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。

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，