[发明专利]共辐照接枝技术生产改性超高分子量聚乙烯纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维表面改性技术，旨在提高超高分子量聚乙烯纤维表面粘接性能，属于聚合物表面改性领域。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维，它是20世纪70年代末研制成功并于80年代初进入产业化的一种高性能纤维，该种纤维具有高度取向的伸直链结构，密度只有0.97g/cm³，质量轻，化学稳定性好，具有很强的化学惰性，强酸、强碱溶液及有机溶剂对其强度没有任何影响；具有很好的耐候性，经1500h日晒后，纤维强度保持率仍然高达80％，耐紫外性能非常优越；耐低温性好，使用温度可以低至-150℃；另外，超高分子量聚乙烯纤维的耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能、抗切割性能也是现有高性能纤维中最强的。在安全、防护、航空、航天、国防装备、车辆制造、造船业、体育界发挥着举足轻重的作用。除此之外，超高分子量聚乙烯纤维在民用工业领域作为抗冲击、减震材料及高性能轻质复合材料也有着广阔的应用前景。但是，超高分子量聚乙烯纤维也存在一些待改进的缺点，如分子间没有较强的相互作用力(如氢键)，抗蠕变性差，分子链呈线性结构，没有苯环等极性官能团，导致其熔点较低，加工温度小于140℃，使用温度的敏感性较大等；特别是对超高分子量聚乙烯纤维复合材料而言，纤维由简单的亚甲基组成，使得纤维表面不仅没有任何反应活性点，难以与树脂形成化学键结合，而且亚甲基的非极性，加上高倍拉伸成形的高度结晶、高度取向的光滑表面，使其表面能极低，不易被树脂浸润，又无粗糙的表面以供形成机械啮合点，纤维分子与树脂分子间不易产生较强的相互作用力，导致纤维与树脂基体的粘接性较差，从而使纤维增强复合材料在使用过程中易发生脱胶、树脂基体开裂等现象，很大程度上限制了超高分子量聚乙烯纤维在复合材料特别是轻质结构材料领域的应用，因此对超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性处理，提高其与树脂基体的界面粘接强度，已成为复合材料科学研究的重要课题之一。

目前，提高超高分子量聚乙烯纤维与树脂基体间的界面粘接强度的方法，可以通过化学试剂氧化、等离子体处理、电晕放电处理、光氧化表面改性处理等方法进行表面改性，使超高分子量聚乙烯纤维惰性表面层活化，在非极性的纤维表面引入羟基、羧基等极性基团来实现，例如：

中国专利文献CN1035308A公开了一种提高超高分子量聚乙烯纤维表面粘接性的方法。它采用对超高分子量聚乙烯纤维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。但该方法设备条件要求高，工业化存在难度，且处理条件不当会导致纤维的力学性能下降。

以色列Silverstein等人在文章Composite Science Technology，1993，48：151～157和Journal of Materials Science，1993，28：4718～4724中报道，超高分子量聚乙烯纤维经过铬酸蚀刻后，纤维表面的氧含量逐渐增加。而且随处理时间的延长，纤维与环氧树脂的界面剪切强度出现先升后降的变化，处理4h后，界面剪切强度达到最大值。此方法对提高纤维的表面极性有帮助，但会损害超高分子量聚乙烯纤维的强度，降低其在复合材料中的使用价值，而且产生大量废液，对环境保护不利。

美国专利文献USP4870136公开了一种提高纤维表面粘接性能的方法，此方法先将一定比例的UHMWPE粉末、自由基引发剂、硅烷类化合物和稀释剂在螺杆机中熔融混合，进行增塑熔融纺丝，在纺丝阶段通过热引发完成UHMWPE的硅烷化接枝反应，然后将纺制的纤维在萃取剂和交联剂的介质中进行热拉伸，再在沸水中完成交联反应。该方法所得纤维表面的粘接性能得到改善，但由于其在UHMWPE纤维纺丝原液中加入了大量的引发剂和接枝化合物并在接枝反应完成后再进行拉伸，从而导致纤维拉伸倍数较低，所得UHMWPE纤维的力学性能较差。

美国专利文献USP6172163中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，使纤维表面无定形区发生溶解后重新结晶而在纤维表面形成一层“分子刷”。用此种方法处理的UHMWPE纤维与树脂复合后，纤维粘接性能得到很大的提高，但该方法工序繁琐，工艺条件苛刻，且处理不当也会造成UHMWPE纤维力学性能显著下降。