准分子紫外辐射对超高分子量聚乙烯纤维的表面改性

林婉悦　杨梅 孙理

摘  要：选用Xe₂^*准分子紫外灯对超高分子量聚乙烯纤维进行辐照处理，采用场发射扫描电镜和多功能X射线光电子能谱仪分析准分子紫外辐射处理前后纤维表面形貌和化学成分的变化;利用接触角测量仪测试处理前后纤维对蒸馏水的接触角。结果表明：超高分子量聚乙烯纤维经准分子紫外辐射后，纤维表面变粗糙，纤维表面碳元素含量下降，氧元素含量上升，纤维对蒸馏水的接触角显著降低。

关键词：超高分子量聚乙烯纤维;准分子紫外辐射;表面改性

中图分类号：TS102.1          文献标识码：A     文章编号：1674-2346（2021）04-0008-04

现代纺织品的开发、应用与绿色染整的目标都要求发展一种节能环保、高效实用、操作简便的新型纺织品无水处理技术。准分子紫外灯辐射技术不仅具有激光、等离子体、传统紫外线等表面处理的共同特性，而且还具有高效、操作简便、处理面积大等特有优势。^[1-2]因此，利用准分子紫外灯辐射技术对纺织材料进行表面改性，开发高附加值、新功能纺织品，将具有广阔前景。^[3]

超高分子量聚乙烯纤维是继碳纤维、芳纶纤维之后的第三代高性能纤维。具有强度高、耐化学药品性好、耐海水性好、生物相容性好、电性能好、密度小、质量轻等优点。因此，广泛用于国防军需、航空、航天、安全防护、海洋工程、体育器材、电力通讯、医用材料等领域。然而在使用过程中尤其是制备复合材料时为了提高与树脂的粘合性能，需要进行表面处理。^[4]

本文拟采用准分子紫外灯对超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，研究辐照处理对其表面性质的影响，以便将来用于高性能复合材料的开发。

1  实验

1.1 实验材料与设备

材料：超高分子量聚乙烯纤维（中科院材料所提供）

设备：Xe₂*准分子紫外灯（BlueLight Compact 172/120Z，Heraeus-Noblelight），索氏提取器（北京格润得公司），扫描电子显微镜（S-4800，日本日立公司），多功能X射线光电子能谱仪（AXIS ULTRA DLD，日本岛津公司），接触角测量仪（OCA20，德国Data physics），电热恒温鼓风烘箱（101A-2，宁波纺织仪器厂）。

1.2 实验方法

1.2.1 样品预处理

超高分子量聚乙烯纤维用1%洗涤剂水溶液洗涤15min后再用清水冲洗15min，60℃烘干后，在索氏提取器中用丙酮萃取8h，晾干。

1.2.2 准分子紫外辐射处理

将经过预处理的聚乙烯纤维置于常压空气Xe₂*准分子紫外灯下间距为0.5cm处，辐射光中心波长为172nm，光强约50 mW/cm²，辐照时间分别设定为0 min、1 min、5 min、10 min。

1.3 测试方法

1.3.1 扫描电子显微镜（SEM）观察

超高分子量聚乙烯纤维经准分子紫外辐射处理前后表面形态的变化使用S-4800型SEM测试观察。测试样品真空喷金，加速电压5 kV，冷场发射电子源，放大5000倍。

1.3.2 多功能X射线光电子能谱（XPS）测试

超高分子量聚乙烯纤维经准分子紫外灯辐照前后表面化学元素含量和结构的变化采用AXIS ULTRA DLD型XPS测试系统对其进行测试、分析。X射线源：15kV，30mA（450W） 清洁的Ag 3d5/2光电子峰。

1.3.3 润湿性测试

超高分子量聚乙烯纤维经准分子紫外辐射前后润湿性的变化，采用OCA20接触角测量仪测定纤维束表面与蒸馏水滴的接触角来表征，该测试于恒温恒湿室内进行，温度为20±3℃，相对湿度为65%±3%。

2  结果与讨论

2.1  Xe₂*准分子紫外辐射處理对超高分子量聚乙烯纤维表面形态的影响

超高分子量聚乙烯纤维经Xe₂*准分子紫外辐射处理前后纤维表面的SEM照片如图1所示。由图1a可知，未经辐射处理的超高分子量聚乙烯纤维表面整体较为光洁平整略有沟槽，经Xe₂*准分子紫外灯辐射处理1 min后，纤维表面即出现翘起，沟槽略深，出现少量低聚物样颗粒，纤维表面SEM照片如图1b所示;而经准分子紫外辐射处理5 min后的纤维表面SEM照片如图1c所示，纤维表面沟槽加剧，突出翘起;辐照10 min后，纤维表面沟槽不如5 min剧烈，表面低聚物样颗粒增多，并出现堆积。

波长为172nm的Xe₂*准分子紫外灯辐照超高分子量聚乙烯纤维时，在纤维表面形成了臭氧-氧循环，继而在纤维表面发生光氧化反应。随着辐照时间的延长，能量较高的Xe₂*准分子紫外光子对超高分子量聚乙烯纤维表面的光化学反应剧烈到其最浅表面发生轻微刻蚀。从而出现SEM照片所示的纤维表面出现突出翘起和沟槽加剧现象，以及有低聚物颗粒从表面溅射析出。^[3]

2.2  Xe₂*准分子紫外辐射处理对超高分子量聚乙烯纤维表面化学结构的影响

超高分子量聚乙烯纤维经Xe₂*准分子紫外辐射处理前后纤维表面主要元素和官能团的变化用XPS测试分析后结果如表1和图2所示。表1为纤维表面C1s和O1s元素的含量变化，结果显示，超高分子量聚乙烯纤维经辐射处理后，表面O元素含量随着C元素含量的缓慢减小而相应增大。

对于超高分子量聚乙烯纤维经辐射处理前后，表面元素C1s分峰谱图如图2所示。从图中可以清楚地看出，超高分子量聚乙烯纤维经辐照1 min后，C元素的峰由原先的285.0eV的C-C基团和286.5eV的C-O基团两个峰增加了一个287.8eV的C=O基团^[5]（图2a和图2b）;而辐照处理5 min、10 min后纤维表面C元素峰虽然均未出现新峰，但是C元素分峰结果显示C-O基团含量有所增加（图2c和图2d）。

超高分子量聚乙烯纤维经辐照后，非极性的骨架碳逐渐转化成极性C-O和微量非极性醛酮碳C=O，总的趋势是增加了纤维表面的极性。纤维的表面化学组成和结构特征又决定了表面自由能的大小，后者决定了纤维的润湿性和化学反应性，因此它将直接影响到超高分子量聚乙烯纤维的后续处理中的界面性能，比如在聚乙烯纤维增强复合材料制备中可在纤维和基体材料间形成化学键。^[3]121

2.3  Xe₂^*准分子紫外辐射处理对超高分子量聚乙烯纤维表面润湿性的影响

表2是超高分子量聚乙烯纤维表面对蒸馏水的润湿性随辐照时间的变化关系，结合前面SEM和XPS测试分析结果来看，Xe₂*准分子紫外灯短时间（1 min）的辐照处理即可将超高分子量聚乙烯纤维表面变粗糙，并且使得纤维表面极性略有增强，因此超高分子量聚乙烯纤维对极性蒸馏水的润湿性有所提高，接触角下降了25.83%;当辐照5 min后，纤维表面刻蚀剧烈，且极性增强，因而纤维对蒸馏水的接触角显著减小，下降了61.86%;然而当辐照10 min后，虽然纤维表面刻蚀明显，但因为低聚物颗粒析出较多，反而使纤维表面对蒸馏水的接触角在5 min样的基础上有所回升。因此，对于超高分子量聚乙烯纤维经Xe₂*准分子紫外辐射处理，表面润湿性的改善受纤维表面粗糙度、纤维表面化学极性以及低聚物颗粒物析出等因素综合影响。

3  结论

本文利用Xe₂*准分子紫外灯（172 nm， VUV）对超高分子量聚乙烯纤维进行辐射处理，对于处理前后纤维表面形态、表面化学元素和表面润湿性的变化做了研究，得到以下结论：

（1）SEM測试结果表明，经Xe₂*准分子紫外辐射5 min后，超高分子量聚乙烯纤维表面出现突出翘起，表面刻蚀剧烈，辐照时间延长至10 min，表面低聚物颗粒析出明显。

（2）XPS测试结果显示，超高分子量聚乙烯纤维经辐照处理后，表面O元素随着C元素的减小而增大，极性C-O基团含量有所增加。

（3）经Xe₂*准分子紫外辐射处理5 min后，超高分子量聚乙烯纤维对蒸馏水的接触角可从处理前的84.89°降低到32.38°，纤维表面润湿性显著改善。

参考文献[1]朱敏.准分子激光引发PET材料表面接枝提高表面亲水性[D].上海：中国纺织大学，2006：21-26.