[发明专利]等离子体处理纳米溶胶超高分子量聚乙烯纤维改性的方法

说明书

技术领域

本发明属超高分子量聚乙烯纤维表面改性的制备领域，特别是涉及一种等离子体处理 纳米溶胶超高分子量聚乙烯纤维改性的方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的一种高性能纤 维。它是以超高分子量聚乙烯为原料，经过高压固态挤压法、增塑熔融纺丝法、表面结晶 生长法、超拉伸或局部超拉伸法、凝胶纺丝-热拉伸法等工艺制备的，一种具有高强度、 高模量的高性能纤维。它的相对分子质量为100万～600万，分子形状为线型伸直链结构， 取向度接近100％，强度相当于优质钢材的15倍左右，比碳纤维高2倍，比芳纶高40％，密 度为0.97g/cm3，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。因此，UHMWPE纤维是制 作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔、运钞车防弹装甲、直升机防弹装甲、轻质高压容 器、航天航空结构件、渔网、赛艇、帆船、滑雪撬等的理想材料。但是，由于UHMWPE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 向而导致的光滑表面。所有这些因素的共同作用使纤维的表面能很小，用作复合材料的增 强材料时难以与基体树脂形成良好的界面粘接。

提高UHMWPE纤维与树脂基体间的界面粘接强度，可以通过表面涂覆法、化学试剂浸 蚀、等离子体处理改性、电晕放电处理、光氧化表面改性处理、辐射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。以及低温等离子处理法等。其中低温等离子处理法由于其高效迅速，对材料基本性 能不造成损伤以及环境友好，受到广泛的关注。

中国专利CN 1431358A同时提高高强聚乙烯纤维耐热、抗蠕变和粘接性的方法利用光 敏剂和交联剂组成的有机溶液浸渍聚乙烯纤维，然后再将纤维进行紫外光辐照交联；专利 Int.ClD0lMI5/00(2006.01)提出用本征导电聚合物单体吡咯或噻吩在真空中处理浸泡 过有机磺酸铁盐的超高分子量聚乙烯纤维获得纤维表面改性。

中国专利文献CNl035308A公开了一种提高UHMWPE纤维表面粘接性的方法。它采用 UHMWPE纤维表面进行等离子体处理的方法。此方法可有效提高纤维对树脂基体的浸润性和 表面粘接强度。但该法设备条件要求高，工业化难度较大，且处理不当会使纤维力学性能 显著下降。

SilVerstein M.S.等用铬酸试剂处理UHMWPE纤维的表面改性方法，粘接性能提高 了6倍。但该方法使纤维表面受到了腐蚀，对纤维强度影响较大。

美国专利文献USP6 172 163也公开了一种提高纤维表面粘接性能的方法。此方法是 利用聚乙烯的高结晶性能，采用纯物理的方法，使纤维表面的无定型区发生溶解后重新结 晶而在纤维表面形成一层“分子刷”。用这种方法处理的UHMWPE纤维与树脂复合后，纤维 粘接性能得到了很大的提高。但该方法同样工序繁琐，工艺条件苛刻，且处理不当也会造 成UHMWPE纤维力学性能的显著下降。

中国专利文献CNl693544A公开了一种提高UHMWPE纤维表面粘接性的方法。此方法是 将极性聚合物溶解在UHMWPE冻胶纤维的常规萃取剂中，制成复合萃取剂，再将UHMWPE冻 胶纤维在复合萃取剂中萃取，然后经拉伸等后工序处理制成粘接性能有较大提高的UHMWPE 纤维。该方法虽能较好的保持UHMWPE纤维的原有强度，但纤维粘接强度提高程度有限， 没有达到理想和实用的目标。

美国专利文献LJSP5039549和USP5755913公开的方法是在等离子体、臭氧、电晕放 电或紫外辐照下，将UHMWPE纤维表面接枝上一些含极性基团单体(如丙烯酸、丙烯酰胺、 丙烯腈等)的表面改性方法，可大大提高UHMWPE纤维的表面粘接性能，但该方法工序繁琐， 且接枝处理的最佳工艺条件难以掌握，工业化前景渺茫。