CN104278511A - 一种超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法 - Google Patents

一种超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法 Download PDF

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陈忠仁
李微微
李春阳
徐文静
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Abstract

一种超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法，将重络酸钾、水及浓硫酸按重量比为7∶10∶100～7∶15∶200混合均匀，配置成改性剂，将超高分子量聚乙烯纤维浸入所述改性剂中，并超声处理3～10min，超声温度为35～45℃，清洗并干燥处理后的超高分子量聚乙烯纤维，所述超高分子量聚乙烯纤维与改性剂的比例为0.3～0.5g∶100ml。本方法结合超声波及铬酸溶液氧化技术对超高分子量聚乙烯纤维进行复合表面改性，可极大地降低单一的液相氧化处理温度，减少纤维的力学损耗；可有效增加纤维表面粗糙度及表面极性官能团的含量，从而提高其聚合物基复合材料的界面粘结强度，具有重要的实际应用价值。

Description

一种超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法
技术领域
本发明涉及一种纤维复合表面改性方法，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的一种高性能纤维。它是以超高分子量聚乙烯为原料，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的一种具有高强度、高模量的高性能纤维。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维复合材料由于轻质、高强、耐腐蚀等优良的性能而被广泛应用于军事、汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域。UHMWPE纤维密度小，表面呈非极性，润湿性差，高度对称的亚甲基结构使得纤维具有很高的结晶度和取向度。这一方面保证了纤维具有较高的力学强度以及轻量化，但另一方面也使得其表面的化学惰性特别突出，集中表现为纤维与基体之间的界面结合强度低，影响了UHMWPE纤维复合材料的力学性能，限制了它作为结构材料的应用。因此，如何有效提高UHMWPE纤维与基体界面之间的结合强度，充分发挥UHMWPE纤维作为复合材料增强体的独特优势，制备高性能的UHMWPE纤维复合材料，在复合材料应用方面有着重要意义。
为了增强纤维增强体与基体之间粘结强度，需要对纤维进行表面改性处理。目前，提高UHMWPE纤维与基体界面之间结合强度的方法，可以通过化学试剂氧化、等离子体处理、电晕放电处理、光氧化表面改性处理或辐射接枝处理等方法进行表面改性。经以上处理后的UHMWPE纤维其表面粗糙度增加，并在超高分子量聚乙烯纤维表面引入羧基、羰基或者羟基等极性官能团，从而增强纤维与聚合物基体材料的机械啮合及化学结合。但以上各种方法均存在着一定的缺陷，如经等离子体处理后的UHMWPE纤维的活性基团的衰减率比较大，并且该处理方法需要较高真空，要求气压小于40Pa，因此难以实现连续化工业生产；电晕放电处理UHMWPE纤维效果不是很明显，并且在很大程度上受到了作业间歇性的限制，因此实现工业化、连续化还存在很大的难度；辐射接枝处理UHMWPE纤维，由于纤维需要经过一定时间的辐照，所以间歇作业在很大程度上限制了它的应用；化学试剂氧化UHMWPE纤维比较温和，易于控制，易于连续化生产，但是氧化程度难以控制，有可能会由于氧化程度过深而造成纤维强度下降的现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对技术现状另外提供一种超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法，其特征在于包括如下步骤：
将重络酸钾、水及浓硫酸按重量比为7:10:100～7:15:200混合均匀，配置成改性剂，将超高分子量聚乙烯纤维浸入所述改性剂中，并超声处理3～10min，超声温度为35～45℃，清洗并干燥经处理后的超高分子量聚乙烯纤维，所述超高分子量聚乙烯纤维与改性剂的比例为0.3～0.5g:100ml。
所述超声处理为将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂置于超声波清洗仪中，设置超声波频率为40～100KHz。
所述超高分子量聚乙烯纤维的粘均分子量为150～500万。
与现有技术相比，本发明的优点在于：结合超声波及铬酸溶液氧化技术对超高分子量聚乙烯纤维进行复合表面改性，可极大地降低单一的液相氧化处理温度，减少纤维的力学损耗；可有效增加纤维表面粗糙度及表面极性官能团的含量，从而提高其聚合物基复合材料的界面粘结强度，具有重要的实际应用价值，同时降低了对工业条件的要求，工艺简单、易于控制，高效便捷，可实现连续化生产。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
按照重量比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:10:100的比例混合均匀，配置成改性剂，打开超声波清洗仪，设定加热温度为35℃，超声波频率为40KHz，待超声波清洗仪达到设定的温度和频率后，将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂放到超声波清洗仪中氧化处理3min，即可制得表面粘接性能提高的超高分子量聚乙烯纤维。
本实施例对超高分子量聚乙烯纤维的改性方法，具体结合超声波及铬酸溶液氧化技术对超高分子量聚乙烯纤维进行复合表面改性，可极大地降低单一的液相氧化处理温度，减少纤维的力学损耗；可有效增加纤维表面粗糙度及表面极性官能团的含量，从而提高其聚合物基复合材料的界面粘结强度，具有重要的实际应用价值，同时降低了对工业条件的要求，工艺简单、易于控制，高效便捷，可实现连续化生产。
实施例2
按照重量比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:12:150的比例混合均匀，配置成改性剂，打开超声波清洗仪，设定加热温度为35℃，超声波频率为100KHz，待超声波清洗仪达到设定的温度和频率后，将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂放到超声波清洗仪中氧化处理5min，即可制得表面粘接性能提高的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例3
按照重量比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:15:200的比例混合均匀，配置成改性剂，打开超声波清洗仪，设定加热温度为35℃，超声波频率为60KHz，待超声波清洗仪达到设定的温度和频率后，将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂放到超声波清洗仪中氧化处理10min，即可制得表面粘接性能提高的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例4
按照重量比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:10:100的比例混合均匀，配置成改性剂，打开超声波清洗仪，设定加热温度为40℃，超声波频率为40KHz，待超声波清洗仪达到设定的温度和频率后，将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂放到超声波清洗仪中氧化处理3min，即可制得表面粘接性能提高的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例5
按照重量比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:12:150的比例混合均匀，配置成改性剂，打开超声波清洗仪，设定加热温度为40℃，超声波频率为100KHz，待超声波清洗仪达到设定的温度和频率后，将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂放到超声波清洗仪中氧化处理5min，即可制得表面粘接性能提高的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例6
按照重量比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:15:200的比例混合均匀，配置成改性剂，打开超声波清洗仪，设定加热温度为40℃，超声波频率为80KHz，待超声波清洗仪达到设定的温度和频率后，将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂放到超声波清洗仪中氧化处理7min，即可制得表面粘接性能提高的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例7
按照重量比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:10:100的比例混合均匀，配置成改性剂，打开超声波清洗仪，设定加热温度为45℃，超声波频率为40KHz，待超声波清洗仪达到设定的温度和频率后，将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂放到超声波清洗仪中氧化处理10min，即可制得表面粘接性能提高的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例8
按照重量比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:12:150的比例混合均匀，配置成改性剂，打开超声波清洗仪，设定加热温度为45℃，超声波频率为100KHz，待超声波清洗仪达到设定的温度和频率后，将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂放到超声波清洗仪中氧化处理5min，即可制得表面粘接性能提高的超高分子量聚乙烯纤维。
实施例9
按照重量比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:15:200的比例混合均匀，配置成改性剂，打开超声波清洗仪，设定加热温度为45℃，超声波频率为60KHz，待超声波清洗仪达到设定的温度和频率后，将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂放到超声波清洗仪中氧化处理7min，即可制得表面粘接性能提高的超高分子量聚乙烯纤维。
在不同工艺条件下，经过超声波结合高锰酸钾试剂氧化处理后超高分子量聚乙烯纤维的断裂强度如表1所示。
表1：
实施例 未经改性处理 实施例1 实施例2 实施例6 实施例7
断裂强度/Gpa 2.62 2.53 2.44 2.34 1.77

Claims (3)

1.一种超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法，其特征在于包括如下步骤：
将重络酸钾、水及浓硫酸按重量比为7∶10∶100～7∶15∶200混合均匀，配置成改性剂，将超高分子量聚乙烯纤维浸入所述改性剂中，并超声处理3～10min，超声温度为35～45℃，清洗并干燥经处理后的超高分子量聚乙烯纤维，所述超高分子量聚乙烯纤维与改性剂的比例为0.3～0.5g∶100ml。
2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法，其特征在于：所述超声处理为将浸有超高分子量聚乙烯纤维的改性剂置于超声波清洗仪中，设置超声波频率为40～100KHz。
3.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性方法，其特征在于：所述超高分子量聚乙烯纤维的粘均分子量为150～500万。
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