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超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）由非極性亞甲基分子鏈組成，具備出色的強(qiáng)度、量、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性以及抗沖擊性能，是高性能纖維領(lǐng)域的重要材料。然而，由于其表面光滑、缺乏極性官能團(tuán)且表面能較低,導(dǎo)致纖維與基體材料之間的界面結(jié)合力較弱，未經(jīng)表面改性或功能化處理時(shí)，超高分子量聚乙烯纖維難以實(shí)現(xiàn)與基體的高效結(jié)合，進(jìn)而無(wú)法發(fā)揮其優(yōu)異的性能。等離子體處理作為一種高效的表面改性技術(shù),能夠在纖維表面引入大量極性官能團(tuán)(如羥基、羧基等),顯著提高表面極性和粘合性能。

等離子體處理技術(shù)

等離子體處理是一種由中性粒子與高能帶電粒子組成離子體的綜合改性技術(shù)。等離子體處理對(duì)材料的改性深度僅為100nm左右,對(duì)材料本體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生明顯破壞,有利于高性能纖維保持其優(yōu)異的力學(xué)性能。

等離子體改性纖維界面技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用等離子體處理裝置生成的高能活性粒子破壞纖維表面的C-C和C-H化學(xué)鍵，促使纖維表面分子鏈獲得自由基，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ɑ钚缘墓倌軋F(tuán)的過(guò)程。為了有效實(shí)現(xiàn)纖維表面改性，等離子體產(chǎn)生的粒子能量應(yīng)高于UHMWPE纖維中化學(xué)鍵能。從各粒子能量和化學(xué)鍵鍵能可以看出，等離子體足以將纖維化學(xué)鍵破壞(表1-1)。此外，等離子體對(duì)纖維表面也會(huì)產(chǎn)生刻蝕作用，使纖維表面粗糙度增加，以此改善纖維的表面機(jī)械互鎖性能。

表1-1 等離子體粒子能量和UHMWPE纖維化學(xué)鍵能

一般等離子體氣氛為氧氣、氬氣、氦氣、氮?dú)饣蛘邘追N氣體按一定比例組合,其中氧氣作為產(chǎn)生介質(zhì)時(shí),在材料表面產(chǎn)生的新基團(tuán)活性更高。其中氧氣等離子體處理UHMWPE纖維機(jī)理為含氧高能粒子將UHMWPE纖維表面的C-C和C-H化學(xué)鍵斷裂,并重新在纖維表面生成含氧官能團(tuán),如羥基、羧基和羰基等(圖1.1)。

圖1.1 氧氣等離子體處理UHMWPE纖維

等離子體處理對(duì)超高分子量聚乙烯纖維表面親水性的影響

接觸角測(cè)試是評(píng)估材料表面親水性的重要手段,如表1-2所示,未經(jīng)等離子處理的UHMWPE纖維表面接觸角較高,接觸角為113°,表面表現(xiàn)出強(qiáng)疏水性。這是由于未改性的UHMWPE纖維表面以非極性的C-C和C-H鍵為主,缺乏親水性基團(tuán),且表面光滑無(wú)微觀粗糙結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其表面能較低,難以與水分子形成有效潤(rùn)濕。經(jīng)過(guò)等離子體處理后UHMWPE纖維表現(xiàn)明顯快速的浸潤(rùn),接觸角為0。這種顯著變化主要源于以下兩個(gè)因素:一方面,等離子體在纖維表面引入了大量極性基團(tuán)(如-OH、C=O和O-C=O),顯著提高了纖維表面化學(xué)活性;另一方面,等離子體刻蝕作用形成了顯著的微觀粗糙結(jié)構(gòu)。粗糙表面通過(guò)“Wenzel效應(yīng)”放大了親水特性,從而使纖維表面表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)濕性能。

表1-2 等離子體不同處理功率的UHMWPE纖維的接觸角

等離子體處理不僅在改善材料性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，還因其環(huán)保性、可連續(xù)化操作性以及適合大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)，成為現(xiàn)代表面改性技術(shù)中的重要手段。等離子體處理技術(shù)憑借其環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)便、高效且適用于大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì),為UHMWPE纖維在高性能復(fù)合材料中的應(yīng)用開(kāi)辟了新的發(fā)展空間。