专利名称：高强度聚乙烯纤维表面处理的方法
技术领域：
本发明属于一种合成纤维的表面处理方法，特别是高强度聚乙烯纤维的表面处理方法。
背景技术：
目前，国外和国内，工业上都能采用分子量数百万的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)通过凝胶纺丝热拉伸技术，生产出初始模量100GPa以上、拉伸强度2～7GPa的高性能纤维。专利CN 1077923C就提供了一种高强高模聚乙烯纤维的生产工艺。这种纤维的密度低(ρ＝0.97g/cm3)，轴向高度取向(＞95％)和结晶度高(＞99％)，使得轴向的比拉伸强度和比模量较高，能量吸收性能和耐磨损性均比芳纶纤维优异，断裂伸长性能也明显高于碳纤维，特别适合用作防护材料。CN1182012A和CN 2406216Y中都分别采用了超高分子量聚乙烯复合材料层板研制防弹复合材料。
但是，高分子量聚乙烯纤维凝胶加工后，表面会残留一些小分子的溶剂、酸和低分子聚合物，从而形成一层较弱的界面层，加上聚乙烯分子本身的化学惰性，使得高强度聚乙烯纤维的表面能很低。在高强度聚乙烯纤维增强复合材料中使用时，纤维与树脂基体的粘结性很差，例如，未经处理的UHMWPE纤维在环氧树脂基体中的单丝拔出强度只有0.5MPa。为了改善高强度聚乙烯纤维与树脂基体的粘结性能，各国研究人员分别采用各种方法对高强度聚乙烯纤维表面加以处理。
专利WO9520006采用一种可用电晕和偶联剂共同处理聚合物的方法，可以在聚合物表面接上极性基团，如氨基。对超高分子量聚乙烯纤维的表面处理是它的一个例子，通过该方法可以提高UHMWPE纤维的表面极性。
加拿大的Brown等人在文章Journal of Materials Science，1991，264172～4178和Journal of Materials Science，1992，276475～6480中报道，采用等离子处理的方法对UHMWPE纤维的表面进行处理后，对UHMWPE纤维增强环氧树脂或乙烯基酯树脂复合材料研究，均发现复合材料的界面粘结强度增强。
以色列的Silverstein等人在文章Composite Science Technology，1993，48151～157和Journal of Materials Science，1993，284718～4724中报道，UHMWPE纤维经铬酸蚀刻后，纤维表面的氧含量逐渐增加，而且随处理时间的延长，纤维与环氧树脂的界面剪切强度出现先升后降的变化，处理4h后，界面剪切强度达到最大值。
这些专利和文章中介绍的处理方法，对提高高强度聚乙烯纤维的表面极性都有一定的帮助。但是，这些方法都会损害高强度聚乙烯纤维的强度，降低其在复合材料中的使用价值；而且，有的方法会产生大量废液，后处理步骤多，对环境保护不利；有的处理条件需要高真空，难以实现连续生产，工业化难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能大幅度提高高强度聚乙烯纤维增强复合材料的界面粘结强度，同时保持高强度聚乙烯纤维自身的强度基本不变，设备简单、操作方便、可连续化生产的高强度聚乙烯纤维的处理方法。
本方法的特点在于将电晕处理和紫外辐照处理结合起来，不仅增加了纤维表面的极性，增强了纤维与树脂的界面粘结强度，而且，能弥补纤维强度的下降。因为高强度聚乙烯纤维经过电晕处理后，纤维的表面结构部分被破坏，引起纤维的强度下降。经过紫外光辐照处理后，单体在纤维表面聚合反应，能有效地改善纤维表面由于电晕放电产生的缺陷结构。
本发明的高强度聚乙烯纤维表面处理方法如下将高强度聚乙烯纤维以2-20m·min-1的速度，经过2-15KW的电晕放电处理后，接着放入一种由溶剂、光敏剂和单体组成的紫外反应液中浸泡24-48小时，再经过相距5-50cm、波长在250-400nm之间高压汞灯产生的紫外光，辐照5-180分钟的处理，可得到表面极性改善的高强度聚乙烯纤维。
本发明使用的高强度聚乙烯纤维包括单丝、复丝、机织物或编织物；纤维强度高于14cN/dtex，模量高于400cN/dtex；聚乙烯分子量在10-1000万。
本发明使用的紫外反应液中的溶剂为水、乙醇、丙酮和苯中的一种；紫外反应液中的光敏剂为二苯甲酮及其衍生物、过硫酸钾、过氧化苯甲酰和蒽醌中的一种；紫外反应液中的单体为丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸、甲基丙烯酸和丙烯酸缩水甘油酯中的一种；以溶剂为基准，光敏剂的质量含量为1-10％，单体的浓度为0.5-10mol·L-1。
由于电晕处理后的效果会随时间的延长而减弱，所以，电晕后进行紫外光辐照处理的时间间隔，不超过24h。
本发明采用电晕处理和紫外辐照处理相结合的方法，对高强度聚乙烯纤维表面的处理效果明显，纤维强度基本能保持不变，纤维与树脂的层间剥离强度明显提高，本方法操作方便，可连续工艺化生产，将大大促进纤维增强复合材料中高强度聚乙烯纤维的使用。
具体实施例方式下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1将高强度聚乙烯纤维经过12KW的电晕处理后，牵引速度为12m·min-1，在24h内，浸泡到由丙酮、过氧化苯甲酰和甲基丙烯酸组成的混合溶液中，以丙酮为基准，过氧化苯甲酰的用量为5.0wt％，甲基丙烯酸的浓度为1.5mol·L-1，24h后取出，直接将纤维平放在一块平板上，在500W的高压汞灯下辐照30min后停止，汞灯与织物间的距离调整为15cm。
采用全反射红外光谱技术(FTIR-ATR)发现，处理前后，高强度聚乙烯纤维的光谱发生明显变化。处理后，聚乙烯纤维的光谱上出现了羰基、羟基和醚氧等含氧基团的特征吸收，表明高强度聚乙烯纤维表面的极性已增加。
实施例2将高强度聚乙烯织物经过8KW的电晕处理后，牵引速度为10m·min-1，在24h内，浸泡到由乙醇、二苯甲酮和丙烯酸缩水甘油酯组成的混合溶液中，以乙醇为基准，二苯甲酮的用量为7.5wt％，丙烯酸缩水甘油酯的浓度为5mol·L-1，24h后取出，挂起直至不再有液滴滴下。将织物平整地放在一块平板上，在500W的高压汞灯下辐照60min后停止，汞灯与织物间的距离调整为30cm。
在两块高强度聚乙烯织物间均匀涂覆乙烯基酯树脂(树脂的质量含量为20％，其中含有占树脂质量2wt％的引发剂过氧化苯甲酰)，在110℃热压45min后得到高强度聚乙烯纤维增强树脂复合材料。
按照ISO 113391993的方法，测试高强度聚乙烯织物增强乙烯基酯树脂复合材料的T型剥离强度。高强度聚乙烯织物处理前，复合材料的剥离强度为0.21KN·m-1；处理后，复合材料的剥离强度达到0.56KN·m-1，界面粘结性能明显提高。
实施例3将高强度聚乙烯织物经过4KW的电晕处理后，牵引速度为5m·min-1，在24h内，浸泡到由水、过硫酸钾和丙烯酰胺组成的混合溶液中，以水为基准，过硫酸钾的用量为4.0wt％，丙烯酰胺的浓度为1.5mol·L-1，24h后取出，挂起直至不再有液滴滴下。将织物平整地放在一块平板上，在500W的高压汞灯下辐照120min后停止，汞灯与织物间的距离调整为25cm。
处理前，高强度聚乙烯织物的纤维强度为33cN/dtex；经电晕处理后，高强度聚乙烯织物的纤维强度为25cN/dtex；再经紫外辐照处理后，高强度聚乙烯织物的纤维强度为31cN/dtex，表明紫外辐照处理高强度聚乙烯纤维后，纤维的强度基本保持不变。本实施例说明，高强度聚乙烯纤维经过电晕和紫外光辐照共同处理后，粘结性能明显提高，但高强度聚乙烯纤维的强度几乎没有损失。
权利要求
1.高强度聚乙烯纤维表面处理的方法，其特征在于将电晕处理与紫外辐照处理相结合，具体方法如下将高强度聚乙烯纤维以2-20m·min-1的速度，经过2-15KW的电晕放电处理后，接着放入一种由溶剂、光敏剂和单体组成的紫外反应液中浸泡24-48小时，再经过相距5-50cm、波长在250-400nm之间高压汞灯产生的紫外光，辐照5-180分钟的处理，可得到表面极性改善的高强度聚乙烯纤维。
2.根据权利要求1所述的高强度聚乙烯纤维表面处理方法，其特征在于高强度聚乙烯纤维包括单丝、复丝、机织物或编织物；纤维的强度高于14cN/dtex，模量高于400cN/dtex；聚乙烯分子量在10-1000万。
3.根据权利要求1所述的高强度聚乙烯纤维表面处理方法，其特征在于紫外反应液中的溶剂包括水、乙醇、丙酮、苯。
4.根据权利要求1所述的高强度聚乙烯纤维表面处理方法，其特征在于紫外反应液中的光敏剂包括二苯甲酮、过硫酸钾、过氧化苯甲酰、蒽醌；以溶剂为基准，光敏剂的质量百分含量为1-10％。
5.根据权利要求1所述的高强度聚乙烯纤维表面处理方法，其特征在于紫外反应液中的单体包括丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸缩水甘油酯；以溶剂为基准，单体的浓度为0.5-10mol·L-1。
全文摘要
本发明提供了一种高强度聚乙烯纤维表面处理的方法。将高强度聚乙烯纤维经过电晕处理后，接着放入一种紫外反应液中浸泡24－48h，再经过紫外光辐照处理，可以得到表面极性改善的高强度聚乙烯纤维。本发明采用电晕处理和紫外辐照相结合的方法，可以大幅度提高高强度聚乙烯纤维增强复合材料的界面粘结强度，同时保持聚乙烯纤维的强度基本不变，设备简单、操作方便、可连续工业化生产。
文档编号D06M10/00GK1487140SQ03142180
公开日2004年4月7日 申请日期2003年8月12日 优先权日2003年8月12日
发明者郑震, 唐小真, 周国泰, 施楣梧, 张建春, 郑 震 申请人:上海交通大学