江南大學紡織科學與工程學院/針織技術教育部工程研究中心馬丕波教授課題組為解決高性能纖維與樹脂基體界面結合性能，基于界面相微觀結構，針對高性能纖維表面極性較低，表面形態較為光滑等問題，設計了扭轉結構紗線和“固-柔”纖維功能化界面層結構，通過相互協同作用增強界面性能，提升高性能纖維紡織結構與樹脂之間基體結合強度。這項研究利用物理結構與化學鍵效應的協同策略提高了超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）與柔性樹脂之間的界面結合強度，實現了高效率、可規模化生產的高性能纖維界面性能處理方法。相關成果以“Synergistically improving interface behavior by designing physical twisting structure and “rigid-flexible” interface layer on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber surface” 為論文標題在線發表在Top期刊《Thin-walled Structure》。江南大學針織中心2021級博士研究生趙紫昱為論文第一作者；江南大學針織中心馬丕波教授為論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金(52373058，11972172)、江蘇省研究生科研實踐創新計劃(KYCX22_2337)資助。論文全文鏈接為：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.111805
文章概述
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維因具有諸多優異性能，如高強度、低密度、高抗沖擊性和出色的耐化學性等，使其在防彈軍事，航空航天，生物醫用材料，海洋工程等方面廣泛應用。在生產中超高分子量聚乙烯分子鏈得到完全延伸和排列，具有極高的結晶度和非常高的大分子取向性，使得纖維具有非常高的強度和模量。然而，高取向度的UHMWPE纖維結晶度高，不易被聚合物基體滲透且浸潤性較差，導致UHMWPE復合材料的界面結合強度較低，從而限制了其復合材料的廣泛應用。
本項工作中，研究人員設計了一種扭轉結構紗線和“剛-柔”纖維功能化界面層結構，通過物理結構與化學鍵效應的協同策略，完成了高性能纖維與樹脂基體之間界面強度的提高。分析了改性前后纖維的表面粗糙度和表面自由能，并闡明了界面增強機理。實驗結果表明，與未改性的UHWMPE纖維相比，改性后的T - UHWMPE纖維的界面剪切強度提高了218%。這種結合物理扭曲結構和“剛-柔”界面層的界面改性方法，將為制備具有高界面結合強度的高性能纖維增強復合材料提供有益的參考價值。
圖1 超高分子量聚乙烯纖維表面改性流程圖
圖2 改性超高分子量聚乙烯纖維XPS能譜分析
圖3 超高分子量聚乙烯纖維界面性能
圖4 超高分子量聚乙烯纖維界面增強機理