等离子体表面处理改性超高分子量聚乙烯纤维

文章出处：本站 | 网站编辑：深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-01-05

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维也称伸长链聚乙烯（ECPE）纤维或超高模聚乙烯（UHMPE）纤维，是继碳纤维、芳纶纤维之后又开发研制生产的一种新型高性能纤维。UHMWPE纤维的相对分子量通常在150万以上，其分子结构为线型高度取向的伸直链，取向度接近100%，结晶度高达85-95%以上。上述优异的超分子结构赋予了超高分子量聚乙烯纤维低密度、高强度、高模量、耐腐蚀、耐冲击等一系列优良特性，使其成为比强度最高的有机高性能纤维。

UHMWPE纤维具有其它纤维无法比拟的优越性，可用于制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盗、雷达罩、防弹装甲、远洋船舶缆绳、航天航空零件等，已在国防、航空航天等高尖端领域具有广阔的应用前景，其中部分应用产品如图1所示。然而，UHMWPE纤维是一种分子链仅由亚甲基组成的非极性材料，其表面能极低，难以与基体材料形成良好的界面结合，从而导致超高分子量聚乙烯纤维复合材料在使用过程中发生层间破坏，纤维相与基体相易产生脱粘而分离。简言之，超高分子量聚乙烯纤维复合材料领域的研究热点。目前，活性基团的引入是超高分子量聚乙烯纤维表面改性的主要策略，可显著改善纤维表面性能，使其与基体材料的界面结合能力提高，以及使复合材料的拉伸强度、冲击强度、抗弯曲性能等一系列性能都得到有效的提高。

图 1 超高分子量聚乙烯材料

超高分子量聚乙烯纤维表面光滑、非极性、无活性基团，在界面处与基体材料粘接性较差，易出现纤维打滑脱落的情况，影响复合材料的性能。为了增强纤维与基体材料的界面作用，需要对纤维表面进行改性处理。通过提高纤维与基体之间的化学结合力和物理结合力，均可增强纤维与基体之间的相互作用。提高化学结合力主要是通过在纤维表面引入活性基团，使其可与基体之间生成化学键以及产生分子间作用力等而实现；提高物理结合力主要是通过纤维与基体之间机械互锁来实现，即通过增加纤维表面凹槽或凸起，从而增大纤维在复合材料中脱粘的滑移阻力。因此，为了制备高性能的超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料，可以通过等离子体处理的方法而实现，即在引入活性基团的同时提高纤维表面粗糙度从而实现纤维界面粘结性能的提高。

等离子体处理

等离子体处理是一种由中性粒子与高能带电粒子组成离子体的综合改性技术。等离子体处理对材料的改性深度仅为100nm左右，对材料本体结构不产生明显破坏，有利于高性能纤维保持其优异的力学性能。

等离子体改性纤维界面技术的实质是利用等离子体装置生成的高能活性粒子破坏纤维表面的C-C和C-H化学键，促使纤维表面分子链获得自由基，进而转变为具有一定活性的官能团的过程（图2）。为了有效实现纤维表面改性，等离子体产生的粒子能量应高于UHMWPE纤维中化学键能。等离子清洗机可以产生非热平衡高能粒子，其能量范围为0-40eV，远高于UHMWPE纤维表面C-H键（3.2-4.7eV）和C-C键（2.6-5.2eV）的键能。从各粒子能量和化学键键能可以看出，等离子体高能粒子能将超高分子量聚乙烯纤维表面部分化学键击断并生成新键。此外，等离子体对纤维表面也会产生刻蚀作用，使纤维表面粗糙度增加，以此改善纤维的表面机械互锁性能。