等離子體表面處理改性超高分子量聚乙烯纖維

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-01-05

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維也稱伸長鏈聚乙烯（ECPE）纖維或超高模聚乙烯（UHMPE）纖維，是繼碳纖維、芳綸纖維之后又開發(fā)研制生產(chǎn)的一種新型高性能纖維。UHMWPE纖維的相對分子量通常在150萬以上，其分子結(jié)構(gòu)為線型高度取向的伸直鏈，取向度接近100%，結(jié)晶度高達(dá)85-95%以上。上述優(yōu)異的超分子結(jié)構(gòu)賦予了超高分子量聚乙烯纖維低密度、高強度、高模量、耐腐蝕、耐沖擊等一系列優(yōu)良特性，使其成為比強度最高的有機高性能纖維。

UHMWPE纖維具有其它纖維無法比擬的優(yōu)越性，可用于制作軟質(zhì)防彈服、防刺衣、輕質(zhì)防彈頭盜、雷達(dá)罩、防彈裝甲、遠(yuǎn)洋船舶纜繩、航天航空零件等，已在國防、航空航天等高尖端領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其中部分應(yīng)用產(chǎn)品如圖1所示。然而，UHMWPE纖維是一種分子鏈僅由亞甲基組成的非極性材料，其表面能極低，難以與基體材料形成良好的界面結(jié)合，從而導(dǎo)致超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料在使用過程中發(fā)生層間破壞，纖維相與基體相易產(chǎn)生脫粘而分離。簡言之，超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點。目前，活性基團(tuán)的引入是超高分子量聚乙烯纖維表面改性的主要策略，可顯著改善纖維表面性能，使其與基體材料的界面結(jié)合能力提高，以及使復(fù)合材料的拉伸強度、沖擊強度、抗彎曲性能等一系列性能都得到有效的提高。

圖 1 超高分子量聚乙烯材料

超高分子量聚乙烯纖維表面光滑、非極性、無活性基團(tuán)，在界面處與基體材料粘接性較差，易出現(xiàn)纖維打滑脫落的情況，影響復(fù)合材料的性能。為了增強纖維與基體材料的界面作用，需要對纖維表面進(jìn)行改性處理。通過提高纖維與基體之間的化學(xué)結(jié)合力和物理結(jié)合力，均可增強纖維與基體之間的相互作用。提高化學(xué)結(jié)合力主要是通過在纖維表面引入活性基團(tuán)，使其可與基體之間生成化學(xué)鍵以及產(chǎn)生分子間作用力等而實現(xiàn)；提高物理結(jié)合力主要是通過纖維與基體之間機械互鎖來實現(xiàn)，即通過增加纖維表面凹槽或凸起，從而增大纖維在復(fù)合材料中脫粘的滑移阻力。因此，為了制備高性能的超高分子量聚乙烯纖維增強復(fù)合材料，可以通過等離子體處理的方法而實現(xiàn)，即在引入活性基團(tuán)的同時提高纖維表面粗糙度從而實現(xiàn)纖維界面粘結(jié)性能的提高。

等離子體處理

等離子體處理是一種由中性粒子與高能帶電粒子組成離子體的綜合改性技術(shù)。等離子體處理對材料的改性深度僅為100nm左右，對材料本體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生明顯破壞，有利于高性能纖維保持其優(yōu)異的力學(xué)性能。

等離子體改性纖維界面技術(shù)的實質(zhì)是利用等離子體裝置生成的高能活性粒子破壞纖維表面的C-C和C-H化學(xué)鍵，促使纖維表面分子鏈獲得自由基，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ɑ钚缘墓倌軋F(tuán)的過程（圖2）。為了有效實現(xiàn)纖維表面改性，等離子體產(chǎn)生的粒子能量應(yīng)高于UHMWPE纖維中化學(xué)鍵能。等離子清洗機可以產(chǎn)生非熱平衡高能粒子，其能量范圍為0-40eV，遠(yuǎn)高于UHMWPE纖維表面C-H鍵（3.2-4.7eV）和C-C鍵（2.6-5.2eV）的鍵能。從各粒子能量和化學(xué)鍵鍵能可以看出，等離子體高能粒子能將超高分子量聚乙烯纖維表面部分化學(xué)鍵擊斷并生成新鍵。此外，等離子體對纖維表面也會產(chǎn)生刻蝕作用，使纖維表面粗糙度增加，以此改善纖維的表面機械互鎖性能。

圖2 等離子體活性粒子與界面相互作用模型

一般等離子體氣氛為氧氣、氬氣、氦氣、氮氣或者幾種氣體按一定比例組合，其中氧氣作為產(chǎn)生介質(zhì)時，在材料表面產(chǎn)生的新基團(tuán)活性更高。其中氧氣等離子體處理超高分子量聚乙烯纖維機理為含氧高能粒子將超高分子量聚乙烯纖維表面的C-C和C-H化學(xué)鍵斷裂，并重新在纖維表面生成含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基和羰基等（圖3）。