UHMWPE纤维

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高性能聚乙烯纤维属于新材料开发领域“高性能纤维材料及制品”专项。高性能聚乙烯纤维(UHMWPE)是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维，具有优良的力学性能。UHMWPE纤维和其他几种纤维的强度对比见表1。其密度只有芳纶纤维的2/3和高模碳纤维的1/2，还具有优良的耐冲击性能、优良的耐化学腐蚀性、优越的耐磨性能和良好的电绝缘性等优点。所以，UHMWPE纤维在航天航空、军事工业等重要部门得到了广泛的应用。
表1 几种高强纤维性能对比
        UHMWPE纤维
(SK66)        芳纶纤维
(HM)        碳纤维
(HM)        E玻纤
E-GF        尼龙66
(HT)
密度(g/cm3)        0.97        1.44        1.85        2.55        1.14
拉伸强度(GPa)        3.1        2.7        2.3        2.0        0.9
韧性(N/tex)        3.2        1.9        1.2        0.8        0.8
拉伸模量(GPa)        100        58        390        73        6
断裂伸长率(%)        3.5        3.7        1.5        2.0        20
但是,UHMWPE纤维
由于UHMWPE凝胶加工后表面有溶剂和低分子聚合物的残留，从而容易与树脂形成较弱的界面层，并且UHMWPE纤维轴向取向度高 (>95%)和结晶度高(>99%)，表面光滑，本身由简单的亚甲基组成，使得纤维表面没有任何反应活性点，不能与树脂形成化学键合，使其表面能低且不易被树脂润湿,又无粗糙的表面以供形成机械啮合点,这样就在很大程度上限制了其在树脂基复合材料中的应用。为了提高UHMWPE纤维表面活性，增强纤维和树脂之间界面的强度，需要研究UHMWPE纤维表面改性及其在复合材料中的应用，对UHMWPE纤维进行表面改性，以增加其在复合材料中的应用范围。
UHMWPE纤维表面处理分为物理处理和化学处理两种处理方法。物理处理方法主要依据高分子结晶的不完整性，如非结晶部分可溶于二甲苯，而结晶部分不溶于二甲苯，经二甲苯处理后可在UHMWPE纤维表面产生刻蚀，形成凸凹不平表面，增大纤维与树脂接触面积，提高纤维与树脂基体结合强度。化学处理主要利用强氧化剂对UHMWPE纤维进行处理，在其表面形成活性点或极性基团，增加UHMWPE纤维和树脂基体之间的粘接性。化学法处理常用的处理剂有铬酸、有机过氧化物、氯磺酸、硝酸、高锰酸钾、磷酸等。
目前用于UHMWPE纤维表面改性的研究方法主要包括电子辐射和γ射线辐射、等离子体表面处理、紫外光(UV)处理、表面氧化和刻蚀、表面接枝、本体共混改性等。由于射线辐射或等离子体处理等，需要高真空，所以很难实现连续化生产。表面氧化刻蚀或本体共混改性等往往会影响纤维的力学性能。等离子处理高性能聚乙烯纤维表面，常用的等离子体系有氦气、氮气、氧气、氩气、空气和氨等离子体。等离子处理有等离子焊接法和等离子紫外接枝法两种方法。等离子紫外接枝法是在进行等离子焊接处理后，用紫外灯辐照使之与丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、马来酸酐(MAH)、甲基丙烯酸环氧酯(GMA)引发接枝聚合。从接枝效果看，等离子紫外接枝法优于等离子焊接法，但等离子焊接法和处理过程简单。电晕处理法可提高UHMWPE纤维与环氧、聚酯和聚酰胺基体的粘接性能，方法是使纤维通过高频电场，电场频率为10-30kHz，按0.01-0.15Vmin/m2的剂量断续照射，总的照射剂量为0.5-3.0Vmin/m2。经过电晕法处理后纤维与环氧树脂的粘附性有了大幅度的提高，实际拉伸强度只是理论值的一半，原因在于进行表面处理时引起了聚乙烯纤维表面结构破坏，使得聚乙烯纤维本身的强度降低。辐射接枝处理、紫外线辐照处理、γ-射线辐射处理和电子束辐射处理、光氧化表面处理及光致交联处理等都可以较大地提高与环氧树脂等基体的粘接性，同时不使纤维的力学性能降低。但这些方法设备投资很高，工艺控制难度大，尚不能实现工业规模实施，主要用于实验室规模研究。