林婉悅　楊梅 孫理

摘??要：選用Xe₂^*準(zhǔn)分子紫外燈對(duì)超高分子量聚乙烯纖維進(jìn)行輻照處理，采用場發(fā)射掃描電鏡和多功能X射線光電子能譜儀分析準(zhǔn)分子紫外輻射處理前后纖維表面形貌和化學(xué)成分的變化;利用接觸角測量儀測試處理前后纖維對(duì)蒸餾水的接觸角。結(jié)果表明：超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)準(zhǔn)分子紫外輻射后，纖維表面變粗糙，纖維表面碳元素含量下降，氧元素含量上升，纖維對(duì)蒸餾水的接觸角顯著降低。

關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯纖維;準(zhǔn)分子紫外輻射;表面改性

中圖分類號(hào)：TS102.1??????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1674-2346（2021）04-0008-04

現(xiàn)代紡織品的開發(fā)、應(yīng)用與綠色染整的目標(biāo)都要求發(fā)展一種節(jié)能環(huán)保、高效實(shí)用、操作簡便的新型紡織品無水處理技術(shù)。準(zhǔn)分子紫外燈輻射技術(shù)不僅具有激光、等離子體、傳統(tǒng)紫外線等表面處理的共同特性，而且還具有高效、操作簡便、處理面積大等特有優(yōu)勢。^[1-2]因此，利用準(zhǔn)分子紫外燈輻射技術(shù)對(duì)紡織材料進(jìn)行表面改性，開發(fā)高附加值、新功能紡織品，將具有廣闊前景。^[3]

超高分子量聚乙烯纖維是繼碳纖維、芳綸纖維之后的第三代高性能纖維。具有強(qiáng)度高、耐化學(xué)藥品性好、耐海水性好、生物相容性好、電性能好、密度小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。因此，廣泛用于國防軍需、航空、航天、安全防護(hù)、海洋工程、體育器材、電力通訊、醫(yī)用材料等領(lǐng)域。然而在使用過程中尤其是制備復(fù)合材料時(shí)為了提高與樹脂的粘合性能，需要進(jìn)行表面處理。^[4]

本文擬采用準(zhǔn)分子紫外燈對(duì)超高分子量聚乙烯纖維進(jìn)行表面改性，研究輻照處理對(duì)其表面性質(zhì)的影響，以便將來用于高性能復(fù)合材料的開發(fā)。

1??實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

材料：超高分子量聚乙烯纖維（中科院材料所提供）

設(shè)備：Xe₂*準(zhǔn)分子紫外燈（BlueLight Compact 172/120Z，Heraeus-Noblelight），索氏提取器（北京格潤得公司），掃描電子顯微鏡（S-4800，日本日立公司），多功能X射線光電子能譜儀（AXIS ULTRA DLD，日本島津公司），接觸角測量儀（OCA20，德國Data physics），電熱恒溫鼓風(fēng)烘箱（101A-2，寧波紡織儀器廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品預(yù)處理

超高分子量聚乙烯纖維用1%洗滌劑水溶液洗滌15min后再用清水沖洗15min，60℃烘干后，在索氏提取器中用丙酮萃取8h，晾干。

1.2.2 準(zhǔn)分子紫外輻射處理

將經(jīng)過預(yù)處理的聚乙烯纖維置于常壓空氣Xe₂*準(zhǔn)分子紫外燈下間距為0.5cm處，輻射光中心波長為172nm，光強(qiáng)約50?mW/cm²，輻照時(shí)間分別設(shè)定為0?min、1 min、5 min、10 min。

1.3 測試方法

1.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)準(zhǔn)分子紫外輻射處理前后表面形態(tài)的變化使用S-4800型SEM測試觀察。測試樣品真空噴金，加速電壓5 kV，冷場發(fā)射電子源，放大5000倍。

1.3.2 多功能X射線光電子能譜（XPS）測試

超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)準(zhǔn)分子紫外燈輻照前后表面化學(xué)元素含量和結(jié)構(gòu)的變化采用AXIS ULTRA DLD型XPS測試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測試、分析。X射線源：15kV，30mA（450W） 清潔的Ag 3d5/2光電子峰。

1.3.3 潤濕性測試

超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)準(zhǔn)分子紫外輻射前后潤濕性的變化，采用OCA20接觸角測量儀測定纖維束表面與蒸餾水滴的接觸角來表征，該測試于恒溫恒濕室內(nèi)進(jìn)行，溫度為20±3℃，相對(duì)濕度為65%±3%。

2??結(jié)果與討論

2.1??Xe₂*準(zhǔn)分子紫外輻射處理對(duì)超高分子量聚乙烯纖維表面形態(tài)的影響

超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)Xe₂*準(zhǔn)分子紫外輻射處理前后纖維表面的SEM照片如圖1所示。由圖1a可知，未經(jīng)輻射處理的超高分子量聚乙烯纖維表面整體較為光潔平整略有溝槽，經(jīng)Xe₂*準(zhǔn)分子紫外燈輻射處理1?min后，纖維表面即出現(xiàn)翹起，溝槽略深，出現(xiàn)少量低聚物樣顆粒，纖維表面SEM照片如圖1b所示;而經(jīng)準(zhǔn)分子紫外輻射處理5?min后的纖維表面SEM照片如圖1c所示，纖維表面溝槽加劇，突出翹起;輻照10 min后，纖維表面溝槽不如5?min劇烈，表面低聚物樣顆粒增多，并出現(xiàn)堆積。

波長為172nm的Xe₂*準(zhǔn)分子紫外燈輻照超高分子量聚乙烯纖維時(shí)，在纖維表面形成了臭氧-氧循環(huán)，繼而在纖維表面發(fā)生光氧化反應(yīng)。隨著輻照時(shí)間的延長，能量較高的Xe₂*準(zhǔn)分子紫外光子對(duì)超高分子量聚乙烯纖維表面的光化學(xué)反應(yīng)劇烈到其最淺表面發(fā)生輕微刻蝕。從而出現(xiàn)SEM照片所示的纖維表面出現(xiàn)突出翹起和溝槽加劇現(xiàn)象，以及有低聚物顆粒從表面濺射析出。^[3]

2.2??Xe₂*準(zhǔn)分子紫外輻射處理對(duì)超高分子量聚乙烯纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)Xe₂*準(zhǔn)分子紫外輻射處理前后纖維表面主要元素和官能團(tuán)的變化用XPS測試分析后結(jié)果如表1和圖2所示。表1為纖維表面C1s和O1s元素的含量變化，結(jié)果顯示，超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)輻射處理后，表面O元素含量隨著C元素含量的緩慢減小而相應(yīng)增大。

對(duì)于超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)輻射處理前后，表面元素C1s分峰譜圖如圖2所示。從圖中可以清楚地看出，超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)輻照1 min后，C元素的峰由原先的285.0eV的C-C基團(tuán)和286.5eV的C-O基團(tuán)兩個(gè)峰增加了一個(gè)287.8eV的C=O基團(tuán)^[5]（圖2a和圖2b）;而輻照處理5 min、10 min后纖維表面C元素峰雖然均未出現(xiàn)新峰，但是C元素分峰結(jié)果顯示C-O基團(tuán)含量有所增加（圖2c和圖2d）。

超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)輻照后，非極性的骨架碳逐漸轉(zhuǎn)化成極性C-O和微量非極性醛酮碳C=O，總的趨勢是增加了纖維表面的極性。纖維的表面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征又決定了表面自由能的大小，后者決定了纖維的潤濕性和化學(xué)反應(yīng)性，因此它將直接影響到超高分子量聚乙烯纖維的后續(xù)處理中的界面性能，比如在聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備中可在纖維和基體材料間形成化學(xué)鍵。^[3]121

2.3 ?Xe₂^*準(zhǔn)分子紫外輻射處理對(duì)超高分子量聚乙烯纖維表面潤濕性的影響

表2是超高分子量聚乙烯纖維表面對(duì)蒸餾水的潤濕性隨輻照時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)合前面SEM和XPS測試分析結(jié)果來看，Xe₂*準(zhǔn)分子紫外燈短時(shí)間（1 min）的輻照處理即可將超高分子量聚乙烯纖維表面變粗糙，并且使得纖維表面極性略有增強(qiáng)，因此超高分子量聚乙烯纖維對(duì)極性蒸餾水的潤濕性有所提高，接觸角下降了25.83%;當(dāng)輻照5 min后，纖維表面刻蝕劇烈，且極性增強(qiáng)，因而纖維對(duì)蒸餾水的接觸角顯著減小，下降了61.86%;然而當(dāng)輻照10 min后，雖然纖維表面刻蝕明顯，但因?yàn)榈途畚镱w粒析出較多，反而使纖維表面對(duì)蒸餾水的接觸角在5 min樣的基礎(chǔ)上有所回升。因此，對(duì)于超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)Xe₂*準(zhǔn)分子紫外輻射處理，表面潤濕性的改善受纖維表面粗糙度、纖維表面化學(xué)極性以及低聚物顆粒物析出等因素綜合影響。

3 ?結(jié)論

本文利用Xe₂*準(zhǔn)分子紫外燈（172 nm， VUV）對(duì)超高分子量聚乙烯纖維進(jìn)行輻射處理，對(duì)于處理前后纖維表面形態(tài)、表面化學(xué)元素和表面潤濕性的變化做了研究，得到以下結(jié)論：

（1）SEM測試結(jié)果表明，經(jīng)Xe₂*準(zhǔn)分子紫外輻射5 min后，超高分子量聚乙烯纖維表面出現(xiàn)突出翹起，表面刻蝕劇烈，輻照時(shí)間延長至10 min，表面低聚物顆粒析出明顯。

（2）XPS測試結(jié)果顯示，超高分子量聚乙烯纖維經(jīng)輻照處理后，表面O元素隨著C元素的減小而增大，極性C-O基團(tuán)含量有所增加。

（3）經(jīng)Xe₂*準(zhǔn)分子紫外輻射處理5 min后，超高分子量聚乙烯纖維對(duì)蒸餾水的接觸角可從處理前的84.89°降低到32.38°，纖維表面潤濕性顯著改善。

參考文獻(xiàn)[1]朱敏.準(zhǔn)分子激光引發(fā)PET材料表面接枝提高表面親水性[D].上海：中國紡織大學(xué)，2006：21-26.