超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）由非极性亚甲基分子链组成，具备出色的强度、量、化学稳定性、耐腐蚀性以及抗冲击性能，是高性能纤维领域的重要材料。然而，由于其表面光滑、缺乏极性官能团且表面能较低,导致纤维与基体材料之间的界面结合力较弱，未经表面改性或功能化处理时，超高分子量聚乙烯纤维难以实现与基体的高效结合，进而无法发挥其优异的性能。等离子体处理作为一种高效的表面改性技术,能够在纤维表面引入大量极性官能团(如羟基、羧基等),显著提高表面极性和粘合性能。

等离子体处理技术

等离子体处理是一种由中性粒子与高能带电粒子组成离子体的综合改性技术。等离子体处理对材料的改性深度仅为100nm左右,对材料本体结构不产生明显破坏,有利于高性能纤维保持其优异的力学性能。

等离子体改性纤维界面技术的实质是利用等离子体处理装置生成的高能活性粒子破坏纤维表面的C-C和C-H化学键，促使纤维表面分子链获得自由基，进而转变为具有一定活性的官能团的过程。为了有效实现纤维表面改性，等离子体产生的粒子能量应高于UHMWPE纤维中化学键能。从各粒子能量和化学键键能可以看出，等离子体足以将纤维化学键破坏(表1-1)。此外，等离子体对纤维表面也会产生刻蚀作用，使纤维表面粗糙度增加，以此改善纤维的表面机械互锁性能。

表1-1 等离子体粒子能量和UHMWPE纤维化学键能

一般等离子体气氛为氧气、氩气、氦气、氮气或者几种气体按一定比例组合,其中氧气作为产生介质时,在材料表面产生的新基团活性更高。其中氧气等离子体处理UHMWPE纤维机理为含氧高能粒子将UHMWPE纤维表面的C-C和C-H化学键断裂,并重新在纤维表面生成含氧官能团,如羟基、羧基和羰基等(图1.1)。

图1.1 氧气等离子体处理UHMWPE纤维

等离子体处理对超高分子量聚乙烯纤维表面亲水性的影响

接触角测试是评估材料表面亲水性的重要手段,如表1-2所示,未经等离子处理的UHMWPE纤维表面接触角较高,接触角为113°,表面表现出强疏水性。这是由于未改性的UHMWPE纤维表面以非极性的C-C和C-H键为主,缺乏亲水性基团,且表面光滑无微观粗糙结构,导致其表面能较低,难以与水分子形成有效润湿。经过等离子体处理后UHMWPE纤维表现明显快速的浸润,接触角为0。这种显著变化主要源于以下两个因素:一方面,等离子体在纤维表面引入了大量极性基团(如-OH、C=O和O-C=O),显著提高了纤维表面化学活性;另一方面,等离子体刻蚀作用形成了显著的微观粗糙结构。粗糙表面通过“Wenzel效应”放大了亲水特性,从而使纤维表面表现出优异的润湿性能。

表1-2 等离子体不同处理功率的UHMWPE纤维的接触角

等离子体处理不仅在改善材料性能方面具有显著优势，还因其环保性、可连续化操作性以及适合大规模生产的特点，成为现代表面改性技术中的重要手段。等离子体处理技术凭借其环境友好、操作简便、高效且适用于大规模生产的优势,为UHMWPE纤维在高性能复合材料中的应用开辟了新的发展空间。