多酚-氨基硅烷改性超高分子量聚乙烯纤维的制备及其界面性能

作者：汪维海陈宏黄志超姚湘江吴金丹戚栋明

来源：《现代纺织技术》2022年第06期

建筑机械化

公民社会理论

肖洛霍夫

史阜民

摘要：为提高超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维与环氧树脂的界面剪切强度，选用3种多酚类化合物（多巴胺、邻苯二酚和单宁酸）对UHMWPE纤维进行表面改性，再利用引入的反应性官能团接枝3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）等测试手段对改性前后纤维的表面形貌、元素组成、结晶度等理化性质进行表征，探究多酚化合物种类、硅烷反应浓度和反应时间等因素对界面剪切强度的影响，并确定最佳改性条件。结果表明：多酚改性及氨基硅烷二次改性对纤维本体的结晶度和力学强度未造成显著影响；改性后的纤维和环氧树脂之间的界面剪切强度均有显著提高，质量分数3%的多巴胺-氨基硅烷改性3 h的纤维界面增强效果最佳，界面剪切强度提高了134.56%。

关键词：多巴胺；邻苯二酚；单宁酸；硅烷偶联剂；超高分子量聚乙烯纤维；界面剪切强度

中图分类号： TS102.6

文献标志码： A

文章编号： 1009-265X（2022）06-0063-10

Preparation and interfacial properties of UHMWPE fibers modified by polyphenol & amino silane

WANG Weihai 1， CHEN Hong 2， HUANG Zhichao 1， YAO Xiangjiang 2， WU Jindan 1， QI Dongming 1

（1.Zhejiang Provincial Engineering Research Center for Green and Low-carbon Dyeing & Finishing， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Zhejiang Qianxilong Special Fiber Co.， Ltd.， Yongkang 321300， China）

Abstract： In order to improve the interfacial shear strength between ultra-high molecular weight polyethylene （UHMWPE） fiber and epoxy resin， three polyphenols （dopamine， catechol and tannic acid） were used for the surface modification of UHMWPE fiber， and then 3-（aminopropyl）triethoxysilane （KH550） was grafted with the introduced reactive functional groups. The surface morphology， element composition and crystallinity of the modified fiber were characterized by scanning electro

n microscopy （SEM）， X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） and X-ray diffraction （XRD）. The effects of polyphenol type， silane reaction concentration and reaction time on interfacial shear strength were investigated， and the optimum modification conditions were determined. It was found that the modification process had no significant effect on the crystallinity and mechanical strength of the fiber. The interfacial shear strength between the modified fiber and epoxy resin was improved significantly. The interfacial shear strength between fiber modified by dopamine and amino silane （3%， 3 h） and epoxy resin increased by 134.56%.石家庄平安口腔学校

Key words： dopamine; catechol; tannin; silane coupling agent; ultra-high molecular weight polyethylene fiber; interfacial shearing strength

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖维因其有高结晶度和高取向度，从而具有高模量、高强度、耐摩擦、耐腐蚀性等特性，是一种性能优异的高性能纤维［1-2］。UHMWPE纤维是制作软质防弹服、防刺衣、轻质防弹头盗、雷达罩、防弹装甲、舰艇及远洋船舶缆绳、航天航空结构件等产品的理想材料，并在复合材料应用特别是高性能汽车、

运动器械、土木基建装备等领域应用中显现出巨大潜力［3］。然而，UHMWPE 侧基含量低、无极性基团、分子间作用力较弱，因此其纤维表面呈现化学惰性，难以与被增强聚合物进行界面结合。该缺陷严重制约了UHMWPE纤维在纤维增强聚合物复合材料领域的应用［4］。

对UHMWPE纤维进行表面活化可以有效改善纖维与基体材料之间的黏结性能，使纤维增强聚合物复合材料的性能得到提升。国内外研究人员一般采取强氧化剂处理［5-6］、辐照接枝处理［7-8］、电晕放电处理［9］等方法对UHMWPE纤维表面进行活化，但这些方法也存在着一定缺陷：如强氧化剂处理会损害纤维自身的晶体结构，造成纤维力学性能下降；辐射接枝过程不易控制、改性不均匀；电晕放电处理的纤维与基体之间的剪切力有限等。在UHMWPE纤维表面引入具有高反应活性的涂层是一种有效的方法，它可以在不损伤纤维力学强度的前提下，提高纤维与基体材料的界面结合性能。

海洋贻贝分泌的黏附蛋白具有极强的黏附性，这一现象受到研究人员广泛关注［10］。经大量研究证实，黏附蛋白之所以能产生这种黏附现象，主要是由其自身结构中的3，4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）所引起。DOPA中的邻苯二酚基团在氧化剂存在或者碱

马车夫之歌性环境条件下极易被氧化生成醌式结构，并相互共价偶联，形成交联结构，使其黏附性能大大提高；且邻苯二酚基团具有很强的配位能力，能与游离的金属离子发生可逆的络合反应增加黏附强度。通过模仿贻贝黏附蛋白的分子结构，开发新型贻贝仿生学黏附材料，已成为界面领域的研究热点，也为UHMWPE纤维表面改性提供了新的启示。

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