氧气等离子体处理对超高分子量聚乙烯纤维力学性能的影响*

洪剑寒 潘志娟

(1.苏州经贸职业技术学院轻纺系，苏州，215009;2.苏州大学纺织与服装工程学院，苏州，215123;3.现代丝绸国家工程实验室〔苏州〕，苏州，215123)

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是20世纪70年代末期由荷兰帝斯曼公司研制成功，并于1990年开始工业化生产，是继碳纤维、芳纶之后出现的一种新型高性能纤维。UHMWPE纤维具有高强、高模、低密度、耐腐蚀、良好的韧性和疲劳性能、耐高速冲击等优异性能，具有巨大的应用潜力，目前已在国防军需装备、航空航天、绳缆、生物医用材料、体育器材、工业、建筑等领域得到广泛应用。

但是，UHMWPE的分子链中不含极性基团，其表面呈惰性;另外纤维加工后，表面残留的溶剂、酸和低分子聚合物形成较弱的界面层(约10 nm级);再加上纤维致密光滑，无粗糙的表面以供形成机械啮合点，使得纤维表面能很低。因此UHMWPE纤维与树脂基体的黏结性很差，影响其复合材料的使用性能。为改善UHMWPE纤维的黏结性能，往往在使用前需进行表面处理。目前常用的方法有化学试剂处理、电晕放电处理、紫外接枝处理等。如何洋［1］用铬酸对UHMWPE纤维进行表面处理后，发现在纤维表面生成了羟基、羰基、羧基等极性的对纤维具有浸润性的基团，并对树脂基体的黏结性提高60%以上。宋俊等人［2］采用铬酸溶液对UHMWPE纤维进行表面处理后，其层间剪切强度增大。戚东涛等人［3］对UHMWPE纤维表面进行电晕处理，处理后纤维与基体的界面黏结强度提高了535%，短梁剪切强度提高40%以上。骆玉祥等人［4］研究发现，经紫外接枝处理后，UHMWPE纤维布复合材料的层间剪切强度可提高90%以上。等离子体处理UHMWPE纤维亦有较多研究，如姜生［5］将UHMWPE纤维用氩等离子处理后与低密度聚乙烯(LDPE)基体复合，其复合材料的纵横向拉伸断裂比功分别较处理前提高70%和40%;王书忠等人［6］研究发现，等离子体处理使UHMWPE纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度提高3倍以上;肖干［7］分别用空气等离子和氧气等离子处理UHMWPE纤维，发现UHMWPE/环氧树脂复合材料的冲击强度分别较未处理纤维提高了2.4倍和4倍。

UHMWPE纤维作为高强高模材料，其使用前的表面处理应尽可能地不损伤其优异的力学性能。等离子体处理虽为一种不改变材料主体性能的表面处理方法，但或多或少会对所处理材料的力学性能产生一定的影响。本文采用氧气等离子体对UHMWPE纤维进行处理，研究处理前后纤维力学性能的变化情况。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器

1.1.1 试验材料

UHMWPE 纤维，444 dtex/240 f，单丝线密度1.85 dtex(杭州翔盛高强纤维材料股份有限公司)。

1.1.2 试验仪器

UHMWPE纤维的等离子处理采用自制等离子体改性处理仪，处理前后的表面形貌由日立S-4800型冷场发射扫描电镜观察，纤维力学性能的测试采用LLY-06型电子单纤维强力测试仪(莱州市电子仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 氧气等离子处理

将洗净并干燥后的UHMWPE纤维置于等离子处理仪真空反应室内，启动真空泵，抽出反应室内空气至压强为10 Pa以下;通入氧气至50 Pa以上，关闭进气阀门再抽气至10 Pa以下，再通入氧气至50 Pa以上。如此反复数次，以提高反应室内氧气纯度。洗气结束后调节氧气进气量，使反应室内气体压强至设定值，并设定反应功率与处理时间，启动高频电源，开始反应。

1.2.2 纤维表面形貌分析

等离子处理前后的UHMWPE纤维的表面形貌分析，采用S-4800型冷场发射扫描电镜观察。

1.2.3 纤维强伸性能测试

纤维断裂强度与断裂伸长率的测试，按照GB/T 14337—2008《化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》。

2 结果与分析

2.1 等离子处理对UHMWPE纤维表面形貌的影响

图1所示为等离子处理前后UHMWPE纤维的表面形貌。从图1(a)中可以看出，未经等离子处理的UHMWPE纤维表面纵向分布有纺丝过程中形成的微细沟槽，沟槽清晰，表面光滑。经氧气等离子处理后，如图1(b)所示，纤维表面由于等离子的刻蚀作用而产生一些细微凹坑，同时还生成了一些UHMWPE纤维表面层物质分解形成的气态物返回纤维表面重新聚合逐步生长而形成的颗粒状沉积物［8-9］，纤维表面粗糙度提高，沟槽边界模糊不清。因此经氧气等离子体处理后，UHMWPE纤维表面能提高，可提高其与基体材料的黏结牢度，以提高其复合材料的力学性能。

图1 UHMWPE纤维的扫描电镜图

2.2 等离子处理对UHMWPE纤维力学性能的影响

2.2.1 处理时间

在反应功率为90 W，氧气压强为40 Pa的条件下，处理时间对UHMWPE纤维断裂强度及断裂伸长率的影响如图2所示。

图2 处理时间对UHMWPE纤维力学性能的影响

氧气等离子处理对UHMWPE纤维的力学性能有一定的影响，从图2中可以看出，经等离子处理后，纤维断裂强度下降，断裂伸长率上升。未处理纤维的断裂强度为30.67 cN/dtex，经0.5 min氧气等离子处理后下降至29.38 cN/dtex，强度损失4.2%;随着处理时间的延长，其强度不断下降，至4 min时下降至26 cN/dtex，强度损失达15%，此后变化较小。等离子体内高能粒子不断刻蚀纤维表面，损伤纤维，且随处理时间的延长，刻蚀程度不断增加，因此纤维强度随处理时间延长呈下降趋势，达到一定程度后趋于稳定。UHMWPE纤维经氧气等离子处理后，断裂伸长率较未处理有所提高，但从试验结果看，其变化与处理时间没有明显的对应关系。

2.2.2 反应功率

在处理时间为4 min，氧气压强为40 Pa的条件下，反应功率对UHMWPE纤维断裂强度及断裂伸长率的影响如图3所示。

图3 反应功率对UHMWPE纤维力学性能的影响

从图3中可以看出，在处理时间为4 min，氧气压强为40 Pa的条件下，较低的反应功率对UHMWPE纤维即造成一定的损伤，反应功率为50 W时纤维强度损失9%左右;随着等离子处理反应功率的逐渐增大，UHMWPE纤维的断裂强度不断下降，到150 W时仅为24.17 cN/dtex，强度损失达21.2%。这主要是由于随反应功率的提高，等离子体内高能粒子对纤维表面的轰击刻蚀作用增强，导致纤维强度不断下降。等离子处理后纤维断裂伸长率较处理前有所提高，但亦无明显的规律可循。

2.2.3 氧气压强

在处理时间为4 min，反应功率为90 W的条件下，氧气压强对UHMWPE纤维断裂强度及断裂伸长率的影响如图4所示。

图4 氧气压强对UHMWPE纤维力学性能的影响

从图4可以看出，在氧气压强较低时，随着压强的增大，UHMWPE纤维强度呈下降趋势，至50 Pa时，纤维断裂强度下降至最低，为23.81 cN/dtex，较未处理时的损耗高达22.4%，此后随着压强的增大强度略有升高。在等离子体反应中起作用的是高速电子，氧气压强较低时，等离子体内被高速电子激发电离的高能粒子数量很少，对纤维表面的刻蚀作用较弱;随着氧气压强的增大，高能粒子数量增多，对纤维表面的刻蚀作用增强;但是当压强增大到一定程度时，由于反应室内氧气分子相对密集，电子碰撞概率大增，平均自由程大大缩短，能量降低，使被电子激发电离的高能粒子数量减少［10］，因此减弱了对纤维表面的刻蚀作用。同样，从图4中可以看出，虽然等离子处理后纤维断裂伸长率较处理前有所提高，但其变化与氧气压强亦无对应关系。

3 结论

(1)经氧气等离子体处理后，UHMWPE纤维表面因刻蚀作用而变得粗糙，表面能提高，有利于其与基体材料的复合。

(2)氧气等离子体处理对UHMWPE纤维的力学性能造成一定的影响，且处理时间、反应功率和氧气压强对纤维的处理效果均有较为明显的影响。

(3)氧气等离子体处理降低了UHMWPE纤维的断裂强度，提高了断裂伸长率，这对纤维的应用是不利的。因此，在满足提高纤维表面能、增强其黏结强度的前提下，应尽可能使用较短的处理时间、较小的反应功率和适当的氧气压强，以减小对纤维的损伤。

［1］ 何洋，梁国正，吕生，等.超高分子量聚乙烯纤维表面的铬酸处理及表征［J］.材料科学与工艺，2005，13(10):528-531.

［2］ 宋俊，肖长发，李娜娜.铬酸处理的超高分子量聚乙烯纤维黏接性研究［J］.玻璃钢/复合材料，2007(10):29-32.

［3］ 戚东涛，陶继志，王秀云.电晕处理对超高分子量聚乙烯纤维表面性能的影响［J］.材料科学与工艺，2006，14(5):535-537.

［4］ 骆玉祥，吴越，胡福增，等.超高分子量聚乙烯纤维紫外接枝处理［J］.复合材料学报，2001，18(4):29-33.

［5］ 姜生.等离子体处理后UHMWPE纤维与LDPE复合材料的性能［J］.纺织学报，2007，28(9):57-60.

［6］ 王书忠，吴越，骆玉祥，等.超高分子量聚乙烯纤维的低温等离子处理［J］.复合材料学报，2003，20(6):98-103.

［7］ 肖干，牟其伍.低温等离子体表面处理对UHMWPE复合材料冲击性能的影响［J］.重庆建筑大学学报，2004，26(6):87-89.

［8］ 金文俊，封勤华，鞠彬.低温氩等离子体改善PTT织物吸湿性的研究［J］.合成纤维，2010(3):22-26.

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