超高分子量聚乙烯纤维表面改性技术研究现状
2023年超高分子量聚乙烯纤维行业市场前景分析
2023年超高分子量聚乙烯纤维行业市场前景分析超高分子量聚乙烯纤维是一种新型的合成纤维，具有高强度、高模量、高耐热性、高抗冲击性、低摩擦系数等优良性能，在包装、建筑、粉末涂料、水产养殖等领域得到广泛应用。
未来，超高分子量聚乙烯纤维行业市场前景仍将保持持续增长的态势。
一、需求持续增长随着人们生活水平的提高以及科技进步，超高分子量聚乙烯纤维在各个领域的应用越来越广泛。
在包装行业，超高分子量聚乙烯纤维可以制作防水和防撕裂的纸箱，提高了物品运输的安全性和方便性；在建筑行业，超高分子量聚乙烯纤维可以制作高强度的混凝土，用于桥梁、隧道等建筑工程；在粉末涂料行业，超高分子量聚乙烯纤维可以作为防腐蚀材料使用；在水产养殖行业，超高分子量聚乙烯纤维可以制作优质的养殖网格，用于水产养殖和水产捕捞等领域。
因此，需求持续增长是超高分子量聚乙烯纤维行业市场前景的重要因素。
二、技术创新提升产业竞争力超高分子量聚乙烯纤维是一种高科技产品，其生产工艺复杂，需要经过多道工序进行加工制造。
随着科技的不断进步，新的技术不断涌现，生产工艺不断优化，可以降低制造成本，提高产品质量，增强产业竞争力。
例如，目前国内已经出现了采用悬浮聚合法生产超高分子量聚乙烯纤维的技术，可以提高纤维的均匀度和拉伸性能，缩短生产周期，降低生产成本，促进超高分子量聚乙烯纤维行业的发展。
三、环保意识推动行业发展随着环保意识的不断提高，人们对环境保护的重视程度不断增加，超高分子量聚乙烯纤维作为一种合成纤维也受到了关注。
目前，国家和地方政府出台了一系列环保法规，纺织企业也在不断研发环保生产技术，采用环保纤维生产，使产品更符合环保要求。
因此，超高分子量聚乙烯纤维行业也将不断重视环保问题，发展趋势也将向着环保高效方向发展。
综上所述，超高分子量聚乙烯纤维行业市场前景一片光明，具有广阔的发展空间和持续的增长动力。
未来，超高分子量聚乙烯纤维企业需要不断提升产品性能、优化生产工艺，提高企业的生产效益和竞争力，适应未来市场需求的变化和环保要求的提高。
超高分子量聚乙烯纤维的表面改性研究
1. 1 实验材料 超高分子量聚乙烯纤维 :宁波大成新材料股份
有限公司 ;铬酸钾 ( K2 CrO4 ) : 分析纯 ,天津市大茂 化学试剂厂 ;重铬酸钾 ( K2 Cr2 O7 ) :分析纯 ,国药集 团化学试剂厂 ;浓硫酸 :分析纯 ,平湖化工试剂厂 ; 乙二醇 :分析纯 ,上海玻尔化学试剂有限公司 ;环氧 树脂 (618) 、三乙烯四胺 :化学纯 ,国药集团化学试 剂厂 。 1. 2 纤维表面处理 1. 2. 1 纤维处理过程
τ
=
F
πnd
l
(M
Pa)
[6]
式中 : F———最大拔出强力 (N ) ;
n———纤维的根数 ;
d———纤维直径 (mm ) ;
l———纤维埋入长度 (mm ) 。
纤维包埋及黏结强度测试装置如图 1所示 。
图 1 纤维包埋及黏结强度测试装置示意图
2 结果与讨论
2. 1 正交试验分析 在超声频率为 25 kHz下进行正交试验 ,主要
当设定的温度稳定后把要处理的超高分子量聚乙烯纤维放人玻璃器皿中待一定的时间后取出并用去离子水清洗几遍直到用ph试纸测试水洗溶液为中性为止最后放在50c烘箱中烘干编号备2010122样品制备在预备实验的基础上对超高分子量聚乙烯纤维处理进行正交试验因素与水平表见表l
功能性整理技术 产业用纺织品 总第 233期
1. 3 测试 1. 3. 1 纤维力学性能测试
用上海华龙测试仪器公司生产的 wdw220型微 机控制电子万能机测试纤维强度 ,隔距 50 mm ,拉 伸速度 10 mm /m in, 测 30次取平均值 。 1. 3. 2 纤维接触角测试
用上海中晨数字技术 设备 有限公 司生 产的
JC2000A 静滴接触角 /界面张力仪测定纤维接触
超高聚乙烯纤维(1)
影响纺丝成型的因素： 溶液的浓度：溶液太稀，虽然大分子间缠结 少，易保持原有形态，但拉伸速度很慢，不利 于伸展；浓度较大，缠结点太多，同样无法达 到高倍拉伸的目的 因此适宜的浓度：半稀状态，一般为0.2%--10% 左右。
超倍拉伸： 在拉伸初始阶段，高聚物的结晶层破坏成为小结晶块， 它们沿着拉伸方向与无定形区交替形成微纤维，在原结 构中连结着不同层晶的连结分子，变为晶块间的连结分 子，位于微纤维的边界层。进一步拉伸时，微纤维产生 剪切变形，同时完全伸直的连结分子数增加，在较高的 拉伸温度下，排列整齐的连结分子，可能结晶化为长的 伸直链结晶。它的分子结构是具有-c—c-主链化学键，主 键间具有很高的结合强度。分子的取向程度控制HMPE 纤维的模量。
高性能纤维,是芳纶的2/3，是碳纤维的1/2.
●还具有耐紫外线辐射、耐化学腐蚀、比能量吸 收高、介电常数低、电磁波透射率高、摩擦 系数低及突出的抗冲击、抗切割等优异性能。
2.发展及现状
1979 年荷兰DSM 公司采用凝胶纺丝与超倍拉伸方 法在实验室制得了高强高模UHMWPE 纤维，1990 年实现工业化生产。
无纺织物类：防弹背心
复合材料类：
环氧树脂是纤维增强高聚物复合材料的主要 基体材料，也是超高模聚乙烯纤维增强复合 材料的重要基体。
聚乙烯基UHMWPE纤维增强复合材料
（2）前景及研究方向 由于UHMWPE 纤维性能优异,应用潜力巨大, 受 到了国内外的普遍关注。
UHMWPE 纤维今后研究及应用的发展趋势 为:继续研究新的纺丝方法,提高生产效率,降低 成本;提高UHMWPE 纤维的结晶度和取向度,提 高力学性能;继续研究切实可行的表面处理方法, 降低蠕变性能,扩大UHMWPE 纤维在航空航天、 光缆增强纤维、复合材料、耐压容器等方面的 应用。总之,UHMWPE 纤维是很有发展及应用 潜力的高科技纤维,加强这方面的研究工作,开创 属于我们自己知识产权的新技术、新成果,必将 对我国的国防及经济建设等方面作出大的贡献。
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。
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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
超高分子量聚乙烯纤维的应用现状-高材专业展示PPT课件
目前超高分子量聚乙烯纤维主要应用于绳索、渔网、防护服等领域， 在其他领域的应用相对较少，需要拓展新的应用市场。
客户认知度低
由于超高分子量聚乙烯纤维是一种新型纤维材料，其市场认知度相 对较低，需要加强宣传和推广，提高客户认知度。
发展机遇
战略新兴产业政策支持
随着国家对战略新兴产业的重视和支持力度不断加大，超高分子量聚乙烯纤维作为高性 能纤维的重要组成部分，有望获得政策支持和资金扶持。
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03 超高分子量聚乙烯纤维的 应用领域
军事领域
防弹衣
超高分子量聚乙烯纤维具有优异的抗冲击性能，常用于制造防弹衣，提高士兵的防御能力。
降落伞
由于其强度高、重量轻，超高分子量聚乙烯纤维也广泛应用于降落伞的制造，确保军事空投物资的安 全。
建筑领域
桥梁加固
超高分子承载能力和耐久性 。
02 超高分子量聚乙烯纤维特 性
机械性能
总结词
超高分子量聚乙烯纤维具有出色的机械性能，如高强度、高模量和低延伸率。
详细描述
由于其高分子量和结晶度，超高分子量聚乙烯纤维展现出极高的拉伸强度和模 量，同时伸长率较低，使其成为各种需要高强度和刚性的应用的理想选择。
化学稳定性
总结词
超高分子量聚乙烯纤维具有出色的化 学稳定性，能够耐受多种化学品的侵 蚀。
重要材料
超高分子量聚乙烯纤维是一种高性能纤维， 具有优良的力学性能、耐化学腐蚀性和电绝 缘性，广泛应用于国防、航空航天、建筑、 体育器材等领域。
替代传统材料
随着科技的发展和环保意识的提高，超高分 子量聚乙烯纤维逐渐替代了传统的金属、玻 璃纤维等材料，成为现代工业和日常生活的 重要选择。
我国超高分子量聚乙烯纤维的发展现状与建议
我国超高分子量聚乙烯纤维的发展现状与建议下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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我国超高分子量聚乙烯行业发展现状及前景
五、总结
五、总结
本次演示介绍了我国超高分子量聚乙烯行业发展现状及前景。通过对UHMWPE 的定义、性质、应用领域、生产工艺等方面的介绍，说明了该行业的重要性和发 展潜力。通过对市场发展趋势、行业前景、市场容量的预测和展望，说明了该行 业未来的发展潜力。
参考内容
内容摘要
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种具有优异性能的高分子材料，在多个领 域具有广泛的应用前景。本次演示将概述UHMWPE的研究进展、制备方法、应用领 域和优势，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
内容摘要
四、超高分子量聚乙烯在实际应用中的评价和总结在耐磨材料领域，UHMWPE 的使用寿命是其他材料的数倍以上，能够有效降低维护和更换成本。同时， UHMWPE还具有良好的自润滑性能，能够在高负载下保持良好的运动灵活性。在医 疗领域，UHMWPE被广泛应用于人工关节、手术器械等高要求场合，其优良的生物 相容性和机械性能备受青睐。在海洋工程领域，UHMWPE的浮力性能使其成为制造 浮标、浮船等水上设备的理想材料。
二、超高分子量聚乙烯的制备方法 UHMWPE的制备方法主要有两种：溶液聚合 和本体聚合。溶液聚合是在溶剂中进行的，聚合过程中需要控制温度、压力、搅 拌速度等参数，以获得高分子量、低支链的UHMWPE。本体聚合是在熔体状态下进 行的，通过控制温度、压力和引发剂含量等因素，制得高分子量、低支链的 UHMWPE。目前，这两种制备方法都得到了广泛应用，并取得了一定的研究成果。
超高分子量聚乙烯的制备方法主要包括聚合工艺和缩聚工艺。其中，聚合工 艺主要包括溶液聚合、本体聚合和悬浮聚合等；缩聚工艺主要包括聚乙烯基醚、 聚酯和聚碳酸酯等。不同工艺路线的选择和优化是制备高性能UHMWPE的关键。
2、超高分子量聚乙烯的改性技 术
中国超高分子量聚乙烯(UHMWPE)行业现状及趋势
中国超高分子量聚乙烯(UHMWPE)行业现状及趋势一、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)行业概述超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种线性长链结构的具有优越综合性能的热塑性工程塑料，具有普通聚乙烯难以企及的优秀特性，如耐磨性极高、强度高于大部分金属、抗冲击能力极佳。
UHMWPE分子结构与通用聚乙烯（LDPE、LLDPE、HDPE）相差不大，但由于其分子量大，拥有更长的分子链，进而拥有更为优异的性能，下游应用领域更加广阔。
超高分子量聚乙烯与通用聚乙烯的性能对比超高分子量聚乙烯与通用聚乙烯的性能对比二、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)行业政策国内对UHMWPE的研究起步较晚，整体仍呈现中低端产能富余、高端产能紧缺的状态。
为实现国内高端纤维的进口替代，促进本土产业发展，国家出台了一系列UHMWPE鼓励政策，具体情况如下表：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)行业相关政策超高分子量聚乙烯(UHMWPE)行业相关政策相关报告：产业研究院发布的《2024-2030年中国超高分子量聚乙烯行业市场发展监测及投资潜力预测报告》三、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)行业现状1、市场规模UHMWPE是高性能聚烯烃材料的典型代表，稳定的线性长链结构使其具有高强度、耐冲击、耐磨损、自润滑、耐化学腐蚀、耐低温等诸多优异性能。
近年超高分子量聚乙烯加工、改性技术日益扩展、优化，形成了多种多样的超高分子量聚乙烯制品，广泛应用于军民各项领域。
据统计，2022年我国超高分子量聚乙烯市场规模约为17.97亿元，同比增长5.58%。
2015-2022年中国超高分子量聚乙烯市场规模及增速2015-2022年中国超高分子量聚乙烯市场规模及增速2、产量及需求量近年来，我国超高分子量聚乙烯产量及需求量保持快速增长，2022年中国超高分子量聚乙烯产量约为8.02万吨，2015-2022年CAGR为14.33%；中国超高分子量聚乙烯需求量达到10.51万吨，2015-2022年CAGR为10%。
UHMWPE 纤维表面改性技术的研究进展
第26卷第4期2006年12月北京服装学院学报Journal of Beijing Institute of Clot hing T echnology V ol.26N o.4Dec.2006用于增强复合材料的聚乙烯纤维表面改性技术*张玉芳1,庞雅莉2(1 北京服装学院科技处,北京100029;2 北京服装学院材料科学与工程学院,北京100029)摘 要:对复合材料要求增强纤维表面具有良好黏合力.针对这一情况,详细综述了提高超高分子质量聚乙烯纤维表面润湿性的各种改性技术的发展状况,并对各种方法的作用机理、影响因素和工业化实施的可行性进行了比较;同时介绍了改性纤维的性能表征方法.关键词:聚乙烯纤维;表面改性;层间剪切强度;等离子;辐射;接枝聚合中图分类号:T Q 325 12 文献标识码:A 文章编号:1001-0564(2006)04-0060-07收稿日期:2005-09-07*基金项目:北京市教委科技与发展计划面上项目(KM 200510012006);北京市服装材料研究开发与评价重点实验室开放课题(2005ZK 07)作者简介:张玉芳(1965-),女,高级工程师.联系电话:010-********由凝胶或熔融纺丝经过高倍拉伸而形成的超高分子质量聚乙烯(UH MWPE)纤维[1-2],是继碳纤维、Kevlar 纤维之后出现的又一种颇具竞争力的高科技纤维.其具有的轻质、高强、耐磨损、耐弯曲、耐化学腐蚀、耐冲击、耐低温等优良特性,使它在防护材料、绳索、耐低温材料、防弹材料上得以广泛应用;由它增强的复合材料在航空、航天及汽车等诸多领域也具有极强的竞争力[3].特别是近年来随着成本较高的碳纤维复合材料在民用工业领域中应用的迅速增长,寻找和生产成本较低的高性能纤维作为碳纤维的代用品成为一种必然趋势.高强聚乙烯纤维是很有潜力的竞争者之一[4].然而,由于UHM WPE 纤维本身的高度结晶与高度取向,使得它的表面能极低,不易被树脂润湿;而且无任何活性官能团的纤维表面,也很难与基体树脂形成化学键合,这在很大程度上限制了UHMWPE 纤维在复合材料中的应用.因此,要充分利用UHM WPE 纤维优良的机械特性就必须对它的表面进行改性,以提高其复合材料的界面结合强度,这也正是近年来世界各工业强国一直关注与研究的焦点问题.本文重点介绍近期应用较广的几种表面改性技术及其性能表征方法.1 聚乙烯纤维表面改性方法复合材料的界面结合强度通常与纤维和基体界面之间的黏合力有关,这种黏合力主要通过化学键合、较强的范德华力、纤维表面的可润湿性、粗糙性以及表面的机械咬合来获得[5].对聚乙烯纤维表面进行改性的目的,就是为了清除或强化弱边界层,使惰性表面层活化,以增加它的润湿性、粗糙性、机械咬合性及化学反应活性[6].1 1 化学浸蚀法化学浸蚀处理方法是用强酸对聚乙烯纤维进行酸洗,使纤维表面氧化,通过引入极性基团来改善纤维表面的润湿性,它包括浸蚀氧化和浸蚀接枝2种[7-9]方法.浸蚀氧化是利用酸液对聚乙烯纤维进行处理,一方面使纤维表面生成含氧基团(C O, COH , COOH 等),增强纤维与基体界面的相互吸引和相互扩散作用;另一方面酸液溶掉纤维表面的部分非晶区,使纤维表面变得粗糙,增加纤维的比表面积,从而提高纤维与树脂基体之间的黏结性.浸蚀接枝是在浸蚀氧化的基础上,将纤维与接枝单体进一步反应,使纤维表面引入多官能团化合物,这些基团可以与基体树脂起化学键合反应,从而形成稳定的、具有化学键合结构的界面相[10].目前,最常见的浸蚀氧化液有氯酸 硫酸体系、高锰酸钾 硫酸体系、重铬酸钾 硫酸体系、三氧化铬 硫酸体系、过硫酸铵 硫酸银体系、发烟硫酸、发烟硝酸、氯磺酸、铬酸等[11].就不同氧化剂而言,由于氧化性强弱不同,其对聚乙烯纤维的作用效果也就不同.如吴越等人[12]分别用浓硝酸、过硫酸铵 硫酸银体系、铬酸、重铬酸钾 硫酸体系对UHM WPE 纤维织物进行处理后,发现重铬酸钾和铬酸的处理效果最好,它可使UHMWPE 纤维织物与基体树脂复合材料的层间剪切强度提高3倍以上,过硫酸铵溶液则次之.由于存在铬酸废液的处理问题,在对材料性能要求不是太高的场合,建议采用过硫酸铵溶液作为处理介质.UH MWPE 纤维的处理效果除与浸蚀液的氧化性有关外,还与纤维暴露在浸蚀液中的时间、温度等因素有关.Silverstein 等人[13]采用铬酸氧化处理聚乙烯纤维时发现,随着纤维在浸蚀液中暴露时间的延长,其层间剪切强度将下降,纤维自身的强力也会过度下降;被氧化后的纤维,其破坏机理由原纤剥离变成脆性断裂,表明纤维的浸蚀氧化时间、温度与黏结性能之间有一最佳平衡值.与浸蚀氧化相比,浸蚀接枝多官能团化合物后的纤维表面润湿性能将进一步增强.余木火等人[14]采用重铬酸钾 硫酸体系对高强聚乙烯纤维浸蚀氧化后,在不同温度下进一步接枝二乙烯三胺、季戊四醇等不同单体,发现接枝单体后的聚乙烯纤维/环氧树脂界面黏合强度大大增加,特别是引入二乙烯三胺,其层间剪切强度可提高8倍,与目前文献报道的等离子体处理结果相当;另外,短时的高温处理有利于接枝单体在纤维表面的反应.1 2 等离子体表面处理技术等离子体表面处理是在真空状态下,利用射频能量激活气体,将气体离解成电子、离子、自由基和一些亚稳态的激发种,这些自由基、电子等轰击纤维材料表面,使材料表面的分子共价键断裂,生成新自由基.被激活的材料表面能够快速与激发气体结合,同时提供化学反应基团,从而提高纤维材料表面的润湿性.等离子体表面处理分为形成聚合物反应和不形成聚合物反应2种.形成聚合物反应的等离子处理是指纤维材料在有机气体等离子中除形成表面刻蚀外,还会在纤维表面因有机气体聚合而接枝活性官能团,这层接枝物可提高纤维与树脂的黏结效果.就不形成聚合物反应的等离子体处理而言,又分为反应性气体(O 2、N 2、NH 3、CO 2、H 2O 等)和非反应性气体(Ar 、H e 、H 2)2类,它们对纤维材料的表面作用机理不同.纤维材料在反应性气体等离子作用下,其表面高分子链可与具有化学活性的反应性气体直接结合,从而改变材料表面的化学成分;而非反应性气体的原子不直接进入到纤维材料表面的大分子链中,只借助高能粒子轰击材料表面使其产生大量自由基,这些自由基在纤维表面形成交联结构.等离子体对UHMWPE 纤维进行表面处理一般只在纤维表面有限的深度内进行表面刻61第4期 张玉芳等:用于增强复合材料的聚乙烯纤维表面改性技术62北京服装学院学报(自然科学版) 2006年蚀,因而纤维的力学性能受损较小.处理后的UHM WPE纤维界面剪切强度值一般呈增加趋势,增加的程度由等离子种类、作用压力、能量和纤维的暴露时间共同决定.影响处理结果的其他因素有形成纤维的PE分子质量、纺丝方法、拉伸应力、牵伸比和等离子处理时所用设备等.Brennan A B[15]对Spectra单一纤维在O2、NH3、Ar、空气等不同等离子气体环境中进行处理,单纤维拉出实验测定表明:所有等离子处理都明显增加了纤维与基体树脂之间的黏合,但是不同作用压力和不同气体处理后的纤维,与树脂界面剪切强度大不相同,具有高牵伸倍率的纤维在经过等离子处理后,试样的破坏发生在纤维内部,而不是发生在纤维与树脂之间. M ori,Masaru等[16]将UHMWPE纤维用Ar等离子处理后,置于空气中使纤维表面引入过氧化物,然后在通氮除氧的单体溶液中接枝聚合,使纤维表面引入聚丙烯酰胺,从而使纤维与树脂的浸润性和黏合性得到提高.而中科院金士九等人[17]采用空气等离子体对UHMWPE纤维表面改性,并在纤维表面接枝丙烯酸(AA)或丙烯酸与丙烯酸乙酯共混物(AA+EA),结果表明接枝纤维与树脂间的黏结强度较原丝大大提高,表面接枝AA比接枝AA/EA效果好.1 3 辐射 诱导接枝法辐射 诱导接枝处理是对高聚物惰性表面进行改性的又一种方法,由于辐照能源不同,可分为紫外光(UV)辐照接枝、 射线辐射接枝和电子束辐射接枝等.紫外光辐照接枝是利用紫外光源引发单体在聚乙烯纤维表面进行的接枝聚合.遵循自由基聚合机理,由于聚乙烯纤维表面叔碳原子较少,不易脱氢产生自由基,因此必须采用光敏剂或表面预氧化PE的紫外光辐照分解引发接枝聚合.PE纤维的紫外光辐照接枝聚合反应首先取决于聚乙烯纤维基质、接枝单体和光敏剂的性质,其次反应条件(如反应时间、温度、溶剂等)也有很大影响.Amornsakchai T研究发现[18]:紫外光引发接枝只发生在PE纤维未取向的无定型区;在同样条件下,PE纤维结晶度的增加显著降低了接枝量.骆玉祥等[19]以二苯甲酮为光敏剂,研究了丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等单体在UH MWPE 纤维织物表面紫外光接枝聚合的反应活性,结果表明:在以无水乙醇为溶剂的情况下,丙烯酰胺单体的接枝效果最好,其复合材料的层间剪切强度可从未处理的9 5~10MPa提高到18 85M Pa.在利用Co60 射线辐射源对UH MWPE纤维进行处理时,表面接枝率与接枝单体浓度、辐射剂量和温度等因素有关:在高剂量 射线下,UH MWPE纤维会发生交联或断裂反应,导致纤维结构变化、强度下降;而温度升高时,纤维接枝率增加;当接枝液(丙烯酸溶液)中加入阳离子Li+、Na+、K+、Mg2+时,由于接枝聚合物与金属离子结合形成金属盐,可显著提高PE纤维的热稳定性.Abdel[20]为改善UHMWPE纤维作为增强材料时与基体的黏附性能,用 射线对UH MWPE纤维表面辐射接枝聚丙烯腈,然后用改性纤维对氯丁胶进行增强,观察到材料的机械强度明显增加,且橡胶与接枝纤维的表面呈连续相.电子束辐射接枝是对UH MWPE纤维表面进行改性的又一种接枝方法[21-22].张林[23]等采用电子束对UHMWPE纤维表面辐射接枝丙烯酸.实验发现:在N2保护下接枝过程中无需引发剂;随着辐射剂量、反应温度、反应时间增加,反应接枝率增加,纤维的抗张强度及热稳定性也随之增加.就U V辐照接枝、 射线辐射接枝和电子束辐射接枝的效果而言,3种方法对纤维的穿透深度不同:UV辐照只到达表面几纳米,而 射线和电子束辐射却要穿透整体材料,但是它们都会产生阳离子、阳离子自由基和其他活性中间体.除以上介绍的几种方法外,也有采用电晕放电处理、光氧化改性处理、光致交联处理等方法对UHM WPE纤维表面进行处理的,由于这些方法的局限性,在此不再做详细介绍.2 几种改性方法优劣性的比较尽管用于UHMWPE纤维表面改性的方法很多,但是由于受设备、环境条件等因素影响,各种方法都有其可取和不足之处.如吴越等人[24]分别采用空气等离子法、化学氧化法、紫外接枝处理法对UHM WPE纤维表面进行改性,发现3种方法都可以有效提高UH MWPE纤维织物与环氧树脂之间的黏合强度,且使层间剪切强度达到18 1MPa以上.但是,3种方法处理后的纤维表面状态不同,且操作的难易程度不同:化学氧化法易侵蚀纤维本体,且废液在不处理的情况下易造成环境污染;空气等离子法虽不污染环境,处理后的纤维表面含氧量也最高,但需在真空状态下进行,且很难保证纤维处理的均一性;而紫外接枝法则需考虑环境中的氧问题.有关这几种方法的优劣性比较见表1.表1 聚乙烯纤维表面改性方法的优劣性比较改性方法改性机理影响因素作用范围与效果实施可行性化学浸蚀法氧化法刻蚀、表面形成含氧基团氧化剂性质、浓度、反应温度、时间损害纤维本体,导致纤维强度下降废液需处理接枝法刻蚀、表面接枝含官能团的聚合物氧化剂、接枝单体性质、浓度、反应温度、时间效果优于氧化法废液需处理等离子体处理非反应气体刻蚀等离子体种类、作用压力、时间、等离子体功率、纤维性质作用于纤维表面5~50nm厚,刻蚀导致纤维直径减小真空状态下进行,重复性差反应气体刻蚀、表面形成含氧基团等离子体种类、作用压力、时间、等离子体功率、纤维性质同上工业化较困难有机气体刻蚀、表面接枝聚合物等离子体种类、作用压力、时间、等离子体功率、纤维性质效果优于等离子刻蚀操作困难等离子接枝表面接枝含官能团的聚合物等离子体种类、作用压力、时间、等离子体功率、纤维性质、接枝单体性质效果优于等离子刻蚀单体污染等离子设备,工业化较困难辐射接枝U V接枝光敏剂引发或表面预氧化接枝含官能团的聚合物纤维性质、接枝单体性质、光敏剂性质、溶剂、温度、氧作用于纤维表面几百埃,需考虑空气中氧的存在工业化可取 射线接枝断链自由基接枝聚合辐射剂量、反应温度、反应时间、单体性质穿透材料主体内部,影响纤维结构射线危害电子束接枝断链自由基接枝聚合辐射剂量、反应温度、反应时间、单体性质穿透材料主体内部,无氧环境操作困难63第4期 张玉芳等:用于增强复合材料的聚乙烯纤维表面改性技术3 聚乙烯纤维表面改性性能表征方法用于增强复合材料的PE纤维性能表征涉及2方面问题:1)纤维自身改性后的结构与性能;2)纤维与基体树脂复合后的结构与性能.从目前高聚物表面与界面性能测试技术看,大致可分为光谱类、热力学类与机械力学3类.就改性纤维的表面性能而言,可利用处理前后纤维的质量变化确定接枝率,亚甲基蓝吸附法间接计算单位质量官能团含量变化,用沉降法测定不同官能团转化后的纤维沉降率来确定纤维的润湿性,扫描电镜(SEM)观察纤维表面微观形貌变化,傅里叶红外转换光谱(FT IR)测定官能团变化,X射线光电子能谱(XPS)分析表面元素变化.对于改性PE纤维的复合材料性能来说,除利用SEM观察复合材料界面形貌外,界面剪切强度则是最主要的衡量参数.为便于选用,改性纤维性能的各种表征方法如表2所示.表2 改性纤维的性能表征方法表征项目测试仪器方法测试参数及参考标准用途外观形貌扫描电镜(SEM)纤维及其复合材料表界面微观形貌变化物理性能及结构纤维表观接枝率电子天平接枝前后纤维试样质量确定纤维表面接枝情况纤维表面官能团含量亚甲基蓝等温吸附法表面处理前后亚甲基蓝吸附溶液浓度观察氧化接枝前后纤维表面官能团变化纤维沉降率沉降法处理前后纤维在水溶液中的沉降率观察氧化接枝前后纤维表面润湿性纤维表面官能团红外分析仪特征吸收峰改性前后纤维表面官能团变化纤维表面元素分析X射线光电子能谱特定元素能谱改性前后纤维表面元素变化力学性能层间剪切强度万能材料实验机纤维织物复合材料破坏载荷G B3357-1982纤维织物处理前后其复合材料的剪切强度界面剪切强度微黏法(M icrobound)纤维单丝复合材料拔出载荷纤维单丝处理前后其复合材料的剪切强度单丝强度纤维电子强力仪纤维单丝强力纤维单丝表面处理前后强力变化热性能 差式扫描量热仪(DSC)DSC图谱纤维改性前后熔点、结晶度变化关于UHMWPE纤维表面改性后的性能表征测试技术,各研究小组已进行了大量工作.刘振宏等[25]采用重铬酸钾的浓硫酸溶液氧化高强聚乙烯纤维,通过亚甲基蓝吸附法和沉降法确定表面官能团的含量变化和纤维润湿性变化,发现纤维表面引入多元胺后,界面剪切强度增64北京服装学院学报(自然科学版) 2006年加最大.郎彦庆[26]对超高分子质量聚乙烯纤维进行硅烷交联改性,无论是SEM 微观观察,还是ATR 红外漫反射光谱分析,都可看出纤维表面黏结性能明显改善.4 结束语近年来,随着超高分子质量聚乙烯纤维在复合材料领域中的不断应用,有关提高PE 纤维亲水性与黏合力的表面改性技术的研究也逐渐趋于成熟;但是真正实现工业化的技术几乎没有,其主要症结在于高能量射线或强氧化剂的研制技术不成熟,而它们又是纤维分子链断裂或表面获得极性基团的源泉.为了加大UH MWPE 纤维在复合材料领域的应用力度,近期内关于UH MWPE 纤维表面的改性研究将主要集中在改性技术的工业化上.参考文献[1]SM ITH P,PIET J L.Ultra h i gh strength polyethylene fi laments by solution spinning/draw ing[J].M aterial S cience,1980,15:505.[2]GONGDE 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Science,1994,52:12.[14]余木火,赵世平,滕翠青,等.高强聚乙烯纤维增强复合材料界面的研究[J].纤维复合材料,2000(1):15-18.[15]BRENNAN A B.Surface modification of polyethylene fiber for reinforced composite[J].TRIP,1995,3(1):12-21.[16]M ORI M ,UYAM A Y.Surface modification of pol yethylene fiber by graft polymeri zation[J].Polymer Sci ence,1994,32(9):1683-1690.[17]金士九,倪亦斌,张佐光.高强聚乙烯纤维的冷等离子体改进[J].应用化学,1996,13(2):85-87.[18]AM ORNSAKCHAI T,KU BOTA H.Effects of functional groups and surface roughess on interfacial shear strength inUHM W PE fi ber/polyethylene system[J].Applied Polymer Science,1998,70:465.[19]骆玉祥,吴越,胡福增,等.超高分子质量聚乙烯纤维紫外接枝处理[J].复合材料学报,2001,18(4):29-33.[20]ABDEL E M .Radiation induced UHM WPE chopped fibers as rei n forcing filler in polychloriprene[J ].Polymer AdvancedT echnology,1997,8(10):587-591.[21]KLEIN P G,WOODS D W.The effect of electron irradiati on on the structure and mechan i cal properties of highly draw npolyethylene fiber[J].Applied Polym er S 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methods for performance of modified fiber were introduced.Key words:polyethylene fiber,surface modification,the inter laminar shear strength,plasma, radiation,g raft polymerization。
超高分子量聚乙烯的改性及摩擦磨损研究资料
超高分子量聚乙烯的改性及摩擦磨损研究1 前言超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种新型工程塑料，1958年由德国科学家发明了UHMWPE的合成方法，到60年代末国外实现了工业化生产。
我国正式投产是在70年代末80年代初开始的，它具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、自润滑、摩擦因数小、耐低温等优良特性。
超高分子量聚乙烯虽然有许多优良特性但也有许多不足：硬度低、强度低、耐热性能差、有蠕变性等，为了弥补这些不足和进一步提高其耐磨性可对其进行填料(超细玻璃微珠、二硫化钼、滑石粉、玻璃纤维、碳纤维、聚四氟乙烯)改性。
此外，应根据其应用工矿条件和要求进行不同的改性。
作者用M-200型摩擦磨损试验机进行了环(45#钢)块摩擦磨损试验研究，并在腐蚀磨损试验机上进行了超高分子量聚乙烯沙浆磨损试验。
2 实验仪器、设备及原料和添加剂2.1 原料和添加剂● 超高分子量聚乙烯：白色粉末，M-Ⅱ型，北京助剂二厂生产；● 抗氧剂：北京化工三厂生产；● 偶联剂：硅烷类，南京曙光化工总厂生产；● 超细玻璃微珠：450目，从发电厂粉煤灰筛选(图1)；图1 超细玻璃微珠的形貌(图略)●二硫化钼：200目，市售；● 碳纤维：辽宁锦州斌富隆塑料有限公司(图2)；图2 碳纤维的形貌(图略)● 聚四氟乙烯：型号7A-J(约200目)，日本三井株式会社生产(图3)；图3 聚四氟乙烯的形貌(图略)●玻璃纤维：南京化工研究院生产(见图4)；图4 玻璃纤维的形貌● 滑石粉：200目，市售。
2.2 实验设备● M-200型磨损试验机，宣化材料试验厂生产。
● MSH型腐蚀磨损试验机，宣化材料试验机厂生产，转速为低速中的高速(683r/min)。
2.3 测试仪器称重仪器：湘仪-岛津电子分析天平AEL-200，中国长沙湘仪天平仪器厂。
2.4 试件制备试件毛坯的制备采用烧结压制法，具体工艺为：把配好的原料称重装进喷洒过脱模剂的模具中，然后放进烤箱在195℃下烘80min后，取出模具放到压力机上加压，压力大小按制品上下端面面积考虑为8MPa，模具在压力机上加压的同时进行自然冷却，冷却10min～15min即可卸压开模取出制品，就完成了1个试件毛坯的加工过程。
超高分子量聚乙烯纤维生产应用现状
３．４体育用品 由于ＵＨＭＷＰＥ纤维比强度、比模量高、韧性和损伤容限好，在体育用品上常作 为网球拍、滑雪板、冲浪板、防护手套、击剑服等体育用品的骨架材料，其性能较传 统材料好。制成的运动器械既耐用又能出好的成绩【１５】。 ３．５建筑工程加固增强材料 与普通加固增强材料相比，ＵＨＭＷＰＥ纤维具有较好的增稠效果，可以有效抑制轻 骨料的上浮，提高轻骨料混凝土的均匀化。由于较高的弹性模量和抗拉强度使其可协 同轻骨料受拉、抑制裂纹的扩展，也提高了轻骨料混凝土的各项力学指标。经掺混的
２０１４化纤非织造材料行业战略联盟研讨会论文集（湖南・常德）
结（中期），最终导致伸直链结晶的微纤结构形成（后期）。最后将得到的原纤维进行纺织 加工即可。
３
ＵＨＭＷＰＥ纤维主要应用
３．１安全防护 由于ＵＨＭＷＰＥ纤维抗冲击韧性非常好，具有较强的比冲击吸收能量，采用ＵＨ ＭＷＰＥ纤维制成的防弹衣超轻且能很好的解决非贯穿性伤害。目前，发达国家已用来 制造防弹衣、坦克防弹装甲、运钞车车体、防弹头盔、防切割手套、防弹橡胶增强材 料等。据悉，自从美国发生９１１恐怖袭击后，防弹衣等产品的需求激增。在２００４年的 美伊战场上，宁波大成新材料公司制造的防弹头盔也发挥着重要的防护作用。 ３．２绳缆 用ＵＨＭＷＰＥ纤维制成的绳缆，具有耐腐蚀、重量轻、耐磨损、强度高、柔韧性 好等优点，常用于远洋船舶的牵引绳缆。在高空应用领域，如降落伞、飞机悬吊重物 的绳索、高空气球的吊索等，ＵＨＭＷＰＥ纤维绳缆也是首选。 ３．３渔业用具 目前，合成纤维已经成为制作渔网最为普遍的材料。在网线强度相同的条件下， 用ＵＨＭＷＰＥ纤维加工成的渔网比普通的纤维轻至少４０％，可以提高捕捞作业的劳动 效率，降低渔网破损率，减少渔船能耗。使用ＵＨＭＷＰＥ纤维制作的深海养殖网箱， 良好的机械性能能够很好的防治食肉鱼对经济鱼类的猎杀，有效地降低养殖成本及风
超高分子量聚乙烯的改性与应用
超高分子量聚乙烯的改性与应用超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE），这可是个在材料领域里相当有分量的“角色”。
今天咱们就来好好聊聊它的改性和应用。
我记得有一次去一家工厂参观，看到工人们正在加工超高分子量聚乙烯的产品。
那场景，真的让我对这种材料有了更直观、更深刻的认识。
先来说说改性吧。
为啥要改性呢？就好比一个人有了不错的基础，但为了更出色，还得不断提升自己，超高分子量聚乙烯也是这个道理。
通过填充改性，可以在里面加入一些像玻璃纤维、碳纤维这样的“小伙伴”，增强它的强度和刚性。
这就像给它穿上了一层坚固的铠甲，让它在面对各种压力和挑战时都能从容应对。
比如说，在制造一些需要高强度的机械零件时，经过填充改性的超高分子量聚乙烯就能大显身手。
还有共混改性，把它和其他聚合物“拉到一起”，取长补短。
比如说和聚酰胺共混，能提高它的耐热性和耐磨性。
想象一下，要是汽车的某些零部件用上这种改性后的材料，是不是能跑得更稳、更久呢？再说说化学改性。
就像给它来一场“化学魔法”，改变它的表面性能，让它更容易和其他材料结合。
比如说，经过化学改性后，它在医疗领域里用于制造人工关节时，就能和人体组织更好地融合。
接下来聊聊应用。
在纺织机械领域，超高分子量聚乙烯可是“明星材料”。
因为它的耐磨性特别好，那些经常会产生摩擦的部件，用了它之后，使用寿命大大延长。
我在那家工厂里看到的纺织机械部件，表面光滑，没有一点磨损的痕迹，工人们都说，这都多亏了超高分子量聚乙烯。
在医疗器械方面，它也是大有用处。
比如制造人工关节的衬垫，不仅摩擦系数小，能让患者活动更自如，而且生物相容性好，不会引起人体的排异反应。
在矿山领域，用超高分子量聚乙烯制作的输送带，那叫一个耐用。
要知道，矿山的工作环境可是相当恶劣的，灰尘大、负荷重，但这种输送带就是能扛得住，减少了维修和更换的频率，为企业节省了不少成本。
超高分子量聚乙烯纤维表面改性方法研究进展
■纤•纤纺广角■Cover.Articles项目支持：中国纺织工业联合会科技指导性项目，绳缆专用趨高分子量聚乙烯纤维制备及其在服役条件下的力学性能研究，2015019超高分子量聚乙烯纤维表面改性方法研究进展Research Progress on Surface Modification Methods ofUltra-high Molecular Weight Polyethylene Fiber文/罗峻邓华摘要：针对超高分子量聚乙烯纤维表面无极性基团、化学惰性大、表面粘接性差等缺点，国内科研工作者展开了积极探究。
基于近几年有关超高分子量聚乙烯纤维表面改性方法的文献报道，本文介绍了4种常用飾表面改性方法，包括等离子休改性、化学试剂改性、辐射接枝改性和电荤放电改性。
通过对超高分子量聚乙烯纤维表面改性，进一步拓宽了超高分子量聚乙烯纤维在材料领域的应用。
关键词：超高分子量聚乙烯纤维；改性；粘接性能；力学性能开放科学（资源服务）标识码（OSID）超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维又称为高强高模聚乙烯纤维或者直链聚乙烯纤维.通常是平均分子量在150万以上的线性聚合物，与碳纤维.芳纶纤维合称为三大高性能纤维。
UHMWPE纤维具有高比强度、低密度的 特性.在相同的重量下UHMWPE纤维的强度约为钢材的15倍.相同直径下重量只有钢铁的1/6.同时还具有耐光性.耐久性.耐低温性.耐化学腐蚀性.抗冲击以及生物相容性和介电常数低等优异特性.在国防军工.安全防护、海洋产业.航空航天.功能服装等领域得到广泛运用。
由于UHMWPE纤维分子链为线性结构.分子链上只有碳和氢两种元素.表面基本无极性基团.且分子结构非常紧密.具有高结晶度、高取向度，造成其表面能低.化学惰性大、吸湿性差.不易染色、界面粘接性能差.在很大程度上限制了UHMWPE纤维在材料领域的推广应用。
因此.通过对UHMWPE纤维表面进行改性以改善纤维界面粘接性能.进而改善UHMWPE纤维自身的不足.得到区别于UHMWPE纤维表面的其他性能。
超高分子量聚乙烯纤维表面改性技术研究现状
超高分子量聚乙烯纤维表面改性技术研究现状超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE）纤维是一种具有优异力学性能和化学稳定性的合成纤维材料。
在工业领域中，UHMWPE纤维被广泛应用于防弹衣、绳索、导热材料等领域。
为了进一步提高其性能和应用范围，需要对UHMWPE纤维进行表面改性。
本文将探讨目前UHMWPE纤维表面改性技术的研究现状。
目前，UHMWPE纤维的表面改性技术主要包括物理方法和化学方法两大类。
物理方法主要采用机械方法对纤维表面进行改性，常见的方法包括高能电子辐照、等离子体处理和机械磨削。
高能电子辐照是将纤维暴露于高能电子束下，通过辐射损伤使表面产生断裂和氧化，从而使纤维的表面粗糙化。
等离子体处理是在高能等离子体气体环境中将纤维暴露于电离辐射下，通过化学反应和能量转移使纤维表面产生化学修饰基团。
机械磨削是使用机械研磨方法对纤维表面进行刮磨，以去除表面的污染物和氧化层，增加表面粗糙度。
这些物理方法可以改变纤维表面形态结构和化学成分，提高纤维的附着力和润湿性。
化学方法主要采用表面活性剂和化学修饰剂对纤维表面进行改性，常见的方法包括化学气相沉积、溶液浸渍和电沉积等。
化学气相沉积是在高温和高真空环境中将有机气体分解成气相自由基或阳离子，使其与纤维表面反应生成化学修饰层。
溶液浸渍是将纤维浸泡在含有表面活性剂或修饰剂的溶液中，使其通过吸附和化学反应与纤维表面相互作用，形成化学修饰层。
电沉积是将纤维作为阳极或阴极，通过电解液中的金属离子或有机分子的氧化还原反应，使纤维表面生成金属膜或有机膜。
这些化学方法可以在纤维表面形成具有特定功能的薄膜或修饰层，如抗菌、耐磨、防静电等。
总结起来，目前UHMWPE纤维表面改性技术主要包括物理方法和化学方法，通过改变纤维表面形态结构和化学成分来提高纤维的性能和应用范围。
虽然已取得一定的研究进展，但仍存在一些挑战和待解决的问题。
超高相对分子质量聚乙烯纤维的表面改性研究
这 里为 了便于 横 向比较 ，均统 一折 算为包 埋 深度为 ６ｍ ｍ时的 强度 替代纤维 的粘结强度 。测试 夹距 为 ２０ｍｍ，下降速 度 为 ５ ｍｍｉ，按 下 式 ０ ０ｍ ／ ｎ
１ ． 冻胶 纤维除油率（ 的测定 ＿１ ３ Ｇ）
计算纤维的粘结 强度 ：粘结 强度＝ 实测强度ｘ／ ６ Ｈ。
本 文 选 用 带 有 极 性 基 团 的 聚 合 物 ，溶 解 在 Ｕ ＭＷＰ Ｈ Ｅ冻胶 纤 维 的 萃 取 剂 中 ，在 萃取 阶 段 对 Ｕ ＭＷＰ Ｈ Ｅ纤维进 行 改性 ，然后 经过 超倍热拉 伸制 得改性纤维 ，可在基本不 损坏纤维原有优 良力学性
能 的情 况下 ，大 大提 高纤 维 与树 脂 基体 的粘 结性
能 。另外 ，此改性方法成本 低 、操作简便 ，且 易于
工业化 。
能受到影 响 。因此 ，Ｕ ＨＭＷＰ Ｅ纤维 的表 面处理 技
术得到 了广泛的关注 。目前已有的物理和 化学改性
的方法 ，如等离子体处理 … 、表 面氧化和 刻蚀 、
光氧化表 面处理 、辐射接 枝处理 等方 法 ，均存 在很 多不足甚至缺陷之处 ，如表面氧化和 刻蚀法 的 提高纤维的粘附性是 以损失纤维强度为代 价的 ；等 离子体表面处理法 设备连续 化程 度和稳 定性较 差 ； 光氧化表面处理和辐射接 枝处理虽不 损害纤维的力 学性能 ，但设备投 资很高 ，且处 理的最佳 工艺不 好 掌握 ，工业化的前 景渺茫 。另外 ，在纺丝 原液中共
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动力学、改『 前后纤维的表面化学结构、表面粘结性能和力学 生 性能进行了 比较。结果表明 加入表面改
洼 后，冻 荆 胶纤维的萃取除油 速率变慢；纤维与树脂基体的粘结强度大大 提高；纤维的力学 性能略有下
超高分子量聚乙烯纤维表面改性及其界面性能研究进展
超高分子量聚乙烯纤维表面改性及其界面性能研究进展
李露露;韩立新;王爽芳;严成;蒋干兵;孙洁;俞科静
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2022(53)4
【摘要】超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维因具有高化学稳定性,高机械性能和低成本等优点而成为理想增强材料之一。
然而,规整的非极性分子链结构致使UHMWPE纤维结晶度高、与树脂基体之间几乎无化学键合,本文因而与树脂的粘合性差。
为此已经进行了许多纤维表面处理的工作,如紫外辐射、等离子体处理、聚合物涂层等。
主要从湿法化学改性和干法化学改性这两方面入手,总结归纳了目前超高分子量聚乙烯纤维的界面改性研究现状,从物理和化学两个方面揭示界面增强机理以及界面性能与复合材料力学性能的关系,为超高分子量聚乙烯纤维的界面结构设计和改性提供科学理论依据和技术指导。
【总页数】9页(P4088-4096)
【作者】李露露;韩立新;王爽芳;严成;蒋干兵;孙洁;俞科静
【作者单位】江南大学生态纺织教育部重点实验室;连云港神特新材料有限公司【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.多巴胺仿生修饰及聚乙烯亚胺二次功能化表面改性超高分子量聚乙烯纤维
2.不同表面改性对竹纤维/超高分子量聚乙烯复合材料摩擦学性能的影响
3.超高分子量聚
乙烯纤维表面改性方法研究进展4.超高分子量聚乙烯纤维表面改性研究进展5.超高分子量聚乙烯纤维表面改性研究进展
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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超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE），这可是个相当厉害的材料啊！说起 UHMWPE ，我想起之前去一家工厂参观的经历。
那时候，我对这种材料还没有特别深入的了解。
走进工厂，巨大的机器轰鸣声，忙碌的工人，还有那一堆堆形状各异的材料，让我既兴奋又好奇。
在一个车间角落里，我看到了一堆 UHMWPE 板材，它们安静地躺在那里，表面看起来平平无奇。
但旁边的技术人员告诉我，可别小瞧了这些板材，它们有着非凡的性能。
咱们言归正传，来聊聊 UHMWPE 的改性研究。
首先呢，为啥要对 UHMWPE 进行改性？这是因为虽然它本身就具备很多出色的性能，比如极高的耐磨性、耐冲击性、自润滑性等等，但在某些特定的应用场景中，还是会有些不足。
就好像一个优秀的学生，虽然成绩已经很好了，但为了追求更卓越，还得不断提升自己。
比如说，UHMWPE 的表面硬度相对较低，这在一些需要高硬度的场合就有点“力不从心”啦。
还有啊，它的加工性能也不太理想，这就像是一个很有才华的人，却不太善于表达自己，限制了自身的发挥。
那怎么改性呢？这可有不少办法。
一种常见的方法是填充改性。
简单来说，就是往 UHMWPE 里面加入各种填料，像是玻璃纤维、碳纤维、滑石粉等等。
就拿玻璃纤维来说吧，把它加到 UHMWPE 里，就像给这个材料“强身健体”一样，可以大大提高它的强度和刚度。
想象一下，原本柔软的面团里加入了坚韧的面条，整个面团是不是就变得更有韧性啦？还有一种方法是共混改性。
把 UHMWPE 和其他聚合物材料混合在一起，让它们相互取长补短。
比如说，把 UHMWPE 和尼龙共混，就有可能得到既具有 UHMWPE 良好耐磨性，又具有尼龙良好韧性的新材料。
这就好像两个各有所长的小伙伴一起合作，共同完成一项艰巨的任务，发挥出 1+1＞2 的效果。
另外，化学改性也是一种重要的手段。
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。
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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。
吴越等同样采用等离子接枝法对超高分子量聚乙烯纤维进行表面处理，研究表明处理后纤维的表面产生大量C=O，
C-N等极性基团，同时这种方法有效地提高了纤维/环氧树脂的层间剪切强度。
2 电晕放电处理法
20世纪80年代以后，电晕放电处理法被应用到非极性材料(如PE、PP膜以及PE纤维等)的表面处理上，这种处理方法装置简单，常压下在空气中就可以进行。
Toshio Ogawa等通过对UHMWPE纤维在空气中进行电晕放电处理，发现处理后
的纤维与环氧树脂基体结合后界面剪切强度得到了提高，拉伸强度也提高了30%，但是尽管如此，其拉伸强度也只能达到预测值的一半，这是由于处理过程中大分子的降解而造成的。
西安交通大学的戚东涛等运用电晕放电处理法对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维进行表面改性，采用光电子能谱仪，红外光谱分析和扫描电子显微镜研究了处理前后纤维表面化学结构及物理结构的变化，通过单丝拔出试验和短梁剪切试验评价了UHMWPE纤维与树脂基体的微宏观界面粘接性能。
结果表明：经电晕处理后，UHMWPE纤维表面含氧量增多，含氧基团数量与种类增加，表面浸润性得到改善，纤维与基体的界面粘结强度(τs)提高幅度可达535 %，短梁剪切强度τNOL 提高了40%以上。
然而ZHEN ZHENG等人的研究表明单纯使用电晕放电处理纤维尽管可以提高纤维与基体的界面性能，但是纤维本身的拉伸强度会明显的下降，而且随着放电功
率和处理时间的增加，强度的下降程度会随之增加，所以他们采用了在对纤维进行电晕放电处理后进行一定时间的紫外线照射处理使纤维的机械性能得到了改善。
3 辐照接枝处理
对UHMWPE纤维进行辐照处理通常是指通过辐照引发第二单体接枝聚合，产生能够与基体紧密结合的覆盖层，从而改善纤维与基体的界面结合性能。
通常所采用的辐射光源有Co60、紫外线、γ射线等。
Jieliang Wang等利用二苯甲酮作为光引发剂，丙烯酰胺作为接枝单体，通过紫外线照射引发丙烯酰胺与纤维发生接枝反应来研究纤维结构与性能的变化，以及纤维与树脂复合体结合性能的变化。
结果表明：1. 经过紫外线照射后纤维上接枝了许多活性基团提高了表面性能。
2. 结晶对于接枝反应存在一定程度的抵制作用。
3. 通过控制照射时间纤维的拉伸强度得到一定程度的提高。
Zhi Li等采用连续紫外接枝法处理超高分子量聚乙烯纤维，他们采用了甲基
丙烯酸和丙烯酰胺两种接枝单体，研究发现引发接枝反应进行的是引发剂中的一些半休眠基团。
通过红外光谱的测试和扫描电镜的观察发现很多极性接团会接枝在纤维的表面，使得纤维与其他极性较强的基体结合变得容易，改善了纤维表面性能。
中国科学院的赵艳凝等人研究了用γ射线分别在空气中和真空中对UHMWPE 纤维进行辐照处理，结果表明纤维经γ射线照射后产生的自由基的半衰期大约是高密度聚乙烯的100倍，在真空中以小剂量照射纤维，分子链主要发生交联反应，剂量过大分子链又会裂解。
而在空气中进行辐照时，存在纤维表面上引入微量活性基团。
同时在真空中辐照一定时间后纤维的拉伸强度并没有明显的变化。
A. M. Abdul-Kader 等人分别用
600eV的电子束和由Co60源发射的γ射线处理UHMWPE纤维，他们研究了不同剂量的辐射量对纤维表面性能的影响，发现辐射后纤维表面出现了许多如羰基和羧
基的极性基团，且通过润湿角与表面能的测试发现纤维的表面能升高的同时润湿角减小了，且在一定范围内辐射剂量越大，表面性能提高的越多，但是他们并没有探讨辐射后纤维力学性能的变化。
4 氧化处理
所谓对UHMWPE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。
干法中所采用的气体一般为氟气或氟化物，而湿法常用的介质有：K2Cr2O2+H2SO4，
KMnO4+HNO3，H2O2(30%)等。
陈一等采用直接氟化法处理超高分子量聚乙烯来改善其粘结性能，经研究发现处理后UHMWPE的表面形貌结构并未发生明显变化，红外光谱和X射线能谱测试结果表明，氟化后大分子上出现了C-F，-COOH，-OH等极性基团，表面能从10mN/m 提高到42.47mN/m。
将UHMWPE与环氧树脂制成复合材料，测试其界面剪切强度，
发现氟化处理后的UHMWPE与环氧树脂的界面粘结力大大提高，在室温环境下放置一个月剪切强度基本保持不变，说明了通过氟化处理法处理UHMWPE的稳定性较好。
Alexander P. Kharitonov等对不同氟化方法的处理效果进行了研究，他们采用了F2，XeF2，TbF4作为氟化剂分别处理UHMWPE材料，研究表明三种处理方法均可以提高材料表面的极性改善其与基体的粘结性能，但是经过F2的处理效果和稳定性是最好的。
此外经F2处理后的UHMWPE表面出现的大多数为CF2基团而XeF2，TbF4处理后的UHMWPE表面出现的大多为CHF基团。
M. S. Silverstein等人分别使用高锰酸钾、铬酸和过氧化氢溶液来处理超高分子量聚乙烯纤维来研究其界面性能的变化。
他们通过使用扫描电镜观察纤维表面发现经过各种氧化处理纤维表面变得粗糙了，而铬酸处理过的纤维表面形态变化最明显，铬酸刻蚀后降低了表面的氧含
量。
之后又进行了纤维与树脂之间的剥离试验，发现通过铬酸处理后纤维与树脂的剥离强度增加的最多，其他的处理方法都没有明显的效果。
就整个研究结果看铬酸在对提高纤维与基体结合性能方面有较好的作用。
东华大学的晏雄小组针对超高分子量聚乙烯纤维表面黏结性差的缺点，采用超声下铬酸溶液处理纤维表面。
分析了处理前后纤维的结构变化，并用自制的单丝抽拔装置对纤维黏结性进行了表征。
结果表明：温度是影响处理纤维效果的最主要因素，低于60℃时，对纤维表面仅进行了刻蚀;温度达到60℃时，在纤维表面产生了极性基团，且表面刻蚀和产生极性基团都提高了纤维的黏结性。
总体而言UHMWPE纤维经过氧化处理后，纤维/树脂界面的粘结强度得到了提高，然而纤维自身的断裂强度会明显降低。
5 其他方法
除了上述所介绍的一些常用的方法
外，研究工作者们还在努力探索其他的一些改善超高分子量聚乙烯纤维的方法，例如台湾的邱显堂采用在一定的温度下用吡咯单体和FeCl3饱和溶液浸泡UHMWPE 纤维一定的时间后取出洗净干燥，然后单丝拉出实验测试纤维与树脂的界面剪切强度，结果显示处理后的纤维与树脂的界面剪切强度提高，且在一定温度范围内随着温度的升高强度随之增加。
接着通过分析材料的界面电动势发现在处理过程中聚吡咯扮演了电势转换体的作用使得纤维和树脂的粘合力增加。
以色列的YachinCohen等人在一定的温度下将UHMWPE纤维在含有UHMWPE 的煤油中溶胀,然后将纤维骤冷的方法进行表面处理。
该方法使纤维表面形成刷形的结晶，从而增大纤维与树脂的接触面积提高纤维与树脂的界面粘结力。
该方法由于处理时间短，进而克服了间歇作业带来的局限性，并且反应液可以循环使用。
该方法的整个操作过程比较简便，且易于控制。
因此该方法比较容易实现连续化。
PTFE制品聚四氟乙烯PTFE otuydfe。