[发明专利]一种提高超高分子量聚乙烯纤维表面粘接强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种合成纤维的表面处理改性领域，尤其涉及一种提高超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维表面粘接强度的方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维具有其他高性能纤维所无法比拟的优异的力学性能。超高的强度、超高模量、高能量吸收性、耐冲击、耐低温、电绝缘、优异的耐化学性、耐侯性、可透过X-射线及一定的防水性等多种优异性能，被广泛地应用于军事、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，如防弹防护材料、高强绳索、复合材料、运动器械。

但是，超高分子量聚乙烯纤维的分子链呈线性结构，没有苯环等极性官能团，分子间没有较强的分子间作用力(例如氢键)；纤维表面呈化学惰性，难以与树脂形成化学键合；而且，纤维的表面光滑，表面能较低。特别是纤维-树脂复合材料中，纤维与树脂基体之间不易产生较强的相互作用力，导致纤维与树脂基体的之间的粘接性较差，从而使UHMWPE纤维增强复合材料在使用过程中易发生脱胶、基体树脂开裂等现象，大大限制了UHMWPE纤维在复合材料特别是轻质结构材料领域的应用。因此，对纤维进行表面改性处理，实现UHMWPE纤维成形过程中与表面极化处理一体化的方法，提高其与树脂基体的粘接性能是一个重要研究课题。

提高UHMWPE纤维与树脂基体间的界面粘接强度，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或辐射接枝处理等方法进行表面改性，使UHMWPE纤维表面层活化，在非极性的纤维表面引入羧基、羰基、羟基等极性基团。

CN1035308A公开了一种提高UHMWPE纤维表面粘接性的方法，即对UHMWPE纤维表面进行等离子体处理。此方法可有效提高纤维对树脂基体的润湿性和表面粘接强度，但此处理方法需要较高的真空，稳定性较差，难以实现连续化工业化生产。

USP4870136公开了一种提高超高相对分子质量聚乙烯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，然后后将纺制的纤维在萃取剂和交联剂的介质中进行热拉伸，然后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纤维的力学性能也较差。

USP5039549和USP5755913，在等离子体、臭氧、电晕放电或紫外辐照下，将超高相对分子质量聚乙烯纤维表面接枝上一些含极性基团的单体，如丙烯酸、丙烯酸胺、丙烯腈等，可大大提高UHMWPE纤维的表面粘接性能，但该方法工序繁琐，接枝率低，难以掌握接枝处理的最佳工艺条件，工业化困难。

USP6172163也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，使纤维表面的无定型区发生溶解后重新结晶而在纤维表面形成一层“分子刷”。用这种方法处理的UHMWPE纤维与树脂复合后，纤维粘接性能得到了很大的提高。但该方法同样工序繁琐，工艺条件苛刻，且处理不当也会造成UHMWPE纤维力学性能的显著下降。

CN1693544A中，利用含极性基团聚合物的复合萃取剂对纺制的超高相对分子质量聚乙烯冻胶纤维进行萃取处理，可大大提高纤维的表面粘接性能，操作简单且不需要添加任何设备。该工艺采用有机硅烷小分子在萃取过程中对纤维进行改性，在纤维牵伸结晶过程中容易被挤出，粘接强度提高程度有限。

Silverstein M.S.等在“酸刻蚀的超高分子量聚乙烯纤维表面性能与粘结性之间的关系”(Composites Science and Technology，1993，48(1-4)，151-157)和吴越等人在“液态氧化法处理超高分子质量聚乙烯纤维”(功能高分子学报，1999，12(4)：427)中用铬酸等试剂处理UHMWPE，发现经铬酸处理后，UHMWPE的表面粘接性能得到较大的提高，但此法使纤维表面受到了腐蚀，导致纤维力学性能有较大的损失，对纤维强度影响较大。

贾广霞等人在“超高分子质量聚乙烯纤维粘接性的研究”(合成纤维工业，1995，(6)：24-28)探索了在纺丝原液中共混入一定比例的乙烯-醋酸乙烯的共聚物(EVA)，然后经过纺丝、拉伸可制得表面粘接性能得到改善的UHMWPE纤维，但纤维的强度下降较为明显。

发明内容