[发明专利]一种提高超高分子量聚乙烯纤维与基体树脂结合性的表面改性方法

说明书

本发明涉及高分子材料领域，公开了一种提高超高分子量聚乙烯纤维与基体树脂结合性的表面改性方法。本发明将等离子体技术与无机纳米粒子掺杂技术相结合对超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性。其中首先用等离子体对UHMWPE纤维表面进行活化，再与硅烷偶联剂反应在表面引入活性基团，之后再与经硅烷偶联剂处理的无机纳米粒子作用，在不影响UHMWPE纤维本身特性的同时又可使纤维表面的粗糙度大大增加，从而提高纤维与其他树脂基体复合使用时的界面粘结强度。

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，尤其涉及一种提高超高分子量聚乙烯纤维与基体树脂结合性的表面改性方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的一种具有高强度、高模量的高性能纤维。它以超高分子量聚乙烯为原料，可通过高压固态挤压法、增塑熔融纺丝法、表面结晶生长法、超拉伸或局部超拉伸法、凝胶纺丝-热拉伸法等工艺制备得到。UHMWPE的相对分子质量为100～600万，分子形状为线型伸直链结构，取向度接近100％，强度相当于优质钢材的15倍左右，比碳纤维高2倍，比芳纶高40％，还具有耐紫外线辐射、耐化学腐蚀、比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高、摩擦系数低及突出的抗冲击、抗切割等优异的性能。因此，UHMWPE纤维是制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盔、运钞车防弹装甲、直升机防弹装甲、轻质高压容器、航天航空结构件、渔网、赛艇、帆船等的理想材料。

但是，由于UHMWPE纤维本身是由非极性的亚甲基形成的线性长链，纤维分子间没有较强的分子间作用力，且纤维表面呈化学惰性，难以与树脂形成化学键合，而在生产中经高倍拉伸所产生的高度结晶和高度取向使得纤维表面非常光滑。所有这些因素的共同作用使纤维的表面能很小，与其他材料复合使用时难以形成良好的界面粘接，这大大限制了UHMWPE纤维在复合材料特别是轻质结构材料领域的应用。所以，对UHMWPE纤维进行表面改性就显得十分必要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种提高超高分子量聚乙烯纤维与基体树脂结合性的表面改性方法。本发明将等离子体技术与无机纳米粒子掺杂技术相结合对超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性。其中首先用等离子体对UHMWPE纤维表面进行活化，再与硅烷偶联剂反应在表面引入活性基团，之后再与经硅烷偶联剂处理的无机纳米粒子作用，在不影响UHMWPE纤维本身特性的同时又可使纤维表面的粗糙度大大增加，从而提高纤维与其他树脂基体复合使用时的界面粘结强度。

本发明的具体技术方案为：一种提高超高分子量聚乙烯纤维与基体树脂结合性的表面改性方法，包括如下步骤：

(1)将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维浸泡于乙醇中超声清洗，烘干。

此步骤主要为了清洗UHMWPE纤维上的杂质。

(2)对步骤(1)所得纤维进行等离子体处理，处理条件为：功率10～200W，气体通量0.5～5L/min，压强15～30Pa，处理时间为0.5～5min。

(3)将步骤(2)所得纤维浸渍于含有硅烷偶联剂的乙醇/水混合溶液中，反应1～5h后取出，于90-130℃下进行脱水缩合反应0.5～3h。

(4)将大粒径无机纳米粒子超声分散于水和无水乙醇的混合溶液中，再将所得分散液滴加到含有硅烷偶联剂的乙醇/水混合溶液中进行改性处理，得到大粒径无机纳米粒子改性液。

(5)将步骤(3)所得纤维添加至步骤(4)所得大粒径无机纳米粒子改性液中搅拌反应，反应后取出干燥。

(6)将小粒径无机纳米粒子超声分散于水和无水乙醇的混合溶液中，再将所得分散液滴加到含有硅烷偶联剂的乙醇/水混合溶液中进行改性处理，得到小粒径无机纳米粒子改性液。

(7)将步骤(5)所得纤维添加至步骤(6)所得小粒径无机纳米粒子改性液中搅拌反应，反应后取出干燥，获得表面改性的超高分子量聚乙烯纤维。