[發(fā)明專利]一種提高超高分子量聚乙烯纖維表面粘接強(qiáng)度的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910100906.X
• 申請(qǐng)日: 2009-08-06
• 公開（公告）號(hào): CN101988266A
• 公開（公告）日: 2011-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 烏學(xué)東;戴丹;顧群;嚴(yán)慶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
• 主分類號(hào): D06M15/227
• 分類號(hào): D06M15/227;D06M15/248;D06M101/20
• 代理公司: 寧波誠源專利事務(wù)所有限公司 33102
• 代理人: 袁忠衛(wèi)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于一種合成纖維的表面處理改性領(lǐng)域，尤其涉及一種提高超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維表面粘接強(qiáng)度的方法。

背景技術(shù)

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維具有其他高性能纖維所無法比擬的優(yōu)異的力學(xué)性能。超高的強(qiáng)度、超高模量、高能量吸收性、耐沖擊、耐低溫、電絕緣、優(yōu)異的耐化學(xué)性、耐侯性、可透過X-射線及一定的防水性等多種優(yōu)異性能，被廣泛地應(yīng)用于軍事、航天航海工程、高性能輕質(zhì)復(fù)合材料和高檔休閑體育用品等領(lǐng)域，如防彈防護(hù)材料、高強(qiáng)繩索、復(fù)合材料、運(yùn)動(dòng)器械。

但是，超高分子量聚乙烯纖維的分子鏈呈線性結(jié)構(gòu)，沒有苯環(huán)等極性官能團(tuán)，分子間沒有較強(qiáng)的分子間作用力(例如氫鍵)；纖維表面呈化學(xué)惰性，難以與樹脂形成化學(xué)鍵合；而且，纖維的表面光滑，表面能較低。特別是纖維-樹脂復(fù)合材料中，纖維與樹脂基體之間不易產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用力，導(dǎo)致纖維與樹脂基體的之間的粘接性較差，從而使UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在使用過程中易發(fā)生脫膠、基體樹脂開裂等現(xiàn)象，大大限制了UHMWPE纖維在復(fù)合材料特別是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，對(duì)纖維進(jìn)行表面改性處理，實(shí)現(xiàn)UHMWPE纖維成形過程中與表面極化處理一體化的方法，提高其與樹脂基體的粘接性能是一個(gè)重要研究課題。

提高UHMWPE纖維與樹脂基體間的界面粘接強(qiáng)度，可以通過化學(xué)試劑氧化、等離子體處理、電暈放電處理、光氧化表面改性處理或輻射接枝處理等方法進(jìn)行表面改性，使UHMWPE纖維表面層活化，在非極性的纖維表面引入羧基、羰基、羥基等極性基團(tuán)。

CN1035308A公開了一種提高UHMWPE纖維表面粘接性的方法，即對(duì)UHMWPE纖維表面進(jìn)行等離子體處理。此方法可有效提高纖維對(duì)樹脂基體的潤(rùn)濕性和表面粘接強(qiáng)度，但此處理方法需要較高的真空，穩(wěn)定性較差，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化工業(yè)化生產(chǎn)。

USP4870136公開了一種提高超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維表面粘接性能的方法。此方法先將一定比例的UHMWPE粉末、自由基引發(fā)劑、硅烷類化合物和稀釋劑在螺桿機(jī)中熔融混合，進(jìn)行增塑熔融紡絲，在紡絲階段通過熱引發(fā)完成UHMWPE的硅烷化接枝反應(yīng)，然后后將紡制的纖維在萃取劑和交聯(lián)劑的介質(zhì)中進(jìn)行熱拉伸，然后在沸水中完成交聯(lián)反應(yīng)。該方法所得纖維表面的粘接性能得到改善，但由于在UHMWPE纖維紡絲原液中加入了大量的引發(fā)劑和接枝化合物并在接枝反應(yīng)完成后再進(jìn)行拉伸，從而導(dǎo)致纖維拉伸倍數(shù)較低，所得UHMWPE纖維的力學(xué)性能也較差。

USP5039549和USP5755913，在等離子體、臭氧、電暈放電或紫外輻照下，將超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維表面接枝上一些含極性基團(tuán)的單體，如丙烯酸、丙烯酸胺、丙烯腈等，可大大提高UHMWPE纖維的表面粘接性能，但該方法工序繁瑣，接枝率低，難以掌握接枝處理的最佳工藝條件，工業(yè)化困難。

USP6172163也公開了一種提高纖維表面粘接性能的方法。此方法是利用聚乙烯的高結(jié)晶性能，采用純物理的方法，使纖維表面的無定型區(qū)發(fā)生溶解后重新結(jié)晶而在纖維表面形成一層“分子刷”。用這種方法處理的UHMWPE纖維與樹脂復(fù)合后，纖維粘接性能得到了很大的提高。但該方法同樣工序繁瑣，工藝條件苛刻，且處理不當(dāng)也會(huì)造成UHMWPE纖維力學(xué)性能的顯著下降。

CN1693544A中，利用含極性基團(tuán)聚合物的復(fù)合萃取劑對(duì)紡制的超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯凍膠纖維進(jìn)行萃取處理，可大大提高纖維的表面粘接性能，操作簡(jiǎn)單且不需要添加任何設(shè)備。該工藝采用有機(jī)硅烷小分子在萃取過程中對(duì)纖維進(jìn)行改性，在纖維牽伸結(jié)晶過程中容易被擠出，粘接強(qiáng)度提高程度有限。

Silverstein?M.S.等在“酸刻蝕的超高分子量聚乙烯纖維表面性能與粘結(jié)性之間的關(guān)系”(Composites?Science?and?Technology，1993，48(1-4)，151-157)和吳越等人在“液態(tài)氧化法處理超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維”(功能高分子學(xué)報(bào)，1999，12(4)：427)中用鉻酸等試劑處理UHMWPE，發(fā)現(xiàn)經(jīng)鉻酸處理后，UHMWPE的表面粘接性能得到較大的提高，但此法使纖維表面受到了腐蝕，導(dǎo)致纖維力學(xué)性能有較大的損失，對(duì)纖維強(qiáng)度影響較大。

賈廣霞等人在“超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維粘接性的研究”(合成纖維工業(yè)，1995，(6)：24-28)探索了在紡絲原液中共混入一定比例的乙烯-醋酸乙烯的共聚物(EVA)，然后經(jīng)過紡絲、拉伸可制得表面粘接性能得到改善的UHMWPE纖維，但纖維的強(qiáng)度下降較為明顯。

發(fā)明內(nèi)容