[发明专利]高表面粘接性超高相对分子质量聚乙烯纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属超高相对分子质量聚乙烯纤维的制备方法，特别是涉及一种高表面粘接性超高相对分子质量聚乙烯纤维的制备方法。

背景技术

超高相对分子质量聚乙烯纤维由于具有超高的强度和超高模量、高能量吸收性、耐冲击、耐低温、电绝缘、优异的耐化学性、耐侯性、可透过x-射线及一定的防水性等多种优异性能，被广泛地应用在军事、航天航海工程、休闲体育用品和高性能、轻质复合材料等领域，如防弹防护材料(装甲板、防弹服、盾牌、头盔、防刺或防切割手套等)、高强绳索(缆绳、降落伞绳、登山绳等)、复合材料(声纳罩、雷达天线罩、大型储藏罐等)、运动器械(弓弦、帆布、雪橇等)。在超高相对分子质量聚乙烯纤维的应用中，防刺、防切割手套及绳索类需要在丁腈橡胶、聚氨酯等树脂中浸胶复合，其他则需要超高相对分子质量聚乙烯纤维与环氧树脂等基体进行复合使用。

在纤维一树脂复合材料中，纤维与树脂基体之间的界面粘接强度大小很大程度上决定了复合材料最终的机械性能。但是，聚乙烯纤维本身是由非极性的亚甲基形成的线性长链，纤维分子间没有较强的分子间作用力；纤维表面呈化学惰性，难以与树脂形成化学键合；在生产中经高倍拉伸形成的高度结晶和高度取向而导致纤维具有非常光滑的表面。所有这些因素的共同作用使聚乙烯纤维的表面能很小，难以与基体树脂形成良好的界面粘接，从而使其制品在使用过程中易发生纤维的脱胶、基体树脂的开裂等现象，使超高相对分子质量聚乙烯纤维防弹材料的防弹性能降低，也大大限制了纤维在其他复合材料特别是在轻质结构材料领域中的应用。因此，需对超高相对分子质量聚乙烯纤维进行表面改性处理，提高其和树脂基体的粘接性能。

提高超高相对分子质量聚乙烯纤维与树脂基体间的界面粘接强度，可以通过化学试剂侵蚀、等离子体处理、电晕放电处理、化学交联处理、表面接枝处理等方法对纤维进行改性，使纤维惰性表面层活化，在非极性的纤维表面引入羧基、羰基、羟基等极性基团。纳米粒子或纳米晶须的表面有机化处理改性是指在溶剂中将表面改性剂覆盖于纳米粒子或纳米晶须表面，改变粒子的表面极性，减少粒子间的团聚，促进纳米粒子在有机分散介质中的分散，中国专利CN1207341C和王小梅等人在“类球形纳米粒子的表面修饰改性”(高分子材料科学与工程，2005，21(3)，26-30)中报道了对纳米粒子或纳米晶须进行表面有机化改性。

CN1035308A公开了一种提高超高相对分子质量聚乙烯纤维表面粘接性能的方法，它是将超高相对分子质量聚乙烯纤维表面进行等离子体处理，此方法可有效提高纤维对树脂基体的润湿性和表面粘接强度，但此处理方法需要较高的真空，难以实现连续化工业化生产，另外，处理后的纤维表面活性官能团的衰减率比较大。

USP4870136公开了一种提高超高相对分子质量聚乙烯纤维表面粘接性能的方法。此法先将一定比例的超高相对分子质量聚乙烯粉末、自由基引发剂、硅烷类化合物和稀释剂在螺杆中熔融混合，进行增塑熔融纺丝，在纺丝阶段由热引发完成超高相对分子质量聚乙烯的硅烷化接枝反应，将纺得纤维在萃取剂和交联剂的介质中进行热拉伸，然后再置于沸水中完成交联反应。此法所得纤维的表面粘接性能得到改善，但此法由于在超高相对分子质量聚乙烯纺丝原液内加入大量引发剂和接枝化合物并在接枝反应完成后再进行拉伸，从而使纤维拉伸倍数较低，最后所得纤维的力学性能较差。

吴越等人在“液态氧化法处理超高分子质量聚乙烯纤维”(功能高分子学报，1999，12(4)：427)中用铬酸等试剂处理超高相对分子质量聚乙烯纤维，发现经铬酸处理后，超高相对分子质量聚乙烯纤维的表面粘接性能得到较大提高，但此法使纤维表面受到了腐蚀，导致纤维力学性能有较大的损失，同时还存在操作繁琐、对设备要求高及废液的污染严重等问题。

在USP5039549和USP5755913中，在等离子体、臭氧、电晕放电或紫外辐照下，将超高相对分子质量聚乙烯纤维表面接枝上一些含极性基团的单体，如丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯腈等，可大大提高超高相对分子质量聚乙烯纤维的表面粘接性能。但此法工序繁琐，且处理的最佳工艺条件很难掌握，工业化前景渺茫。

在CN1693544A中，利用含极性基团聚合物的复合萃取剂对纺制的超高相对分子质量聚乙烯冻胶纤维进行萃取处理，可大大提高纤维的表面粘接性能，操作简单且不需要添加任何设备。但该工艺由于极性聚合物以分子级分散在复合萃取剂中，萃取时极易被吸附进入冻胶纤维内部，势必会对纤维的超拉伸性产生一定影响。