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超高分子量聚乙烯纖維的表面處理方法匯總
    UHMWPE纖維的表面處理
    對(duì)UHMWPE纖維的表面進(jìn)行處理 ,按照處理方法的原理不同 ,可以分為物理改性和化學(xué)改性。而根據(jù)所使用的改性介質(zhì)的不同 ,又可以細(xì)分出很多種方法。在研究改性效果的時(shí)候要注意到 ,一種方法往往同時(shí)擁有物理改性和化學(xué)改性的特征。因此 ,在下面的論述中 ,按照具體的處理介質(zhì)進(jìn)行分類闡述。
3.1 等離子處理
     等離子處理分為低溫等離子處理和等離子接枝表面處理兩種。
所謂 U HMWPE 纖維低溫等離子表面處理就是將經(jīng)清潔處理的 U HMWPE 纖維置于等離子處理裝置的兩塊極板之間抽真空 ,在低于 40Pa 的環(huán)境下啟動(dòng)等離子發(fā)生裝置 ,對(duì)纖維進(jìn)行一定時(shí)間的低溫等離子處理 ,超高分子量聚乙烯然后取出纖維保存?zhèn)溆谩?br />      所謂 U HMWPE 纖維等離子接枝表面處理就是將經(jīng)清潔處理的 U HMWPE 纖維浸入單體溶液中 ,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后取出 ,置于低溫等離子裝置中進(jìn)一步處理 ,處理后的纖維表面產(chǎn)生活性點(diǎn) ,以引發(fā)單體在纖維表面接枝聚合。用丙酮洗去纖維表面的均聚物 ,儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?br />     通過(guò)等離子的紫外光輻射使纖維在紡絲過(guò)程中表面形成的弱結(jié)合層(WBL)進(jìn)一步交聯(lián) ,從而提高了 U HMWPE纖維表面的內(nèi)聚強(qiáng)度。另外 ,等離子處理后的纖維表面可以形成了多種活性基團(tuán) ,如: - C - O H - , -CO - , - COOH , - COO - 等這些活性基團(tuán) ,有利于纖維與基體樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)合。等離子處理還使纖維表面產(chǎn)生溝槽 ,表面粗糙度增加 ,有利于與基體的機(jī)械結(jié)合。經(jīng)過(guò)該方法處理后 U HMWPE 纖維作為復(fù)合材料的性能大大提高了 ,層間剪切強(qiáng)度提高了 3 倍以上。但是等離子表面處理后的UHMWPE纖維活性基團(tuán)的衰減率比較大 ,兩小時(shí)就衰減了三分之一。并且該處理方法需要較高真空 ,要求壓強(qiáng)小于 40Pa。因此UHMWPE纖維等離子表面處理難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)。
3. 2  電暈放電處理
     所謂 UHMWPE 纖維電暈放電表面處理就是將經(jīng)清潔處理后的 U HMWPE 纖維置于電暈處理裝置的兩極板之間常壓下加載60 KV 左右高壓 ,功率為 350W 左右 ,使空氣電離 ,產(chǎn)生電暈 ,處理一定時(shí)間后取出備用。
    電暈放電表面處理對(duì) U HMWPE 纖維表面產(chǎn)生刻蝕作用 ,增加了纖維與樹(shù)脂的接觸面積,在纖維表面的樹(shù)脂固化后 ,會(huì)形成力學(xué)嚙合作用。力學(xué)嚙合作用的大小與樹(shù)脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)程度、 樹(shù)脂與纖維的接觸面積都有很大關(guān)系 ,但是這種物理作用的強(qiáng)度大僅有 24 K J ?mol- 1。因此單純靠電暈放電方法來(lái)提高纖維和樹(shù)脂的界面粘合強(qiáng)度是有限的。見(jiàn)報(bào)道的只有將電暈放電處理用于工業(yè)處理聚烯烴薄膜。雖然目前 U HMWPE纖維的有些工業(yè)化商品是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的電暈放電處理,但是效果不是很明顯。并且電暈放電處理在很大程度上受到了作業(yè)間歇性的限制。因此電暈放電處理要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、 連續(xù)化還存在很大的難度。
3. 3  輻照引發(fā)表面接枝
     所謂 U HMWPE 纖維輻照引發(fā)表面接枝處理就是在纖維的表面上通過(guò)輻射引發(fā)第二單體而進(jìn)行接枝聚合 ,產(chǎn)生能夠與基體緊密結(jié)合的緩沖層 ,從而改善纖維與基體間的粘結(jié)性。通常輻射源為60C、 γ射線/紫外光等 ,其中紫外光引發(fā)接枝是先引發(fā)光敏劑 ,如二苯甲酮(BP) ,再由光敏劑引發(fā)單體接枝到UHMWPE纖維表面。目前所用的第二單體是丙烯類單體,如:丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸縮水甘油酯 ( GMA)等。
     UHMWPE 纖維紫外光引發(fā)交聯(lián)表面處理在理論上可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化進(jìn)行 ,而且只對(duì)極薄的表層有影響 ,因而具有工業(yè)應(yīng)用前景。但是由于纖維需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的輻照 ,所以間歇作業(yè)在很大程度上限制了它的應(yīng)用。
3. 4  氧化處理法
      所謂 U HMWPE 纖維氧化表面處理法就是通過(guò)化學(xué)試劑或氣體對(duì)纖維表面進(jìn)行氧化處理 ,從而改變纖維表面的粗糙程度和表面極性基團(tuán)的含量。根據(jù)氧化介質(zhì)不同可分為濕法和干法兩類。濕法也就是液相氧化 ,其常用介質(zhì)有: K2 Cr2O2 + H2 SO4 , KMnO4+ HNO3 , H2O2 (30 %)等;即將潔凈的 U H2MWPE纖維浸入介質(zhì)中 ,在指定的溫度下氧化處理規(guī)定時(shí)間后取出 ,水洗至中性;再用去離子水洗滌數(shù)次 ,烘干備用。干法為氣相氧化法 ,常用光氧化和臭氧氧化;即將潔凈的UHMWPE纖維經(jīng)過(guò)預(yù)處理后 ,暴露在介質(zhì)氣體中 ,反應(yīng)一定時(shí)間取出 ,經(jīng)過(guò)離子水清洗 ,烘干備用。
     液態(tài)氧化法比較溫和 ,易于控制 ,但操作繁瑣 ,對(duì)設(shè)備要求高 ,污染嚴(yán)重。氣相氧化法處理時(shí)設(shè)備簡(jiǎn)單 ,操作方便 ,易于連續(xù)化生產(chǎn) ,但氧化程度難以控制 ,有可能會(huì)造成氧化程度過(guò)深而造成纖維強(qiáng)度下降的現(xiàn)象?？傊?,氧化法表面處理要實(shí)現(xiàn)連續(xù)化 ,需要在操作方法以及設(shè)備方面作出一定的改進(jìn)。
3.5 化學(xué)交聯(lián)處理法
    化學(xué)交聯(lián)法是直接采用引發(fā)劑引發(fā)單體在纖維表面的接枝 ,與輻照引發(fā)接枝法相似 ,但是可以避免輻照接枝法在設(shè)備上的投入 ,此法工序簡(jiǎn)單 ,容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。
郎彥慶等采用過(guò)氧化物作引發(fā)劑 ,對(duì) UHMWPE纖維進(jìn)行硅烷交聯(lián)改性 ,研究發(fā)現(xiàn) ,經(jīng)過(guò)硅烷改性處理后 ,纖維表面接枝了硅烷分子 ,使得纖維表面的化學(xué)官能團(tuán)數(shù)量和極性增加 ,從而提高了纖維和基體樹(shù)脂間的粘結(jié)性能;接枝處理后 ,纖維的表面出現(xiàn)了更多的斑紋 ,因而增大了纖維與樹(shù)脂的機(jī)械互鎖作用 ,使得復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提高 ,是改性前復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的 2.45 倍。同時(shí)改性后纖維的抗蠕變性能也有所改善。
3.6 其它處理方法
    除等離子體處理、化學(xué)試劑氧化法、表面接枝法、電暈放電處理等方法以外,壓延法、涂層法等方法在一定程度上都可以提高 UHMWPE纖維與樹(shù)脂基體的粘結(jié)性能。
      壓延法是UHMWPE纖維經(jīng)一對(duì)壓輥?zhàn)饔煤?,由原來(lái)的圓形截面變成扁平狀,從而在復(fù)合中增加了接觸面積 ,粘合性能有一定的提高 ,但不是很明顯。涂層法是在 UHMWPE 纖維表面上涂上一層試劑。從超高分子量聚乙烯纖維工業(yè)化生產(chǎn)至今 ,還未能研究開(kāi)發(fā)出理想的試劑用作涂層。這種試劑應(yīng)是起偶聯(lián)劑的作用 ,提高UHMWPE纖維與基體的粘結(jié)性能。這些方法對(duì)提高 UHMWPE纖維與基體的層間粘合作用效果不明顯 ,故現(xiàn)階段對(duì)這些方法的改性研究不如前面介紹的方法多。
     由于目前所采用的方法 ,在提高纖維浸潤(rùn)性的同時(shí) ,均會(huì)不同程度降低了處理后纖維的力學(xué)性能 ,限制了纖維的應(yīng)用。有人提出了用復(fù)合處理的方法對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行處理 ,可以解決此問(wèn)題。王成忠等人對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行了鉻酸液相氧化和納米二氧化硅溶膠表面涂覆的復(fù)合化表面處理 ,并對(duì)UHMWPE纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行了界面性能研究。結(jié)果表明 ,單純的液相氧化和表面涂覆均可以提高復(fù)合材料的界面性能 ,但液相氧化處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使纖維強(qiáng)度降低 ,而復(fù)合化處理則具有協(xié)同效應(yīng) ,可以不降低纖維強(qiáng)度而大幅度提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度 ,是一種有效的表面處理方法。http://www.wxlpbxg.com

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