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
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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.
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Surface Modification Technology of Polyethylene
Fiber for Reinforced Composite Material
ZH ANG Yu f ang1,PAN G Ya li2
(1 Department of Science Technology,Beijing Institute of Clothing Technology,Bei jing100029,China;
2 Department of M aterials S cience an d Technology,Beijing100029,China)
Abstract:As a new kind of organic fiber,UHMWPE fiber has come to be used in the field of composite materials.This paper rev iew ed the adv ancement of modification technique UH MWPE fiber s surface soakage.The mechanism,influencing factors and feasibility of industrialization about different w ays were carefully compared.The characterization methods for performance of modified fiber were introduced.
Key words:polyethylene fiber,surface modification,the inter laminar shear strength,plasma, radiation,g raft polymerization。