UHMWPE纖維表面改性及其復合材料界面初步探究.pdf

1、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維具有很高的比強度和比模量，經(jīng)常用作復合材料中的增強材料。但是由于其表面光滑且呈化學惰性，纖維表面和樹脂基體間的粘結性能較差，大大限制了UHMWPE纖維在復合材料領域的應用。因此，對UHMWPE纖維進行表面改性成為了必須。而在其增強復合材料的研究和應用中，復合材料的界面力學性能對復合材料的整體性能有著至關重要的影響。本論文著重探究了鉻酸溶液氧化改性法對UHMWPE纖維的表面改性，并與介質阻擋（DBD）等

2、離子體改性做對比。此外采用拉曼光譜技術和微滴包埋纖維拉伸試驗相結合來初步探究 UHMWPE纖維復合材料界面的微觀力學性能。
　　論文首先以特定濃度的鉻酸氧化液對 UHMWPE纖維進行表面氧化改性。通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和力學性能測試分析比較了改性前后纖維的表面官能團變化、形貌結構、結晶性能和力學性能變化。結果表明：經(jīng)過處理后UHMWPE纖維表面

3、產(chǎn)生了新的極性官能團，表面粗糙度增加，纖維的親水性能以及纖維-樹脂界面粘結性能得到充分改善，纖維表層結晶度和晶粒尺寸下降明顯，晶區(qū)取向度也相應降低，而芯層結晶度和晶粒尺寸只有輕微下降；當鉻酸處理溫度為55℃，處理時間為5min時，纖維IFSS值提高最多，且纖維力學性能損失不大。
　　其次，將處理前后的纖維制成 UHMWPE纖維/樹脂微滴狀復合材料，并對纖維施加一定應力，探究在應力作用下微滴內纖維的受力分布情況，結果表明：對于未處理

4、的纖維與環(huán)氧樹脂微滴復合材料，在未受到應力時，微滴內UHMWPE纖維由于固化作用受力分布圖呈現(xiàn)“M”狀，應力增大后，微滴內 UHMWPE受力分布呈現(xiàn)“U”字形，微滴內的纖維所受的力會部分轉移至樹脂中；對比處理前后的UHMWPE纖維經(jīng)環(huán)氧樹脂微滴包埋后拉伸試驗中的UHMWPE纖維應力分布，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過鉻酸氧化處理后的纖維與環(huán)氧樹脂界面應力傳遞效果更佳，纖維與微滴界面剪切應力也隨位置而發(fā)生變化，在纖維/環(huán)氧微滴端點處最大，而在微滴中心位置則最小

5、。
　　然后，論文研究了不同濃度（K2Cr2O7:H2O:H2SO4=1:4:10~1:4:40）鉻酸氧化液對UHMWPE纖維表面改性效果，結果表明：隨鉻酸氧化液濃度的增加，纖維-樹脂界面剪切強度 IFSS逐漸提高，至濃度為1:4:40時，IFSS值提高了75.5％；鉻酸溶液濃度增加，UHMWPE纖維表面變得更加粗糙，其粗糙度值和刻痕深度也不斷增加；結合纖維力學性能測試，鉻酸氧化液的最佳處理條件為：處理濃度1:4:30（或1:4:

6、20），處理溫度55℃，處理時間5min。
　　最后，論文研究了在氬氣氣氛條件下對UHMWPE纖維進行DBD等離子體改性，通過改變等離子體放電處理時間和氣體流量來尋求改善纖維粘結性能的最佳條件，并與鉻酸氧化法作比較。研究表明：等離子體處理最佳條件為：氣體流量3L/min，處理時間30s；在此最佳條件下經(jīng)過等離子體處理后的UHMWPE纖維界面剪切強度IFSS提高幅度和接觸角下降幅度，與鉻酸氧化處理相比較弱，對其表面進行XPS和AFM