文| 曉山青
編輯| 曉山青
●—≺ 高強聚乙烯纖維 ≻—●
高強聚乙烯纖維是繼碳纖維、芳綸纖維之後出現的第三代高性能纖維，它不僅是目前高性能纖維中，比模量、比強度最高的纖維，并且具有耐磨性好耐沖擊性好、耐化學藥品好、不吸水、生物相容性好電性能好和比重輕等優點。
同時由于原料聚乙烯易得，若大規模應用，其生産成本可望較低，特别是熔體紡絲和原液紡絲技術的應用，更有望大大降低其生産成本。
是以高強聚乙烯纖維增強複合材料是一種在很多領域具有極強競争力的品種。
雖然由于高強聚乙烯纖維的軟化點較低，在重荷下易産生蠕變而限制了其在耐溫及結構型複合材料領域中的應用，但其在防彈複合材料抗高沖擊的複合材料防爆炸用複合材料、海上用複合材料、生物醫用複合材料、具有獨特電性能的複合材料等領域仍具有廣闊的應用前景。
特别是近年來随着成本較高的碳纖維複合材料在民用工業領域中應用的迅速增長，尋找和生産成本較低的高性能纖維作為碳纖維的代用品是一種必然趨勢。高強聚乙烯纖維是很有潛力的競争者之一。
然而由于高強聚乙烯纖維本身由簡單的亞甲基組成，使得纖維表面不僅沒有任何反應活性點，不能與樹脂形成化學鍵合。
而且亞甲基的非極性加上高倍拉伸成形的高度結晶、高度取向的光滑表面使其表面能極低、不易被樹脂潤濕、又無粗糙的表面以供形成機械齧合點。
是以高強聚乙烯纖維增強複合材料的界面粘合性成為該複合材料生産過程中的首要問題。
自八十年代至今已有許多研究小組在這方面開展研究提出的方法有:化學氧化法、化學接校法、輻射接枝法、臭氧氧化法等。
其中以等離子體處理法能達到最好的效果，其層間剪切強度(ISS值仍比碳纖維增強複合材料要低得多，并且由于等離子體處理裝置工業化生産的困難，是以目前多數工業化的商品隻是經過簡單的電暈處理。
嚴格地控制聚乙纖維的氧化條件，能使纖維強度不會損失太明顯，同時可以在纖維表面引人适當的官能團，提高纖維表面的潤濕性、粗髓度和化學鍵合點，進而改善高強聚乙烯纖維與環氧樹脂的粘合性，界面粘合強度提高2-4倍。
但若要加深氧化程度，纖維的強會有很大的損失，這必将損害複合材料在纖維軸方向上的性能。是以如何既可改善纖維的表面性能，又可保持纖維的強度，一直是纖維增強複合材料界面工作者追求的目标。
玻璃纖維用偶聯劑進行表面處理是一個很成功的例子。偶聯劑分子與玻璃纖維表面的輕基反應形成化學鍵合，而偶聯劑分子上所帶的官能團，如氨基等基團可以與基體樹脂起化學鍵合反應進而形成了具有化學鍵合結構的界面相。
那麼在其它增強纖維，如碳纖維、芳綸纖維和聚乙烯纖維上是否也可以有類似的化學鍵合結構的設計呢?下面是我們在聚乙烯纖維的氧化表面引入多官能團化合物，作為進行這種界面橋鍵結構設計初步探索的部分實驗結果。
●—≺ 實驗過程 ≻—●
将氧化後的HSPE纖維與PCI的乙酵溶液在60C恒溫槽中反應20分鐘，反應完成後将纖維快速移到乙醚中清洗5分鐘後，直接将纖入反應液中在60C下反應5個小時，反應液分别為二乙三胺和季戊四醇的DMF溶液。
反應後的纖維用沉降法測定潤濕性的變化，用FTTR光諧表征表面官能團的變化，用亞甲基蘭吸附法測定表面官能團含量的變化，用微粘法(Microbound)測定單纖維與環氧樹脂基體間的界面剪切強度，并測纖維的單絲強力。
高強聚乙烯纖維經重鉻酸鉀氧化後，由于主鍊的斷裂并進一步氧化成基化合物，其中有很大一部分為基官能團，用PCI很容易将這種表面基轉化成活性很高的酷氯，然後與多官能團的胺類或醇化合物反應，就可将多胺或多醇化合物引入纖維的表面，這一過程可用下列方式表示。
圖1分别為PE纖維，氧化PE纖維，二乙烯三胺化PE纖維及季戊四醇化PE纖維的FTIR光諧圖圖中1725cm-11710cm-1及3000~3400cm-1處的變化清楚地證明上述化學反應的進行。
表1為用亞甲基蘭等溫吸附法，測得表面活潑氫含盤的數值，通過氧化後纖繼表面的活潑氫官能團明顯地增加，将其中的搬基轉化成多胺或多醇化合物後，其數值則大幅提高，進一步證明了上述的化學反應。
内醇水溶液(比重為0.97)中沉降百分數沉降越多，說明纖維表面越易被該液體所潤濕，是以該數值可作為纖維表面可潤濕性的相對比較。
表中數值說明纖維表面引入多官能團化合物其潤濕性可大大提高，這将有利于其界面合。在本實驗中纖維與環樹脂的界面粘合性采用微球脫粘法(Microbound)測得。
如圖2為通過測得一系列不同直徑的樹脂小球得到的脫粘力與小球直徑的關系圖，界面剪切強度可由下式計算得到：
式中，F為直徑為小的脫力維的平均半徑。圖中可見與許多其他研究者得到實驗結果相似，資料具有較大的分散性。
我們認為這種分散性與纖維直徑及纖維表面官能團的不均勻性有關。在沉降實驗中将纖維切成lcm長的段用100根這樣的纖維段，有的沉人液體中，有的浮在液體的表面，這說明纖維表面的極性是不同的，沉者極性較強，浮者極性較弱。
并且我們在實驗中發現某些纖維段--直在液體中運動，需很長時間才能達到穩定這說明這一厘米長的纖維段表面也是不均性的關于這種纖維表面的不均勻性，雖然曾有人提過，但沒有直接的證據。上述的沉浮實驗可以作為很好證據，這方面的進一步研究工作正在繼續。
上述微脫粘實驗結果的分散性有很大部分可能源自于纖維直徑的分散性，如圖3為取自不同卷繞簡，不同處的數百段纖維直徑的統計圖，由圖可見其具有較大的分散性。是以我們将(1)改寫成：
由式(2)直接計算出界面粘合強度值進而消除纖維直徑分散性的影響。為了減少其他方面的影響，仍然至少取25個以上不同小球直徑的實驗結果。
表3為由式(2)計算得到的平結果表中同時列出了纖維強度值。并用g/o值表示纖維強度損失的程度，用z/o表示界面粘合強度的提高程度。
●—≺ 證明結果 ≻—●
為綜合評價纖維強度損失的不利因素和界面粘合強度提高的有利因素，我們粗略地用a/ao*/to來衡量淨結果。由該數值可以清楚地看到引入多官能團化合物後的纖維與氧化纖維比較具有某些優越性。
特别是二乙烯三胺，其值提高的倍數(8倍)與目前文獻報道的等離子體處理當2]表3中二乙烯三胺化與季戊四醇化後纖維的界面粘合性有很大的差别。
這可能是由于二乙烯三胺是一種環氧樹脂的室溫固化劑，鍵合到纖維表面後其餘胺基仍可與環氧樹脂交聯，形成化學鍵合。而季戊四醇上的釋基在室溫下較難與環氧樹脂反應特别是在有室溫固化劑存在時更難竟争得到反應點。
是以在纖維表面引入季戊四醇可能主要是增加了纖維表面的潤濕性，以及提高了纖維與樹脂間的範德華力，進而提高了界面粘合強度。
而引入二乙烯三胺的纖維，不僅改善了表面潤濕性，提高了範德華力，同時又增加了許多化學鍵合點。這證明了在複合材料界面中化學鍵合的重要性。
在氧化的高強聚乙烯纖維上引入多官能團化合物可使纖維與環氧樹脂的界面粘合性提高，這是一種不進一步損失纖維強度的表面處理方法。特别是引入多胺類化合物可以在纖維與樹脂間形成化學鍵，大大提高了界面粘合強度。
參考文獻：