超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料界面等离子改性研究进展

材料科技与工程实践 超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料界面改性的研究进展与等离子体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面处理技术 学  号：  2130382    姓  名：    戴 协      导师（签名）：          综 合 成 绩：          超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料界面改性的研究进展与等离子体表面处理技术 摘  要：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维增强复合材料的界面性能对复合材料的性能具有关键影响。本文介绍了提高其界面改性的研究进展，重点介绍了低温等离子体表面处理技术。另外，叙述了制备UHMWPE聚乙烯纤维增强复合材料的制备方法。总结了低温等离子体改性技术的优缺点与UHMWPE增强复合材料尚存的不足。 关键词：超高分子质量聚乙烯纤维；低温等离子体；表面改性；复合材料 The Research Progress in the Interface Modification of UHMWPE Fiber Reinforced Composites and Low-Temperature Plasma Surface Treatment Technology Abstract：The interfacial properties of UHMWPE fiber reinforced composites have crucial influence on the properties of prepared composites. This paper introduced the research progress in their interface modification technologies, especially the low-temperature plasma surface treatment technology. In addition, we presented several methods of preparing UHMWPE fiber reinforced composites briefly. We lastly concluded the advantages and disadvantages of low-temperature plasma surface treatment technology as well as the defects in the present studies of UHMWPE fiber reinforced composites. Key words：UHMWPE fiber；low-temperature plasma；surface modification；composites 1 前言 复合材料是一种多相材料，它是由有机高分子、无机非金属和金属等材料复合而成。复合材料的特点是它不仅能保持其原组分的部分特点，而且还具有原组分所不具备的性能。它可以通过选择设计使原组分的性能互相补充，以形成新的特色，这一点与普通混合材料有本质的区别[1]。 高分子复合材料（polymer composites），从狭义上来说是指高分子与另外不同组成、不同形状、不同性质的物质复合而成的多相材料，大致可分为结构复合材料和功能复合材料两种。广义上的高分子复合材料则还包含了高分子共混体系，统称为“高分子合金”。当分散相为金属/无机物时，则称为有机/无机高分子复合材料；而当分散相为异种高分子材料时，则称为高分子共混物。自然界中有大量的高分子复合材料的例子，如树木、蜂巢、燕窝等[2]。 在高分子复合材料中，不但填充材料和基体材料的本身性能对复合后的效果起着重要作用，而且两种或几种组分的高分子相界面的粘结性能对复合材料的整体性能和应用领域起着重要的作用。 2 课题研究历史 2.1 UHMWPE的应用与不足 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由凝胶或熔融纺丝经过高倍拉伸而形成的纤维[3, 4]，它是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维。它不仅是目前高性能纤维中,比模量、比强度最高的纤维，并且其具有耐磨损、耐弯曲、耐化学腐蚀、耐冲击、耐低温等优良特性等优点。同时，由于聚乙烯原料为石油化工的主要产品，成本较低，特别是熔体纺丝和原液纺丝技术的应用，更有望大大降低其生产成本。因此，高强聚乙烯纤维增强复合材料是一种在很多领域具有极强竞争力的品种。虽然由于高强聚乙烯纤维的软化点较低，在重荷下易产生蠕变，而限制了其在耐温及结构型复合材料领域中的应用，但其在防弹复合材料、抗高速冲击的复合材料、防爆炸用复合材料、海上用复合材料、生物医用复合材料、具有独特电性能的复合材料等领域仍具有广阔的应用前景[5]，特别是近年来随着成本较高的碳纤维复合材料在民用工业领域中应用的迅速增长，寻找和生产成本较低的高性能纤维作为碳纤维的代用品是一种必然趋势。高强聚乙烯纤维是很有潜力的竞争者之一[6]。 然而，由于高强聚乙烯纤维本身由简单的亚甲基组成，使得纤维表面不仅没有任何反应活性点，不能与树脂形成化学键合，而且亚甲基的非极性，加上高倍拉伸成形的高度结晶、高度取向的光滑表面, 使其表面能极低、不易被树脂润湿、又无粗糙的表面以供形成机械啮合点。这在很大程度上限制了UHMWPE纤维在复合材料中的应用[5, 7]。因此，高强聚乙烯纤维增强复合材料的界面粘合效果自然而然地是高强高模聚乙烯纤维增强复合材料生产过程中的关键问题。 2.2 提高UHMWPE与基体黏结性的方法 人们对聚乙烯纤维表面进行改性,就是为了清除或强化弱边界层,使得惰性表面层活化，从而来增加它的润湿性、粗糙性、机械咬合性及化学反应活性[8]。目前，聚乙烯纤维常用的改性方法有：化学浸湿法（化学氧化法和化学接枝法）、辐射-诱导接枝法、等离子体表面处理技术等。 Silverstein等人[9]采用铬酸氧化处理聚乙烯纤维时发现，延长纤维在浸蚀液中的暴露时间，不但其层间剪切强度将会有所下降,而且纤维本身的强度会过度下降；被氧化后纤维的破坏机理，由原纤剥离变成了脆性断裂，这可以表明纤维的浸蚀氧化时间、温度与黏结性能之间存在一个最佳平衡值。 Abdel-Bary E.M.等人[10]为改善UHMWPE纤维作为增强材料时，纤维与基体的粘附性能，对UHMWPE纤维用γ射线辐射改善了与聚丙烯腈的接枝性，接枝率则由辐射剂量和单体的浓度控制。用改性的纤维对氯丁胶进行增强，观察到材料的机械强度增加，这明显地取决于纤维在橡胶中的浓度，SEM图像显示了橡胶与接枝纤维的表面呈连续相。 3 课题研究现状 3.1 低温等离子体表面处理技术 低温等离子体表面改性在20世纪60年代开始发展。目前，广泛应用于冶金、化工、电子、医药及环境保护等诸多领域[11-15]。等离子体表面处理是在真空状态下，利用射频能量激活气体，将气体离解成电子、离子、自由基和一些亚稳态的激发种，这些自由基、电子等轰击纤维材料表面，使材料表面的分子共价键断裂，生成新自由基。被激活的材料表面能够快速与激发气体结合，同时，提供化学反应基团，从而提高材料表面的润湿性。 等离子体技术处理填料相对于其他表面处理技术具有作用力强，穿透力小，效率高，无污染，反应程度容易控制等特点，并且，没有溶剂参与，对材料本体性质没有影响等诸多优点。它被认为是继传统的偶联技术之后的又一新型表面改性技术[16-18]。