[发明专利]一种单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料制备方法

说明书

本发明公开了一种新的单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料制备方法。本发明以超高分子量聚乙烯纤维为原料，单宁酸‑Nacl‑Tris混合溶液为改性剂。通过将超高分子量聚乙烯纤维在单宁酸‑Nacl‑Tris溶液中浸泡，通过螯合作用将单宁酸和Na⁺反应，形成TA‑Na⁺；再通过静电力、共价键和非共价键作用，使其在超高分子量聚乙烯纤维表面形成涂层，经过单宁酸涂覆以后，超高分子量聚乙烯纤维与树脂基体的粘结能力提高，所得到复合材料力学性能增强。本发明的原料来源丰富、制备方法简单环保，在树脂基复合材料方面将具有广阔的应用前景。

【技术领域】：本发明属于纤维/树脂复合材料技术领域，具体涉及一种单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料制备方法。

【背景技术】：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是二十世纪八十年代初研制成功的，继碳纤维和芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维。是目前世界上比强度和比模量最高的纤维。其具有一系列优异的性能，如：高比强度，高比模量，比强度是同等截面钢丝的十多倍，比模量仅次于特级碳纤维。断裂伸长低、断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，因而具有突出的抗冲击性和抗切割性。纤维密度低，密度是0.97-0.98g/cm³，可浮于水面。抗紫外线辐射，防中子和γ射线，比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高。耐磨、耐化学腐蚀、有较长的挠曲寿命。UHMWPE纤维能够被应用于军事、航天航海工程、高性能轻质复合材料和高档休闲体育用品等领域。但是由于UHMWPE纤维表面无极性基团，无化学活性，表面能低，非极性物质难以浸润，熔点低等缺点，从而限制了其应用。尤其是在增强树脂基复合材料方面，其与树脂基体之间的粘结性能较差，造成抗冲击性能低，导致复合材料在使用过程中出现纤维与树脂基体发生脱胶和树脂基体开裂等问题。

为了改善UHMWPE纤维表面活性低以及与树脂基体之间粘接性能差等缺点，国内外学者做了大量的研究工作。UHMWPE纤维的改性主要是对纤维表面进行处理，常见的表面改性方法有：化学氧化处理、等离子体处理、辐照接枝处理和电晕放电处理等。

1.化学氧化处理

化学氧化处理是指使用强氧化剂对UHMWPE纤维表面进行处理，利用强氧化作用除掉纤维表面的弱界面层，使纤维表面产生凹凸不平的形貌，从而加大了纤维的粗糙度及比表面积，不仅为纤维与树脂基体结合提供物理啮合点，而且氧化作用能够在纤维表面引入羰基和羧基等含氧极性基团表面改性。该方法可以有效改善纤维与树脂之间的粘接性能。常用的氧化剂有：K₂Cr₂O₇溶液、铬酸、双氧水和KMnO₄溶液等。

2.等离子体处理

目前等离子体法是对UHMWPE纤维改性最有效的方法之一，纤维经等离子体照射过后与树脂基体形成很好的结合能力，可以达到30nm的交联深度，在氧气气氛下经过等离子处理后可以产生部分化学键的作用。在等离子体处理过程中，纤维表面的弱边界层被去除，这有助于提高纤维与树脂之间的粘结性。因为等离子体处理只是对UHMWPE纤维表面几个分子的深度产生影响，而不会损伤到其内部结构，因此纤维的强度损伤较小。袁超廷等采用等离子体处理法，在氧气气氛条件下对UHMWPE纤维进行表面处理，并将改性前后的纤维与环氧树脂基体进行复合来测试两者间的粘结性。实验结果表明未改性的纤维从环氧树脂中拔出后，纤维与环氧树脂分层明显，没有树脂基体在纤维表层，也没有纤维残留在树脂基体上。而经过等离子体改性后的纤维从树脂基体中拔出后，不仅在纤维内部发现粘附的树脂并且在树脂中也发现有纤维脱层，说明经等离子体改性后纤维与环氧树脂基体结合时相互渗入，从而增加了两者之间的粘结强度。

3.辐射-诱导接枝处理