江南大学纺织科学与工程学院/针织技术教育部工程研究中心马丕波教授课题组为解决高性能纤维与树脂基体界面结合性能，基于界面相微观结构，针对高性能纤维表面极性较低，表面形态较为光滑等问题，设计了扭转结构纱线和“固-柔”纤维功能化界面层结构，通过相互协同作用增强界面性能，提升高性能纤维纺织结构与树脂之间基体结合强度。这项研究利用物理结构与化学键效应的协同策略提高了超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）与柔性树脂之间的界面结合强度，实现了高效率、可规模化生产的高性能纤维界面性能处理方法。相关成果以“Synergistically improving interface behavior by designing physical twisting structure and “rigid-flexible” interface layer on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber surface” 为论文标题在线发表在Top期刊《Thin-walled Structure》。江南大学针织中心2021级博士研究生赵紫昱为论文第一作者；江南大学针织中心马丕波教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(52373058，11972172)、江苏省研究生科研实践创新计划(KYCX22_2337)资助。论文全文链接为：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.111805

文章概述

    超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维因具有诸多优异性能，如高强度、低密度、高抗冲击性和出色的耐化学性等，使其在防弹军事，航空航天，生物医用材料，海洋工程等方面广泛应用。在生产中超高分子量聚乙烯分子链得到完全延伸和排列，具有极高的结晶度和非常高的大分子取向性，使得纤维具有非常高的强度和模量。然而，高取向度的UHMWPE纤维结晶度高，不易被聚合物基体渗透且浸润性较差，导致UHMWPE复合材料的界面结合强度较低，从而限制了其复合材料的广泛应用。

    本项工作中，研究人员设计了一种扭转结构纱线和“刚-柔”纤维功能化界面层结构，通过物理结构与化学键效应的协同策略，完成了高性能纤维与树脂基体之间界面强度的提高。分析了改性前后纤维的表面粗糙度和表面自由能，并阐明了界面增强机理。实验结果表明，与未改性的UHWMPE纤维相比，改性后的T - UHWMPE纤维的界面剪切强度提高了218%。这种结合物理扭曲结构和“刚-柔”界面层的界面改性方法，将为制备具有高界面结合强度的高性能纤维增强复合材料提供有益的参考价值。

图1 超高分子量聚乙烯纤维表面改性流程图

图2 改性超高分子量聚乙烯纤维XPS能谱分析

图3 超高分子量聚乙烯纤维界面性能

图4 超高分子量聚乙烯纤维界面增强机理