE
脂的粘结性能,各国学者采用了各种方法对UHM-纤维表面,在处理温度60℃时得到的纤维粘结强度
WPE纤维进行表面改性。主要的改性方法有:化学是未处理纤维的2倍以上,并且研究了不同参数
试剂处理、等离子体处理、电晕放电处理、辐射引发(温度、频率、时间等)下处理对纤维性能的影响,结

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