UHMWPE纤维的表面改性及其在网式阻车器中的应用

本文简要介绍了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的性能,总结了超高分子量聚乙烯纤维等离子处理法、氧化处理法、电晕放电处理法、辐射引发表面接枝处理等多种表面处理方法,讨论了这些表面处理方法对纤维增强复合材料粘结性能和本体力学性能的影响,分析了这些方法的处理效果、处理工艺等对实现连续化、工业化可行性的影响,并介绍了由UHMWPE纤维为原料制成的特种纤维网片在网式阻车器这个反恐领域的特殊应用。     

超高相对分子质量聚乙烯纤维的低温等离子体处理

利用低温等离子体技术对超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维进行表面改性,用单因素试验和正交试验对改性后的UHMWPE纤维的静摩擦因数和断裂强力进行测试与分析,最终确定最优的等离子体改性工艺为压强50 Pa、功率100 W、时间180 s。对处理前后的UHMWPE纤维的毛细效应、表面形貌、红外光谱进行了测试和对比,结果发现:改性后的UHMWPE纤维的吸水性能明显增强,纤维表面变得凹凸不平,粗糙度和比表面积增大,纤维表面起伏数量增多,幅度变大,且出现了新的含氧官能团,有利于提高UHMWPE纤维表面的黏结性。     

低温等离子体技术在超高相对分子质量聚乙烯纤维表面改性中的应用

介绍了低温等离子体的概念、分类及其在超高相对分子质量聚乙烯纤维(UHMWP E)表面改性方面的特点;阐述了国内外在低温等离子体对UHMWPE纤维表面改性前后纤维本身及其复合材料性能的影响情况;简介了用自行研制的低温等离子体设备对UHMWPE纤维进行表面改性的研究结果和低温等离子体处理UHMWPE纤维表面改性的发展前景。实验表明,UHMWPE纤维经过等离子体处理后表面产生刻蚀和交联,其与树脂间的粘结性能改善;该低温等离子体设备能满足UHMWPE纤维表面改性连续化生产需要。     

低温等离子体处理UHMWPE纤维表面性能的多指标优化

利用正交表安排试验,对超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维进行空气低温等离子体处理,测试各处理条件下UHMWPE纤维的力学和表面摩擦性能;采用矩阵分析法对多指标正交试验结果进行优化分析,找出最优方案并进行黏着性试验验证。结果表明:经空气低温等离子体处理后,UHMWPE纤维的断裂强度有所减小,表面静、动摩擦因数有较大幅度的提高;处理纤维的最优方案为功率50 W、压强15 Pa、时间150 s,此时纤维的断裂强度损失率仅为2.53%,剥离功为未处理时的4.25倍,说明由矩阵分析法得出的最优方案在保证纤维断裂强度损失很小的情况下,黏着性得到了很大程度的改善。     

UHMWPE纤维高强度绳索的研究

研究了纤维捻度、粘结剂对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维力学性能的影响及浸胶UHMWPE纤维表面的耐磨性能。UHMWPE纤维的断裂强力随着纤维捻度的增加而下降；纤维表面浸胶处理后断裂强力提高，当UH—MWPE纤维中改性氯丁胶或聚氨酯粘结剂的合量为6％时，其断裂强力增加17．2％或13．9％。经聚氨酯粘结剂处理的UHMWPE纤维表面的耐磨性能最好。     

等离子体处理超高相对分子质量聚乙烯纤维

介绍了等离子体气体种类和处理参数对超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维表面性能的影响,阐述了等离子体处理UHMWPE纤维的表征方法,包括黏结性和表面基团变化的表征,探究了等离子体改善纤维表面性能的机制,概括了对等离子体处理时效性和连续性问题的研究。     

UHMWPE纤维的表面处理技术进展

详细介绍了超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维的表面改性方法、改性原理及改性效果,并提出了UHMWPE纤维的表面处理技术的新进展及展望。UHMWPE纤维的表面改性方法主要有氧化处理法、化学交联法、电晕放电法、辐照引发表面接枝法、等离子体处理法等;目前,电晕放电法已经应用于工业化生产,其他方法难以实现工业化;今后,硅烷偶联剂化学交联法有较好的工业化应用前景,采用两种或多种方法并用对UHMWPE纤维进行表面改性将会得到较好的发展。     

浅谈超高分子量聚乙烯纤维的表面处理

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是一种性能优异的高性能纤维,但由于其表面自身特点,限制了它的应用,所以通常对其表面进行处理,以提高与树脂的界面结合力。作者介绍了几种用于UHMWPE纤维表面处理的方法,如等离子处理法。     

偶联剂改性UHMWPE纤维表面性能的研究

选用硅烷偶联剂KH-550,KH-560和钛酸酯偶联剂NDZ-201作为表面改性剂,对超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)冻胶纤维在萃取阶段进行表面处理,经干燥、超拉伸制得表面改性UHMWPE纤维。采用红外光谱仪、接触角测量仪测定了纤维的表面化学结构和表面润湿性能,采用单纤维树脂包埋-拔出法测定了纤维与树脂基体的界面剪切强度,比较了改性前后纤维的力学性能变化。结果表明:改性后纤维表面引入了极性基团,硅烷偶联剂KH-550对UHMWPE纤维的表面改性效果最好。采用质量分数为1%的硅烷偶联剂KH-550溶液处理后,纤维与环氧树脂间的界面剪切强度提高了87.8%,纤维的断裂强度和模量分别提高了6.9%和32.6%。     

低温等离子体改性UHMWPE纤维的表面性能

采用空气低温等离子体改善超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)短纤维的黏着性,设计正交试验对改性后纤维的黏着性进行测试与分析,确定出较优试验方案;然后对未处理和经较优方案改性后的UHMWPE短纤维的表面形貌、表面化学成分、表面润湿性和强伸性进行测试分析。结果表明:空气低温等离子体改性UHMWPE短纤维黏着性的较优处理条件为功率50 W、压强15 Pa、反应时间120 s,此时,纤维的剥离功是未处理的4.14倍,黏着性得到了大幅度的提升,且单纤维强力损失率仅为3.29%;经较优方案处理后,纤维表面的粗糙程度有所增加,表面润湿性有明显改善,纤维表面的C元素含量明显减少,O、N元素含量有所增加,且出现了相对含量为22.2%的C=O官能团,有利于UHMWPE短纤维黏着性的改善。     

Effect of surface oxygen content and roughness on interfacial adhesion in carbon fiber–polycarbonate composites

The effect of surface chemistry and rugosity on the interfacial adhesion between Bisphenol-A Polycarbonate and a carbon fiber surface subjected to surface treatment to add surface oxygen groups was investigated. The surface oxygen content of PAN based intermediate modulus IM7 carbon fibers was varied by an oxidative surface treatment. The oxygen content of the carbon fiber surface increased from 4 to 22% by changing the degree of surface treatment from 0 to 400% of nominal commercial surface treatment levels. The oxidative surface treatment also causes an increase in surface roughness by creating pores and fissures in the surface by removing carbon from the regions between the graphite crystallites. To decouple the effects of surface roughness and the surface oxides on the interfacial adhesion, the oxidized fiber surface was passivated via hydrogenation at elevated temperature. Thermal hydrogenation removes the oxides on the surface without significantly altering the surface topography. The results of interfacial adhesion tests indicate that an increase in the oxygen content of the fiber does not increase the fiber-matrix interfacial adhesion significantly. Comparing adhesion results between oxidized and hydrogen passivated fibers shows that the effect of the surface roughness on the interfacial adhesion is also insignificant. Overall, dispersive interactions alone appear to be the primary factor in adhesion of carbon fibers to thermoplastic matrices in composites.     

常压等离子体处理芳砜纶的结构与性能研究

分别采用氦气和氦气/氧气对芳砜纶进行常压等离子体处理。采用滴水吸收实验测定处理前后纤维表面的润湿性,利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪分析处理前后纤维表面形态和化学成分的变化。结果表明:经常压等离子体处理后芳砜纶表面粗糙度增加,纤维表面碳元素含量下降,羟基、羧基等含氧或氮的极性基团增加,芳砜纶纱线的润湿性能提高,纱线强度没有明显变化,氦气/氧气等离子体处理比氦气等离子体处理效果更好。     

常压等离子射流表面改性超高模量聚乙烯纤维

利用常压等离子射流(APPJ)方法对超高模量聚乙烯(UHMPE)纤维进行表面改性处理。研究了处理前后UHMPE纤维的力学性能、表面形貌、化学成分、表面粘结性能的变化。结果表明,常压等离子射流处理后,UHMPE纤维的强度未发生显著变化,纤维表面粗糙度增加,表面氧元素的含量增加,表面极性基团增加,纤维与环氧树脂之间的粘结性能得到显著的改善。     

常压等离子体改善高性能纤维粘结性的研究

以氦气为载气,氧气为反应气体,对高强度聚乙烯和Twaron 1000芳纶两种高性能纤维进行常压等离子体处理,来改善纤维的粘结性能;采用单纤维抽拔实验测定等离子体处理前后纤维与环氧树脂之间的界面剪切力;利用原子力显微镜和X射线光电子能谱仪分析等离子体处理前后纤维表面形态和化学成分的变化。结果表明:高强度聚乙烯纤维和芳纶经常压等离子体处理后,纤维表面粗糙度增加,纤维表面碳元素含量下降,羟基、羧基等含氧或氮的极性基团增加,纤维粘结性能得到提高,但其强度无明显变化。     

高能辐照对国产芳纶纤维/环氧复合材料界面性能影响

芳纶纤维因其表面惰性、光滑使其与树脂浸润性差,界面结合强度低。以环氧氯丙烷为介质1,采用60Coγ-射线辐照方法对国产芳纶纤维进行表面改性,以界面剪切强度（IFSS）和层间剪切强度（ILSS）表征芳纶/环氧复合材料界面结合性能。结果表明在400kGy辐照剂量下改性效果最好;经高能辐照处理的芳纶纤维表面能升高,并失去了原有的光滑表面,且纤维表面氧含量有大幅度提高,使得纤维表面活性增大。     

碳纤维表面氨化处理对环氧树脂在其表面浸润性的影响

分别用氧化方法和氨化方法对碳纤维进行表面处理,采用XPS研究不同处理方法对碳纤维表面元素组成以及官能团的影响。结果表明经过氧化处理后,碳纤维表面的氧含量明显增加,表面有较高的m(O+N)/m(C)比;氨化处理后,碳纤维表面的氮元素明显增加,氧含量减少,并且增加的氮元素主要以氨基的形式存在。采用接触角测试中的插入法和液滴法分别研究碳纤维处理后在水和环氧树脂中的接触角变化。结果表明,经过氧化和氨化方法处理后碳纤维与环氧树脂的接触角降低。氧化与氨化相比,氨化处理后碳纤维与环氧树脂之间有较低的接触角,表明在碳纤维表面增加氨基官能团能显著改善碳纤维和环氧树脂之间的浸润性能。     

表面处理芳纶纤维在丁羟橡胶中的应用

为改进芳纶纤维的表面光滑、化学惰性强、与橡胶黏结性能差等缺点,用硅烷偶联剂KH-550对其表面进行改性处理.用电子能谱仪(ESCA)和扫描电镜(SEM)对改性后的纤维和丁羟橡胶表面进行了测试,结果表明:C元素的含量明显下降,N和O元素的含量提高,纤维表面活性提高.制得芳纤/丁羟橡胶复合材料的拉伸强度由未处理的2.58 MPa提高到处理后的3.22 MPa.处理后,由SEM得到芳纶纤维丁羟橡胶复合材料表面的丁羟橡胶量增加.在KH-550的质量分数为5%、处理时间为5 h的条件下,芳纶纤维的处理效果最佳.     

碳纤维热氧化行为及其机理

对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行热氧化处理,借助扫描电子显微镜、X射线光电子能谱,拉曼光谱等手段表征了PAN基碳纤维的热氧化行为,研究了其热氧化机理。结果表明:热氧化使PAN基碳纤维表面氧元素含量大幅升高,碳含量下降,氧以C—OH或C—O—C基团的形式吸附到表面、在550℃左右以C=O基团大量分解的形式腐蚀纤维,破坏纤维形貌;同时热氧化腐蚀纤维中的非石墨碳,使得有序的石墨结构向非石墨无序结构转变,破坏碳纤维的晶体结构。     

Kevlar 49纤维与芳纶Ⅲ的结构与性能研究

借助傅立叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪和强力拉伸仪分析研究了Kevlar 49和芳纶Ⅲ的化学结构、表面特征及力学性能。结果表明:芳纶Ⅲ的红外谱图上多出了苯并咪唑环的吸收峰;芳纶Ⅲ的表面较粗糙,Kevlar 49表面较光滑,芳纶Ⅲ和Kevlar 49纤维表面的碳、氧元素均比化学式计算值有所增加,但氮元素含量下降;芳纶Ⅲ表面的极性基团种类比Kevlar 49多。芳纶Ⅲ的单纤维拉伸强度是Kevlar 49的1.5倍,断裂伸长率比Kevlar49提高了45%～65%;2种纤维的断裂方式均为劈裂断裂,具有皮芯结构,但芳纶Ⅲ分子间的作用力比Kevlar49纤维强。     

Effect of grafting alkoxysilane on the surface properties of Kevlar fiber

This research applied the methodology of metalation and grafting alkoxysilane to modify the surface of Kevlar‐29 fiber. The surface properties of the modified Kevlar fiber were characterized by scanning electron microscopy, X‐ray photoelectron spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, atomic force microscopy, and Brunauer‐Emmett‐Teller isothermal adsorption analysis. The relationship between surface characteristics of Kevlar fiber and its interfacial adhesion of Kevlar fiber‐reinforced epoxy resin composites was also discussed. Compared with the untreated fiber, the surface of the modified Kevlar fiber was much rougher, its oxygen content increased by about 12%, the surface area enlarged about 10 times, and the wetting behavior improved. Due to the modification of the fiber, the adhesion between the fiber and the resin matrix was markedly improved and the Interlaminar Shear Strength of its epoxy composites increased by about 57%. POLYM. COMPOS. 28:412–416, 2007. © 2007 Society of Plastics Engineers.