1  前  言

       超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)是繼碳纖維、芳綸纖維之后出現(xiàn)的第三代高性能纖維，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。其密度只有芳綸纖維的2/3和高模碳纖維的1/2；軸向拉伸性能很高；比拉伸強(qiáng)度是現(xiàn)有高性能纖維中最高的；比拉伸模量除高模碳纖維外也是很高的，較芳綸纖維高得多；還具有優(yōu)良的耐沖擊性能、優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性、優(yōu)越的耐磨性能和
良好的電絕緣性等優(yōu)點(diǎn)。

      但是，由于高強(qiáng)聚乙烯纖維軸向高度取向(>95%)和結(jié)晶度高(>99%)的光滑表面，本身由簡(jiǎn)單的亞甲基組成，使得纖維表面不僅沒(méi)有任何反應(yīng)活性點(diǎn)，還不能與樹(shù)脂形成化學(xué)鍵合，使其表面能低且不易被樹(shù)脂潤(rùn)濕，又無(wú)粗糙的表面以供形成機(jī)械嚙合點(diǎn)，這樣就嚴(yán)重限制了其在樹(shù)脂基復(fù)合材料中的應(yīng)用[3]。因此對(duì)UHMWPE纖維的表面進(jìn)行改性處理，提高和樹(shù)脂基體的粘接性能，擴(kuò)大在復(fù)合材料中的應(yīng)用，一直是UHMWPE纖維一個(gè)很重要的研究方向。

       目前文獻(xiàn)報(bào)道的UHMWPE纖維表面處理方法主要有物理方法、化學(xué)方法、等離子體、輻射交聯(lián)、電暈放電等。各種處理方法都比較單一，將幾種方法結(jié)合起來(lái)對(duì)纖維表面進(jìn)行處理的報(bào)道較少。

2  實(shí)  驗(yàn)

2.1  原材料

    UHMW - PE纖維：DC85型，303 g/den的斷裂強(qiáng)度，寧波大成新材料有限公司：
    濃硫酸：分析純，武漢市化學(xué)試劑廠；
    重鉻酸鉀：北京市紅星化工廠：
    二苯甲酮：分析純，天津市遠(yuǎn)航化學(xué)品有限公司：
    丙烯酰胺：分析純，武漢市橋口教學(xué)實(shí)驗(yàn)工廠；
    丙酮：化學(xué)純，武漢市江廈精細(xì)化工廠：
    無(wú)水乙醇：分析純，武漢市江北化學(xué)試劑廠；
    E- 51環(huán)氧樹(shù)脂，C\/D - 128型，岳陽(yáng)石油化工總廠環(huán)氧樹(shù)脂廠。

2.2酸腐蝕處理

    酸腐蝕處理工藝過(guò)程為：

      (1)按100:8:5的質(zhì)量比配腐蝕液，量取濃硫酸500 ml、水74 ml，稱量重鉻酸鉀46 9，將它們配成混合溶液盛放在適當(dāng)?shù)乃芰吓枥?，并在盆中央放置一裝滿水的玻璃瓶（防止纖維蓬亂）；

       (2)稱量UHMWPE纖維46 9，并將纖維繞盆中瓶子一圈一圈的浸入腐蝕液中泡5.5個(gè)小時(shí)，為防止纖維蓬亂，將纖維兩頭置于盆外.
 
       (3)取出纖維，用清水沖洗3次，然后放在50℃烘箱中烘干至恒重，編號(hào)、收好備用。

2.3紫外接枝處理

       紫外接枝處理工藝過(guò)程為：
       (1)稱量UHMWPE纖維43. Sg，用酸腐蝕處理，以備做紫外接枝用：
       (2)將準(zhǔn)備做紫外接枝用的43.5 9纖維纏在預(yù)先準(zhǔn)備好的鐵架子上：
       (3)稱量丙烯酰胺（接枝單體）15 9、二苯甲酮（光敏劑）2.5g，量取300 ml丙酮，將丙烯酰胺、二苯甲酮按6：1的比例配成丙酮溶液：
       (4)將(3)步中配成的溶液往鐵架上的纖維反復(fù)持續(xù)淋上幾分鐘，確保纖維濕透：
       (5)用30 w紫外燈先后放在鐵架上的里外各個(gè)面分別照射10分鐘：
       (6)用清水將處理過(guò)的纖維連續(xù)沖洗3次，然后放在so oo,r4t箱中烘干至恒重，編號(hào)、收好備用；
       (7)再稱量UHMWPE纖雛34 9，重復(fù)上面第2～6個(gè)步驟備用。

2.4復(fù)合材料試樣制備

       (1)配膠：將環(huán)氧樹(shù)脂(E- 44)、雙氰胺（80目）和二甲基咪唑(80目)按100：9：1的質(zhì)量比配成膠液，外加20%的無(wú)水乙醇和丙酮的混合溶液稀釋。
       (2)纏繞：將處理過(guò)的纖維經(jīng)浸膠后單向纏繞在自制的芯模上，待溶劑揮發(fā)后即得預(yù)浸料：
       (3)裁剪：將晾曬過(guò)的膠布裁剪成預(yù)先設(shè)計(jì)的尺寸，本實(shí)驗(yàn)的尺寸為9 cmx9 cm;
       (4)壓制：將裁剪好的預(yù)浸料以90。角度疊在一起，用壓機(jī)在一定的溫度和壓力下壓制成板材，本實(shí)驗(yàn)采用的壓制溫度為80℃、壓力5 MPa，保壓保溫時(shí)間3小·時(shí)。

2.5  單絲拔出實(shí)驗(yàn)

       (1)在一塊表面平整的木板上，用手鋸小心地鋸一條縫（單絲穿過(guò)用）作為夾板；
       (2)在夾板上平鋪固定一張聚酯薄膜，在縫的位置處用小號(hào)繡花針輕輕扎一個(gè)孔：
       (3)在夾板上方固定一根鐵絲用于懸掛纖維單絲，將纖維單絲掛在鐵絲上，再?gòu)木埘ケ∧さ尼樋字写┻^(guò)夾板，并在夾板下面將纖維打結(jié)，然后在結(jié)上掛一個(gè)小小的重物用于將纖維拉直；
       (4)稱取70克環(huán)氧樹(shù)脂(E- 44)、固化劑(650“)62克及稀釋劑丙酮溶液，按質(zhì)量含量各為45%、40%和15%配制樹(shù)脂膠液[8-10]，充分?jǐn)噭颍?br />        (5)將配好的膠液用滴管小心地滴在纖維絲與聚酯薄膜的相交處，并任由樹(shù)脂自由鋪開(kāi)，然后讓其室溫固化48小時(shí)，最后固化的樹(shù)脂厚度為1. 3mm，如圖1：
       (6)用帶掛鉤的手枰將單絲以一定的速率從固化后的樹(shù)脂中拔出，記下拔出載荷。

              
2.6測(cè)試設(shè)備及方法

    測(cè)試設(shè)備：T- 30A微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，光學(xué)纖維鏡等：
    測(cè)試方法：彎曲強(qiáng)度按(B1449 - 83進(jìn)行。

3  結(jié)果與討論

    表1為纖維表面處理后其復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，表2為纖維表面處理后其單絲拔出強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果。
                

       從表1、表2可知，用酸腐蝕處理過(guò)的纖維制成的試樣的彎曲強(qiáng)度是未處理的2.4倍，拔出載荷也超出2倍：用紫外接枝處理的纖維制成的試樣的彎曲強(qiáng)度是未處理的1.3倍，拔出載荷約1.6倍：經(jīng)雙重處理（酸腐蝕+紫外接枝）后的彎曲強(qiáng)度、拔出載荷均約是未處理的3倍。這說(shuō)明雙重處理（酸腐蝕+紫外接枝）的效果最明顯，其復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和單絲拔出載荷都有明顯增加，酸腐蝕的效果也較好，而由純紫外接枝處理的效果不太好，這是因?yàn)橛勉t酸腐蝕液對(duì)纖維進(jìn)行處理使纖維表面同時(shí)得到了物理和化學(xué)改性。

      (1)物理改性：通過(guò)對(duì)各組分纖維單絲的顯微鏡觀察可以看到，酸腐蝕處理過(guò)的纖維表面相對(duì)未處理過(guò)的纖維有明顯的凹槽（如圖2）。UHMWPE纖維高度結(jié)晶，出現(xiàn)凹槽可能是纖維表面的非晶區(qū)（或者還有部分晶區(qū)）被鉻酸溶掉，并且表面產(chǎn)生粗糙痕跡和片狀小包，這就增大了增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂基體的接觸面積，也更加有利于樹(shù)脂基體對(duì)增強(qiáng)纖維的浸潤(rùn)。
                 
       (2)化學(xué)改性：鉻酸是一種酸性很強(qiáng)的酸，在處理過(guò)程中會(huì)使纖維表面氧化而引入極性基團(tuán)，從而增加與樹(shù)脂基體的粘結(jié)性。其氧化機(jī)理可以理解為先生成四價(jià)鉻的中間產(chǎn)物，然后水解生成醇，再進(jìn)一步氧化斷鏈生成烯、醛、酮和羧基等，反應(yīng)方程為:
          
       紫外光照射高聚物表面能引起化學(xué)變化，能使纖維表面的含氧量增加，使其表面發(fā)生交聯(lián)，在纖維表面有接枝物，改善其濕潤(rùn)性和粘結(jié)性。同時(shí)相對(duì)于酸腐蝕處理來(lái)說(shuō)，減少了對(duì)纖維大分子鏈的損害程度，因此可保持纖維的力學(xué)性能。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純紫外接枝處理纖維的效果不明顯，可能由于本實(shí)驗(yàn)中用的是30w的紫外燈管功率太小，在一定程度上影響了紫外接枝處理的效果。

4結(jié)論

       (1)用鉻酸對(duì)超高分子量聚乙烯纖維進(jìn)行酸腐蝕處理可以對(duì)其表面活性起到比較明顯的改進(jìn)作用，而紫外接枝處理的效果不是很明顯：

       (2)酸腐蝕和紫外接枝兩種處理方法合用比用單一的處理方法效果好，說(shuō)明用其他的幾種處理方法合用也可能會(huì)比單一的方法好，今后可以從改進(jìn)樹(shù)脂配方及幾種處理合用的方法繼續(xù)研究。