1 引 言
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维也称超高模量聚乙烯(UHMPE)纤维，是继碳纤维、芳纶纤维的又一种高性能纤维。UHMWPE的分子量通常在100-600万之间，分子为线型的高度取向的伸直链结构，取向度可以接近100%。这种超分子结构赋予了UHMWPE纤维一系列特殊性能。UHMWPE纤维的初始模量在100GPa以上，拉伸强度大于3.OGPa。UHMWPE纤维的密度只有0.97g/cm³，其强度比碳纤维和芳纶都要高。UHMWPE纤维增强复合材料的耐磨性能和抗冲击性能是现有的高性能纤维增强复合材料无法比拟的。UHMWPE纤维是由亚甲基(-CH-)形成的非极性材料，吸水率低于0.01%．具有耐化学性能、介电性能、自润滑性、与生物相容性好等特点。
UHMWPE纤维具有的一系列优异性能，使得其在国防、军事、航空航天、高性能复合材料、生物材料等领域具有广阔的应用前景。但由于纤维分子链是非极性的全碳氢结构，表面呈惰性，不易被树脂润湿，其复合材料的界面结合弱，层间剪切强度(ILSS)低，大大限制了它的应用领域。因此，提高UHMWPE纤维增强复合材料的界面粘结性成为该复合材料推广应用中亟待解决的重要问题。
目前提高UHMWPE纤维增强树脂基复合材料的界面性能可从两方面人手：①提高UHMWPE纤维的表面能和活性；②降低树脂基体的表面能和极性。目前最常用的且已成熟的方法是对纤维的表面进行处理。常用于UHMWPE纤维表面改性的方法主要有等离子体处理、化学试剂处理、辐射引发表面接枝处理、电晕放电处理、涂层法等。经过上述方法处理过的纤维，有的表面粗糙度发生了变化，有的则被引入了活性基团，有的表面引入聚合物涂层等，其最终作用都是使纤维表面能发生了变化．改善了与基体的粘结性能，提高了ILSS．使复合材料的一系列性能得以提高。相比而言，对树脂进行改性降低表面能，从而提高与UHMWPE纤维相容性的方法和研究则鲜有文献报道。
本文从不同处理方法对UHMWPE纤维表面的处理效果和对复合材料的性能影响方面展开论述，探讨了UHMWPE纤维增强复合材料用树脂基体的研究进展。
2 UHMWPE纤维表面改性方法对其复 合材料性能的影响
2.1等离子体处理
等离子体表面处理主要是对材料进行表面轰击。表面轰击的作用主要有：
(1)使结合不牢的物质脱离；
(2)碰撞级联作用引起的表面原子溅射作用；
(3)轰击离子和溅射原子通过碰撞作用产生沉积：
(4)增强轰击和吸附物质的化学反应而形成化学沉积物或产生易挥发的物质形成表面刻蚀。
等离子体处理仅涉及纤维的表面，一般在一到几个分子间距内进行作用刻蚀，所以纤维自身的性能受影响较小。按处理的效果可以分为处理后表面不形成聚合物和形成聚合物两种。两者的区别在于处理时使用的气体不同，在N₂、H₂、.0₂、NH₃、空气等气氛中处理时纤维的表面不形成聚合物，而会在纤维表面进行刻蚀．增加纤维表面的粗糙度，从而增加与树脂基体的接触面积和结合力；而采用有机气体（如丙烯酸）产生等离子体，除在纤维表面形成刻蚀外还会因为聚合反应在纤维的表面产生一层涂层，涂层能够起到两相粘结层的作用，提高复合材料的界面结合强度，同时也会使复合材料的柔韧性得以提高，降低层间破坏发生的可能性，提高复合材料的整体强度和冲击韧性。由于涂层的存在使纤维性能受到的影响更小。
对UHMWPE纤维表面进行介质阻挡放电氩等离子体处理，分析了处理前后UHMWPE纤维／LDPE复合材料的纵、横向拉伸性能的变化。研究发现未处理纤维制成的复合材料在起始阶段曲线上有一曲折存在，这一曲折的应力高于基体材料的应力，说明负荷没有通过基体传递给纤维，是由少量的缺陷纤维发生断裂而形成的；但经等离子体处理过的纤维制成的复合材料则没有这种现象，说明处理后的纤维的表面粗糙度的增加弥补了这一不足。从拉伸曲线上可以看出当负荷达到一定时，复合材料在瞬时解体破坏，但处理前的要比处理后的应力值小约100%。这说明等离子体处理改善了纤维的界面粘结性能，提高了复合材料的力学性能。
唐久英等运用自行研制的常压低温等离子体设备对UHMWPE纤维进行了表面处理，使用SEM观察并与未处理的纤维进行比较后发现：空气、空气携带丙烯酸、纯Ar处理UHMWPE纤维后虽然表面有所刻蚀，但刻蚀并不明显；氩气携带0₂、Ar携带丙烯酸处理UHMWPE纤维后表面刻蚀得较明显，并且表面还产生了可能是由于丙烯酸自身聚合或与纤维表面交联而得到的附着物沉积；空气、纯Ar、Ar携带0₂处理UHMWPE纤维后，拉伸强度有了不同程度的降低，而在携带丙烯酸的情况下，在同样的工作气体条件下，拉伸强度有了相应的提高。这说明不携带丙烯酸气体的工作气体主要对纤维表面进行了刻蚀作用，而携带丙烯酸气体的工作气体能够使纤维表面产生附着物沉积层，对纤维有一定的保护作用，从而使纤维强度提高。此外通过XPS分析还发现，Ar携带丙烯酸能够使纤维引入羟基等极性基团的含量最大，使表面自由能增大，与环氧树脂粘结性增强。
2.2化学试剂处理
处理UHMWPE纤维的化学试剂多为强氧化剂．如铬酸、重铬酸钾、双氧水等。这些试剂能够和UHMWPE纤维表面发生氧化反应，在纤维表面引入活性基团，有利于与树脂基体发生化学反应；同时可以在纤维表面进行刻蚀，增大纤维与树脂的接触面积。在这些试剂中铬酸处理的效果较好。例如，骆玉祥等同分别用高锰酸钾、浓硝酸、铬酸等试剂对UHMWPE纤维表面进行处理，发现铬酸的效果最好。王保刚等同对重铬酸氧化处理后的高强高模聚乙烯纤维的强力、表面形态、表面官能团及其含量以及与环氧树脂的粘结性进行了研究。结果表明，重铬酸氧化处理后的纤维强力明显下降，表面出现了刻痕，但极性官能团含量增加，界面剪切强度也增加了2-3倍。
采用不同浓度和温度下的铬酸溶液对UHMWPE纤维进行表面处理。通过试验研究发现，提高处理液浓度不能提高UHMWPE纤维表面的接触角，升温则可以降低处理后纤维表面的接触角，使纤维表面浸润性增加。随着铬酸处理液浓度的增大，纤维表面刻蚀程度变得严重。经铬酸溶液处理后纤维复合材料的ILSS得到了提高，特别是升温处理后．ILSS能够升高200%，并随处理液浓度增加ILSS增大。表明复合材料的ILSS与纤维表面的极性基团和刻蚀程度密切相关。化学试剂方法的缺点在于废液难处理，容易污染环境，因而限制了其工业化应用。
2.3辐射引发表面接枝处理
辐射引发表面接枝的原理是在纤维表面通过辐射引发第二单体聚合在纤维表面生成一层与纤维性质不同的涂层，从而达到改善与树脂基体粘结性能。常用的辐射源有紫外线、γ射线、电子柬等。常用的第二单体为丙烯类单体，如丙烯酰胺、丙烯酸等。其中最常用的方法是紫外线法。紫外线法是先引发激活光敏剂，再由光敏剂引发单体接枝到纤维表面。庞雅莉等采用紫外辐射接枝方法对UHMWPE纤维表面进行改性，采用丙烯酰胺为接枝单体，探讨了单体种类及浓度、引发剂、抗氧剂、接枝方法等对UHMWPE纡维表面处理效果的影响。发现在光强度为86MW/cm2条件下，对UHMWPE纤维进行紫外辐射接枝改性．按照一定铺层方式制备的环氧基复合材料的ILSS从未处理的14.59MPa提高到17.36MPa。这表明纤维表面接枝改性确实加强了纤维与基体间的界面结合，提高了复合材料的整体力学性能。
资料下载：
UHMWPE纤维增强复合材料的界面性能研究进展.pdf
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