超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯纤维的生产和改超高分子量聚乙烯纤维的生产和改 性研究性研究 轻化 143 王子3140302304 摘要摘要本文主要参照了超高分子量聚乙烯纤维的发展状况对超高分子量聚乙 烯纤维的发展及性能研究历程进行了详细概述；通过查阅超高分子量聚乙烯纤 维性能及生产现状和超高分子量聚乙烯纤维制造及应用探讨了解了三种制 备超高分子量聚乙烯纤维的主要方法；参考了超高分子量聚乙烯纤维的表面改 性和超高分子量聚乙烯纤维的表面改性研究等论文，了解到超高分子量聚 乙烯三种表面改性方法；通过查阅 纳米改性增强超高分子量聚乙烯复合材料研 究进展 了解到纳米材料对超高分子量聚乙烯纤维的改性机理，并对改性前后性 能变化做出细致比较和概述； 针对多巴胺对超高分子量聚乙烯纤维的影响参照了 多巴胺仿生修饰及聚乙烯亚胺二次功能化表面改性超高分子量聚乙烯纤维 了 解到两种改性方式，并对两种改性方式优劣做出对比；参考了Investigation of the ballistic perance of ultra high molecular weight polyethylene composite panels 了解到超高分子量聚乙烯纤维的防弹性能及在其他领域的应用情况。 关键词关键词超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）;纳米材料;多巴胺 1 1 前言前言 以“惊异塑料 ”著称的 UHMWPE 具有与聚乙烯 CPE一样的线性结构。 UHMWPE 极高的分子量分子量在 150 万以上赋予其优异的使用性能，而且属 于价格适中、性能优良的热塑性工程塑料，它凡乎集中了各种塑料的优点，具有 普通聚乙烯和其它工程塑料无可比拟的耐磨、耐冲击、自润滑、耐腐蚀、吸收冲 击能、 耐低温、 卫生无毒、 不易粘附、 不易吸水、 密度较小等综合性能。 事实上， 目前还没有一种单纯的高分子材料兼有如此众多的优异性能。 2 2 超高聚乙烯纤维生产方法超高聚乙烯纤维生产方法 2.12.1 表面结晶生长法 表 面 结 晶 生 长法 是由 荷 兰 Groningen 州 立 大 学 高 分子 化学 系 A.J.Pennings 和 A.ZWijnenburg 首先提出并加以研究的。将 UHMWPE 用二甲苯 等作为溶剂加热溶解成为浓度为 0.4-1.0的溶液，置于 Couette 装置中，转动 纺丝液中的转子，使转子表面生成聚乙烯的冻胶皮膜，接着在均匀流动的纺丝液 中加入晶种，在 100 一 125℃下诱导结晶生成和长大，同时进行拉丝，拉丝速度 要与结晶速度匹配， 并使串晶结构转化为伸直链结构从而赋予纤维很高的强度和 模量。 此方法是一种全新型且非常有创造性的纤维制造方法， 然而， 由于UHMWPE 结晶速度过慢，纤度控制难度较大，因此也难以实现工业化生产。 2.22.2 增塑熔融纺丝法 将 UHMWPE 与适量的改性剂或稀释剂混合制成纤维的方法一般称为 增塑熔融纺丝法。此法中 UHMWPE 的含量一般在 60} 80之间，所采用的稀 释剂可以是 UHMWPE 的溶剂，也可以是固态的蜡质物质。混合物经过熔融挤出 成型后， 然后在加热介质为萃取剂的介质中进行多级拉伸，也可以先经过萃取剂 除去稀释剂后再进行多级拉伸，最终能够获得强度20cN/dtex，模量700cN/dtex 的 UHMWP 2.32.3 凝胶纺丝法 本法是以蔡、石蜡油等碳氢化合物为溶剂，将 UHMWPE 配制成半稀溶液， 浓度为 0.5一 10，一般为 1 2，经喷丝孔挤出后骤冷形成凝胶纤维，对 凝胶原丝进行萃取和干燥，随后在 90} 150℃的温度下，运用己往的技术进行 30 倍以上的超拉伸。由于采用的是稀纺丝溶液， 所以凝胶纤维分子间的链缠结数明 显减少， 适宜于超拉伸。 随着拉伸倍数的提高， 断裂强度增加， 断裂伸长率减小。 超倍拉伸不仅提高纤维的结晶度和取向度，而且使呈折叠链的聚乙烯片晶 Folded-chain lamellae结构转化成伸直链Extended-chain crystal结构，从而极大 提高纤维的强度和模量。 凝胶纺丝工艺有很大的适应性，除了丝的纤度和根数外，其机械性能可根 据需要在较大的范围内调节，其它性能，如导电性、粘接强度和阻燃性可用添加 剂来控制，还可加入染料或其它载体。 3 3 超高聚乙烯纤维表面改性方法超高聚乙烯纤维表面改性方法 3 3.1 化学试剂处理 化学试剂处理是研究较多的一个方面， 其原理是通过强氧化作用在纤维表而 导入羧基、羰基,磺酸基等含氧极性基团;同时纤维表血弱界面层因溶于处理液中 而被破坏，甚至分子链断裂，形成凹凸不平的表面，增加纤维的比表面积，提高 与树脂基体的接触面积，改善纤维的粘结性。在通过化学试剂处理 UHMWPE 纤 维表面的过程中， 影响因素主要有处理液配方、 处理时问、 温度、 材料的种类等。 化学试剂处理法中最常用的是液相氧化法和表面涂层法。 其中，液相氧化法 中又可分为铬酸溶液处理、有机过氧化处理、氯磺酸处理等。 3.23.2 等离子体处理 等离子体处理仅作用在材料表面有限深度内数个分子， 因此经处理后的纤维 力学性能不会受太大的影响。按处理方式，可分为低压等离子体和高压等离子体 两种。 一般来说低压等离子体是指处理压强低于 130Pa。 这种方法处理效果较好， 但需要较高真空，难以实现连续化生产，工业化难度较大。按处理性质又可分为 两类1表面不形成聚合物;2表面形成聚合物。区别在于处理气氛的不同，如在 O2 , N2 , H2 , Ar, NH 3 等气氛中处理，纤维表面不形成聚合物而采用有机气体或蒸 气如烯丙胺来产生等离子体，在纤维表面会因聚合反应沉积一层涂层，这种涂 层会在纤维和基体间形成很好的粘结层，提高交合材料的 柔韧性。 3.33.3 电晕放电处理 电晕放电处理是将 2-100KV, 2-1OKHz 的高频高电压施加于带电电极上， 于电极表面附近的电场很强， 电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电 现象。 气体介质电离后产生大量的粒子，与材料表面的分子发生直接或间接的作 用， 对材料表面的物化性能产生一定的影响。由于电晕放电产生的粒子成分很复 杂，操作上也很困难，因此其作用机理还没有得到统一的认识。长期以来研究人 员根据各自的试验结果，建立了多种理论来解释电晕放电的作用机理。其中影响 较大的有自粘理论、氧化理论和降解理论等， 但是这些理论的研究对象主要是聚 乙烯薄膜，对 UHMWPE 纤维电晕处理方面的研究还没有深入进 行。 电晕放电处理 UHMWPE 纤维后，用 X-射线光电子能谱X-ray photo electron spectroscopy, XPS检测纤维表面元素的含量，可以发现纤维表面氧元素含量大大 增加。若进一步采用远红外光谱Fourier trans infrared spectrometer, FTIR 分 析会发现处理后的纤维表面出现了羟基、羰基和羧基的吸收峰。此外，纤维表面 的粗糙度对复合材料层间剪切强度的提高也有贡献。 4 4 纳米材料改性超高分子量聚乙烯纤维