本發(fā)明涉及一種纖維表面官能化處理方法，更具體地說涉及一種超高分子量聚乙烯纖維表面官能化處理方法。
背景技術(shù)：
纖維增強復(fù)合材料具有巨大的市場需求。迄今為止，國內(nèi)已應(yīng)用在高性能樹脂基復(fù)合材料中的纖維主要包括：碳纖維、芳綸纖維和高強度玻璃纖維，這些纖維表面含有豐富的極性基團(比如：羰基、羧基、氨基和羥基等基團)能與樹脂起較好的連接作用，但價格較高，限制了其大規(guī)模使用。超高分子量聚乙烯纖維(英文全稱：Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，簡稱UHMWPE)能量吸收性能和耐磨損性均比芳綸優(yōu)異,斷裂伸長率明顯高于碳纖維。相對于碳纖維和芳綸纖維，國內(nèi)UHMWPE纖維技術(shù)成熟度較高，然而經(jīng)取向后的UHMWPE纖維表面無任何反應(yīng)活性點，不能與樹脂形成化學(xué)鍵合，表面能低且不易被樹脂潤濕，又無粗糙的表面以供形成機械嚙合點，從而限制了它在結(jié)構(gòu)材料上的應(yīng)用，因此對纖維表面進行改性對于超高聚乙烯纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用具有重大意義和廣泛的應(yīng)用前景。
目前，聚烯烴表面極性化處理的方法主要有化學(xué)氧化處理、電暈處理、等離子處理等表面改性，其中，化學(xué)氧化處理采用強氧化劑，污染環(huán)境，還容易造成氧化程度過深使纖維強度下降；等離子體對設(shè)備要求高，電暈處理纖維表面極化不均一，這些方法較難實現(xiàn)工業(yè)化。因此需要研制開發(fā)一種新的超高分子量聚乙烯纖維表面官能化處理方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，提供一種超高分子量聚乙烯纖維表面官能化處理方法，該方法實現(xiàn)UHMWPE纖維表面與基體樹脂的良好聯(lián)結(jié)，從而提高了UHMWPE纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
本發(fā)明的超高分子量聚乙烯纖維表面官能化處理方法，其包括以下步驟：
1)將超高分子量聚乙烯纖維牽引進入含氯水相體系的密閉水槽進行表面氯化反應(yīng)，水槽的溫度控制為50～80℃，纖維在水槽中的浸漬時間5～30min，得到表面氯化度為20～50％的氯化超高分子量聚乙烯纖維；
2)將氯化超高分子量聚乙烯纖維通過循環(huán)清水槽進行清洗；
3)將清洗好的氯化超高分子量聚乙烯纖維牽引進入接枝反應(yīng)水槽中，水槽溫度為40～60℃，纖維在水槽中的浸漬時間10～60min，得到表面羥基化的超高分子量聚乙烯纖維；
4)將表面羥基化的超高分子量聚乙烯纖維通過循環(huán)清水槽進行清洗，用60～80℃的熱風吹干；
5)將表面羥基化的超高分子量聚乙烯纖維進入官能化單體溶液中，根據(jù)不同官能化單體反應(yīng)要求，控制體系溫度或加入反應(yīng)催化劑，得到表面官能化的超高分子量聚乙烯纖維。
本發(fā)明上述的處理方法，其進一步的技術(shù)方案是所述的超高分子量聚乙烯纖維的平均分子量為100～500萬。
本發(fā)明上述的處理方法，其進一步的技術(shù)方案還可以是所述的含氯水相體系原料重量配比為：
去離子水 100份
氯 0.1～0.5份。
本發(fā)明上述的處理方法，其進一步的技術(shù)方案還可以是所述的接枝反應(yīng)水槽中水溶液原料重量配比為：
本發(fā)明中更進一步的技術(shù)方案是所述的氧化劑為CuCl2、CuBr2、FeCl3、FeBr3或任意兩種的混合物；所述的還原劑為乙二醇、丙三醇、葡萄糖、異丙醇或1,4-丁二醇；所述的氧化-還原催化劑為碳酸鈉、碳酸鉀、磷酸氫二鈉、磷酸鈉、磷酸氫二鉀、磷酸鉀、氫氧化鈉或氫氧化鉀；所述的絡(luò)合劑為聯(lián)二吡啶、乙二胺四乙酸、三-(2-二甲氨乙基)胺或五甲基二乙烯三胺。本發(fā)明中更進一步的技術(shù)方案還可以是所述的活性單體為甲基丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸羥丙酯、丙烯酸羥丙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丁酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸異冰片酯、丙烯酸異冰片酯、甲基丙烯酸-2-乙基己酯、丙烯酸-2-乙基己酯、甲基丙烯酸縮水甘油酯或丙烯酸縮水甘油酯。更進一步的技術(shù)方案還可以是所述的共溶劑為吡啶、甲酰胺、丙酮或二甲基甲酰胺。
本發(fā)明上述的處理方法，其進一步的技術(shù)方案還可以是所述的官能化單體為馬來酸酐、鄰苯二甲酸酐、丁二酸酐、聚醚型二異氰酸、聚醚型單異氰酸、聚酯型單異氰酸、二苯基甲烷二異氰酸酯、二苯甲烷二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、環(huán)己烷二異氰酸酯、3,5-二甲基苯基異氰酸酯或2,4-二氯苯基異氰酸酯。
本發(fā)明的原理如下：
UHMWPE纖維表面經(jīng)氯化后，利用原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)將丙烯酸酯類活性單體接枝在UHMWPE纖維表面，根據(jù)所復(fù)合的基體樹脂的需求，對接枝纖維表面進行官能化改性，從而提高UHMWPE纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：
1、不對UHMWPE纖維造成深度破壞；2、對設(shè)備要求不高；3、UHMWPE纖維表面官能化處理均一；4、可根據(jù)樹脂基材料的需求，在UHMWPE纖維表面獲得對應(yīng)的官能基團；5、提高了UHMWPE纖維與樹脂基材料之間的粘結(jié)強度。
附圖說明
圖1為實施例1的UHMWPE纖維表面接枝上甲基丙烯酸羥乙酯的傅里葉紅外圖譜；
具體實施方式：
實施例1
將UHMWPE纖維通過含氯水相體系進行表面氯化反應(yīng)，氯化水溶液中含有：100份去離子水，0.4份氯，反應(yīng)溫度65℃，通過水槽中的浸漬時間10min，獲得氯化度為30％的UHMWPE纖維表面，表面氯化后的UHMWPE纖維通過接枝反應(yīng)水溶液中進行原子基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其接枝反應(yīng)水溶液中含有：100份去離子水，0.2份氧化劑CuCl2，1份還原劑乙二醇，3份活性單體甲基丙烯酸羥乙酯，1份氧化還原催化劑碳酸鈉，0.5份絡(luò)合劑吡啶，該接枝反應(yīng)溫度為40℃，反應(yīng)時間30min，接枝反應(yīng)后的纖維經(jīng)水槽清洗、80℃熱風干燥，獲得表面含有羥基的UHMWPE纖維，該纖維表面經(jīng)過濃度為0.5M的馬來酸酐乙酸乙酯溶液，反應(yīng)溫度50℃，使得纖維表面含有碳碳雙鍵和羧基官能團，該纖維適用于不飽和樹脂復(fù)合材料。UHMWPE表面接枝上官能化基團結(jié)構(gòu)如下：
實施例2
將UHMWPE纖維通過含氯水相體系進行表面氯化反應(yīng)，氯化水溶液中含有：100份去離子水，0.25份氯，反應(yīng)溫度75℃，通過水槽中的浸漬時間5min，獲得氯化度為30％的UHMWPE纖維表面，表面氯化后的UHMWPE纖維通過接枝反應(yīng)水溶液中進行原子基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其接枝反應(yīng)水溶液中含有：100份去離子水，0.5份氧化劑CuBr2，4份活性單體甲基丙烯酸羥乙酯，1份還原劑丙三醇，1份氧化還原催化劑碳酸鈉，0.5份絡(luò)合劑聯(lián)二吡啶，該接枝反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)時間20min，接枝反應(yīng)后的纖維經(jīng)水槽清洗、80℃熱風干燥，獲得表面含有羥基的UHMWPE纖維，該纖維表面經(jīng)過濃度為0.4M的鄰苯二甲酸酐乙酸乙酯溶液，反應(yīng)溫度55℃，使得纖維表面含有碳碳雙鍵和羧基官能團，該纖維適用于不飽和樹脂復(fù)合材料。UHMWPE表面接枝上官能化基團結(jié)構(gòu)如下：
實施例3
將UHMWPE纖維通過含氯水相體系進行表面氯化反應(yīng)，氯化水溶液中含有：100份去離子水，0.3份氯，反應(yīng)溫度60℃，通過水槽中的浸漬時間10min，獲得氯化度為30％的UHMWPE纖維表面，表面氯化后的UHMWPE纖維通過接枝反應(yīng)水溶液中進行原子基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其接枝反應(yīng)水溶液中含有：100份去離子水，0.6份氧化劑CuCl2/FeCl3(按摩爾比1:0.2復(fù)配)，6份活性單體甲基丙烯酸羥丙酯，1份還原劑葡萄糖，1份氧化還原催化劑磷酸氫二鈉，0.6份絡(luò)合劑三-(2-二甲氨乙基)胺，該接枝反應(yīng)溫度為70℃，反應(yīng)時間15min，接枝反應(yīng)后的纖維經(jīng)水槽清洗、80℃熱風干燥，獲得表面含有羥基的UHMWPE纖維，該纖維表面經(jīng)過濃度為0.2M的二苯基甲烷二異氰酸酯甲苯溶液中，室溫反應(yīng)，使得纖維表面含有異氰酸酯基團，該纖維適用于含氨基或羥基基團樹脂復(fù)合材料。UHMWPE表面接枝上官能化基團結(jié)構(gòu)如下：
實施例4
將UHMWPE纖維通過含氯水相體系進行表面氯化反應(yīng)，氯化水溶液中含有：100份去離子水，0.5份氯，反應(yīng)溫度50℃，通過水槽中的浸漬時間20min，獲得氯化度為32％的UHMWPE纖維表面，表面氯化后的UHMWPE纖維通過接枝反應(yīng)水溶液中進行原子基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其接枝反應(yīng)水溶液中含有：100份去離子水，0.8份氧化劑CuBr2/CuCl2(按摩爾比1:0.5復(fù)配)，6份活性單體甲基丙烯酸甲酯、1份還原劑1,4-丁二醇、15份共溶劑二甲基甲酰胺、1份氧化還原催化劑氫氧化鈉、0.8份絡(luò)合劑五甲基二乙烯三胺，該接枝反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間35min，接枝反應(yīng)后的纖維經(jīng)水槽清洗、80℃熱風干燥，獲得表面含有極性基團的UHMWPE纖維。UHMWPE表面接枝上官能化基團結(jié)構(gòu)如下：
實施例5
將UHMWPE纖維通過含氯水相體系進行表面氯化反應(yīng)，氯化水溶液中含有：100份去離子水，0.4份氯，反應(yīng)溫度70℃，通過水槽中的浸漬時間15min，獲得氯化度為43％的UHMWPE纖維表面，表面氯化后的UHMWPE纖維通過接枝反應(yīng)水溶液中進行原子基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其接枝反應(yīng)水溶液中含有：100份去離子水，0.5份氧化劑FeCl3，8份活性單體甲基丙烯酸羥乙酯，1份還原劑葡萄糖，10份共溶劑甲酰胺，1份氧化還原催化劑磷酸鈉，1份絡(luò)合劑聯(lián)二吡啶，該接枝反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間40min，接枝反應(yīng)后的纖維經(jīng)水槽清洗、80℃熱風干燥，獲得表面含有羥基的UHMWPE纖維，該纖維表面經(jīng)過濃度為0.4M的3,5-二甲基苯基異氰酸酯甲苯溶液，反應(yīng)溫度60℃，使得纖維表面含有氨基基團。UHMWPE表面接枝上官能化基團結(jié)構(gòu)如下：
實施例6
將UHMWPE纖維通過含氯水相體系進行表面氯化反應(yīng)，氯化水溶液中含有：100份去離子水，0.4份氯，反應(yīng)溫度65℃，通過水槽中的浸漬時間20min，獲得氯化度為36％的UHMWPE纖維表面，表面氯化后的UHMWPE纖維通過接枝反應(yīng)水溶液中進行原子基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其接枝反應(yīng)水溶液中含有：100份去離子水，0.6份氧化劑FeBr3、6份甲基丙烯酸異冰片酯、1份還原劑異丙醇、10份共溶甲酰胺、1份氧化還原催化劑磷酸鉀、1份絡(luò)合劑乙二胺四乙酸，該接枝反應(yīng)溫度為55℃，反應(yīng)時間50min，接枝反應(yīng)后的纖維經(jīng)水槽清洗、80℃熱風干燥，獲得表面含異冰片酯基團的UHMWPE纖維。UHMWPE表面接枝上官能化基團結(jié)構(gòu)如下：