摘 要

随着现代社会的发展，相关行业对提高材料的使用方面的性能与要求有着迫切得需求。其中，超高分子量聚乙烯( UHMWPE)是塑料中性能最好的。超高分子量聚乙烯纤维具有超轻、高比模量、高比强度、高结晶度、高取向、非极性和惯性等优异性能。，但这些优点给它带来的缺点是其复合材料的界面结合力特别差，而且与基体材料难发生化学交联。这限制了它的发展，所以对于UHMWPE纤维改性的需求尤为迫切。就目前而言，一般自由基聚合反应很难控制不适合对其进行改性，所以我们采用反应容易控制的原子转移自由基聚合（ATRP）。本文介绍了用ATRP反应对超高分子量纤维进行表面改性。以氯化后的纤维团作为引发剂，以丙烯酰胺（AM）作为单体，在氯化亚铜/氯化铜作为催化剂来进行ATRP试验。测试了不同催化剂的配比和不同温度下以及反应时间。通过测量纤维的表面张力、红外光谱分析(AI)、扫面电镜（SEM）来确定以上不同环境下对UHMWPE纤维改性的接枝程度。

关键词：超高分子量聚乙烯纤维 ATRP 表面改性 接枝

Abstract

With the development of modern society, the related industries have been forced to improve the performance and requirements of the use of materials. Ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) is the best in plastic. UHMWPE fibers have excellent properties such as ultra light weight, high specific modulus, high specific strength, high crystallinity, high orientation, non-polar and inertia. However, the disadvantages of these advantages are the poor interface adhesion of the composites and the chemical crosslinking with the matrix materials. This restricts its development, so the demand for modification of UHMWPE fiber is particularly urgent. At present, the general free radical polymerization is difficult to control and is not suitable for modification, so we use the atom transfer free radical polymerization (ATRP) which is easily controlled by the reaction. The surface modification of ultra-high molecular weight fibers by ATRP reaction is introduced. The ATRP test was carried out on the cuprous chloride / cupric chloride using acrylamide as the monomer and chlorinated fiber group as initiator as monomer. The ratios of different catalysts, temperature and reaction time were tested. The surface tension of fiber, infrared spectrum analysis (AI) and scanning electron microscope (SEM) were used to determine the degree of grafting of UHMWPE fibers in the above different environment.

Key words: UHMWPE；ATRP；Surface modification；graft

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 UHMEPE的概述与简介 1

1.1.1 UHMWPE的优势与用途 1

1.1.2 UHMWPE研究进展 2

1.2 UHMWPE的表面改性 2

1.2.1 HMWPE的改性方法 2

1.3 原子转移自由基聚合（ATRP） 3

1.3.1 ATRP的概念与简介 3

1.3.2 ATRP的反应原理 3

1.3.3 ATRP的反应机理 4

1.3.4 ATRP的优点与缺点 5

1.3.5 ATRP引发聚合体系 5

1.4 UHMWPE改性 5

1.4.1 对UHMWPE的表面改性进展 5

第二章 实验部分 7

2.1 实验原料与设备 7

2.2原料制备 7

2.2.1 纤维团制备 7

2.2.2 UHMWPE纤维团的氯化 7

2.2.3 CuCl的提纯 8

2.2.4 丙烯酰胺的提纯 8

2.3 ATRP反应流程 9

2.3.1 ATRP反应装置 9

2.3.2 ATRP反应操作步骤 9

2.3.3 ATRP反应体系 10

2.3.4 ATRP反应注意事项 10

第三章 结论与分析 11

3.1 不同反应条件表面张力的分析 11

3.1.1 ATRP与温度 11

3.1.2 ATRP-时间体系 12

3.1.3 ATRP-总浓度体系 13

3.2 红外光谱 15

3.2 扫描电镜 15

3.4 蠕变试验 16

第四章 总结与展望 18

4.1 总结 18

4.2 展望 18

参考文献 19

致谢 22

绪论

自由基聚合在聚合物领域中起着重要作用。它是科学家开发的最早和最先进的聚合方法之一。自由基聚合具有多种可聚合单体、分子设计能力强、工业化简单等优点。是现在的工业生产聚合物的主要手段。但是自由基聚合也有许多缺点：缓慢聚合，而自由基链增长速度较快，从而导致自由基链终止和转移的情况，最后会使自由基聚合反应难以控制。而后得到的聚合物分子量分布特别宽，同时无法控制产物分子量的大小以及得不到想要的聚合物结构，更甚者偶尔会发生一些交联之类的副反应，从而得不到当初设计的那种聚合物，限制该产品的适用范围。根据这个背景，原子转移自由基聚合（ATRP）这个全新的自由聚合方法是王锦山博士及其老板卡内基梅隆大学的马蒂加茨吾斯基教授在1995年研发出来的^[1]。它可以有效地控制高分子的分子量和分子量分布^[2]。同时，我们还可以预先设计聚合物，以获得所需的产品。

1.1 UHMEPE的概述与简介

UHMWP纤维和CF纤维以及Nomex纤维统称为世界三大纤维。从它的微观的分子结构模型来看，UHMWPE的结构和一般的聚乙烯看不出什么区别，可是UHMWPE的相对分子质量可以达到上百万甚至是上千万，这种材料的熔点可以达到150 ℃左右。 因为UHMWPE有着很长的分子链，难以避免的支链之间是会有比较高的交互作用，同时也会相互连接与作用。从而产生的作用力全部作用在主链上，因此，UHMWPE纤维成为了优良的纤维，具有良好的易用性。

只有分子量高达一百五十万的聚乙烯才能被称作超高分子量聚乙烯，目前能生产UHMWPE的国家只要是美国、德国等这些化工强国，德国生产的分子量可以到达千万这个级别，我国主要集中在上海和北京生产。

1.1.1 UHMWPE的优势与用途

由于UHMWPE的分子量高，所以可以满足很多场景的使用需求，而且其摩擦和抗老化性能比普通塑料好得多，这些性质也是它的上百万甚至上千万的分子量所导致的。但是事情总有两面性，它的缺点也同样巨大。它的表面加工要比低分子量的聚合物要难得多。因为UHMWPE的缺点，如比较强度不高、高温流动性能比较差、表面硬度低及抗磨粒磨损能力比较差等，这就需要它通过交联和共混这些方法来对其进行表面改性。

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