等离子体处理对UHMWPE纤维性能的影响

摘要： 针对超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）因纤维表面光滑，造成纤维与树脂基体间的界面黏结度低的缺点，采用等离子处理方法对UHMWPE纤维的表面进行改性。利用台式扫描电镜、红外光谱等探究改性前后UHMWPE纤维的性能，采用正交实验设计方法分析等离子处理纤维过程中影响纤维性能的因素，再利用纤维束抽拔法测试纤维束与树脂之间的黏结力。结果表明：采用等离子处理方法最佳处理时间为4min、舱内的压强为5Pa、处理的功率为110W;改性处理后，纤维表面的活性基团明显增多;改性后纤维表面明显有刻蚀作用，纤维表面接触角下降28.95%，纤维与树脂基体的黏结度提高约28.35%。

关键词： 等离子体处理法;UHMWPE纤维;力学性能;正交实验;黏结力;纤维束抽拔法

中图分类号： TS102.6;TQ342.92

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2019）01-0021-07

引用页码： 011104

UHMWPE纤维属于三大高性能纤维之一，各项性能都比较出众，如表1[1]所示。近年来由于超高的拉伸强度等优点，被广泛应用于缆绳、医学生物、防弹材料、体育运动器材等领域[2]。但是由于UHMWPE的分子鏈中不含极性基团，其表现出惰性，纤维表面非常的平滑，所以UHMWPE纤维跟树脂基体复合而成的复合材料中，UHMWPE纤维没有起到增强材料的作用[3]。

由于UHMWPE纤维这一缺点，许多学者都对UHMWPE纤维的改性做了大量工作[4-19]，常见的改性方法有三种：第一种是等离子体改性。刘晓巧等[20]采用低温等离子体处理法对UHMWPE纤维改性进行研究，并且通过正交实验设计方法分析并确定了等离子改性UHMWPE纤维的最佳工艺参数为压强50Pa、功率100W、时间180s;洪剑寒等[21]探讨了氧气等离子体处理法对UHMWPE纤维性能的影响，通过扫描电镜观察改性后的纤维表面形态并进行分析，得出氧气等离子增大了纤维表面能，即改善了UHMWPE纤维跟树脂基体的黏结牢度;HUANG Chiyuan等[22]使用氩等离子体处理UHMWPE纤维表面，功率4002W，时间502min，经过剥离实验和接触角实验发现，纤维与黏合剂的剥离强度从0.602kgf/in提高到4.602kgf/in，接触角从80°降到28°;LIU Hengjun等[23]利用氩（Ar）等离子体改性UHMWPE，目的是增加耐磨性。结果表明：与未改性UHMWPE相比，Ar等离子体处理的UHMWPE的润湿性和耐磨性得到了改善。这些改性手段都属于离子改性，可以发现等离子体改性可以有效改善UHMWPE纤维与树脂之间的黏结性，但是都没有具体测出纤维与树脂之间的黏结力，也未系统分析改性对纤维物理和化学性能的影响。第二种是化学改性。曹涛[24]、宋俊等[25]分别用铬酸对UHMWPE纤维来改性，通过分析改性后纤维的力学性能和观察纤维表面状态与改性时间、温度的关系，研究出最佳的改性工艺参数;S V Panin等[26]利用乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）和马来酸酐（SMA）对UHMWPE纤维进行化学改性，发现嵌段共聚物纳米复合材料的耐磨性接近非改性聚合物基纳米复合材料。化学改性的手段能提高纤维与树脂之间的黏结强度，但由于化学物质的强腐蚀性和毒性，往往会大幅度降低纤维自身的强力，而且化学改性不适用于连续工业生产。第三种是辐射接枝改性。WANG Lei等[27]为了增强UHMWPE纤维/橡胶复合材料的界面性能，先用臭氧预处理改性UHMWPE纤维，然后用紫外线（UV）嫁接。对改性后的纤维用XPS、FTIR、SEM和EDS等进行表征。结果表明：纤维与树脂间的黏结力提高了79%。杨宇平[28]利用另一种辐照技术对UHMWPE纤维处理，分析处理后的纤维，通过对纤维动态浸润性能测试方法证明了辐射接枝对UHMWPE纤维表面惰性的改善十分明显。骆玉祥等[29]研究紫外线辐射原理接枝处理UHMWPE纤维，对纤维一系列的实验测试得出复合材料的层间剪切强度提高到未改性的1～2倍。辐射接枝改性能有效改善UHMWPE的表面惰性，但是辐射接枝法较为繁琐，通常有前处理步骤，增加工业生产成本。

上述改性方法有等离子体法、化学试剂法、辐射接枝方法[30]，但是等离子改性没有系统地结合纤维的物理、化学性质来分析改性机理，其他改性方法较为困难繁琐，且会大幅度降低UHMWPE纤维自身强力，也没有提出方法来测量纤维与树脂之间的黏结力。所以，本文采用等离子处理方法对UHMWPE纤维的表面进行改性，对纤维自身的强力影响较小，通过正交实验设计方法对实验进行合理的设计，对纱线进行改性处理实验，通过台式扫描电镜、红外光谱等对改性后的纱线性能和表面形态分析对纤维性能的影响，判断出最佳的改性工艺参数，最后利用纤维束抽拔法对最佳改性工艺后的纤维与树脂进行黏结力测试。

1 实 验

1.1 仪器与材料

实验仪器与材料详细说明见表2。

1.2 方 法

1.2.1 正交实验设计方法及改性实验

正交实验设计方法来确定最佳的水平组合。采用L16（45）正交实验表，代表5个因素4个水平。

采用等离子体处理UHMWPE纤维。实验有三个因素，每个因素都有四个水平，所以采用了5因素4水平的正交实验表来进行改性实验，运用4因素4水平的正交实验来研究等离子处理纤维的时间、压力、功率对纤维改性表面状态和拉伸性能的影响及相互之间的关系。其中等离子处理时间4～10min，四水平为处理时间4、6、8、10min;舱内的压强5～20Pa，四水平分别为10、5、15、20Pa;处理的功率110～200W，四水平分别为200、170、140、110W。