超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维表面改性

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维改性

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种性能优良的线性热塑性塑料。该塑料是由分子量为200万-100万的乙烯单体在催化剂作用下，配位聚合而成的无支链线性聚合物。由于其优异的力学性能、较低的密度、耐磨擦性、自润滑性、高耐化学性能、优异的生物相容性以及较高冲击韧性，使其在生物医疗、纺织、军事以及航空航天领域得到广泛应用。

作为最主要的产品之一，UHMWPE纤维具有较高的强度重量比、良好的韧性及耐化学性和耐磨性，被广泛用于军事装备和体育器材等领域。

影响UHMWPE 纤维复合材料的性能主要为纤维与聚合物基体的结合力，而结合力同时受纤维与基体分子界面相互作用和分子界面结构的影响。 由于缺乏极性官能团、表面自由能较低，纤维与基体的结合力较差，UHMWPE 纤维的应用范围受到极大限制。因此，对UHMWPE的表面改性具有重要的研究意义。 [1]

活动流程

改性思路

UHMWPE表面黏附性差的原因是因为其制作过程中出现的富氧边界导致。 因此，需要表面改性以消除这种富氧边界。对纤维的表面改性主要分为“湿法”与“干法”两大类：湿法包括化学酸蚀、涂层及化学接枝；干法包括等离子体和电子束辐照等。

下面介绍几种当前较为成熟的UHMWPE纤维表面改性方法。

化学氧化处理法

化学氧化处理法主要 通过强氧化剂的强氧化作用去除UHMWPE 纤维表面的弱界面层，使UHMWPE 纤维的表面粗糙度得到提升。经过氧化处理的UHMWPE 纤维易与基体形成物理啮合结构。化学氧化处理法常用的氧化剂为: 铬酸、K 2Cr 2O 7溶液、KMnO 4溶液等，需要控制氧化剂浓度、处理时间和温度等。

图1.未改性及液相氧化UHMWPE纤维的SEM照片

图2.用未改性和液相氧化UHMWPE纤维增韧的EP复合材料的拉伸强度

图3.用未改性和液相氧化UHMWPE纤维增韧的EP复合材料的冲击强度

图4.用未改性和液相氧化UHMWPE纤维增韧的EP复合材料的弯曲强度 [2]

涂层改性法/

辐射-诱导接枝处理法

涂层改性法是一种应用广泛的改性手法， 通过物理附着或在纤维表面自聚合或者沉积出薄膜层，以改善原表面不良的接触性能。近年来，涂层改性的研究成果丰富，已然成为当今学者的研究焦点。

辐射-诱导接枝处理法首先是 对UHMWPE 纤维表面进行辐照，再通过聚合反应接枝其它单体，形成一层化学性质不同的界面膜包覆在UHMWPE 纤维表面。

等离子体法

等离子体作为清洁高效的改性技术，在赋予材料表面优异的性能的同时不改变材料基体的整体性质。等离子体是一种特定条件下电离的气体物质，被称为物质的第四形态。 由于等离子体改性技术拥有较高的能量密度，其能够引发常规条件下难以引发的物理化学反应过程。同时改性只发生在表面层，材料内部结构依旧保持原有性能。虽然等离子体改性有所需设备即成本限制，且改性结果具有一定时效性等缺点，但其拥有照射时间短、改性效率高且无副产品产生、环保无污染等众多优点，使其在高分子表面改性领域拥有广阔的应用前景。

等离子体法同样能够去除UHMWPE 纤维表面的弱边界层。采用该方法处理后的UHMWPE 纤维能与基体较好地粘接，交联深度可以达到30 nm。其中，采用氧气气氛处理UHMWPE 纤维还可以使纤维表面产生化学键，进一步增强纤维与基体间的粘接强度。 [3]

参考文献

[1] 余大荣,辛勇.超高分子量聚乙烯改性研究进展[J].中国塑料,2022,36(08):135-145.

[2] 李瑞培,李微微,孟立,李春阳.超高分子量聚乙烯纤维的液相氧化改性及其环氧树脂基复合材料的力学和摩擦性能[J].材料导报,2016,30(04):41-46.

[3] 周秀琪,汪杰,方庆忠.超高分子量聚乙烯制品的改性进展[J].塑料,2021,50(03):88-92.

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