高表面粘結(jié)性高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的研制.pdf

1、高強(qiáng)高模聚乙烯纖維又叫超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維,由于具有高強(qiáng)、高模、質(zhì)輕柔軟、優(yōu)異的耐化學(xué)性和抗沖擊能力等許多卓越的性能,被廣泛地應(yīng)用在復(fù)合材料及一些特殊領(lǐng)域。但UHMWPE纖維表面呈惰性,與樹(shù)脂基體間的表面粘結(jié)性能較差,大大限制了纖維在復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用,因此對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行表面改性具有極為重要的意義。對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行表面改性的方法有很多,但均存在很多不足甚至缺陷之處。本論文意欲尋找一種較為簡(jiǎn)便的易于工業(yè)化的

2、改性方法,在不損害UHMWPE纖維優(yōu)異力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,大大改善纖維的表面粘結(jié)性能。由于相分離而使UHMWPE凍膠纖維中存在著疏松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),經(jīng)萃取后會(huì)在纖維中形成許多貫穿的納米或微米級(jí)的微孔。因此若將改性劑溶解或分散在UHMWPE纖維的萃取劑中,用其對(duì)UHMWPE凍膠纖維進(jìn)行處理,改性劑可以擴(kuò)散進(jìn)入纖維中,則超倍拉伸后改性劑會(huì)留在纖維表層,因而改善纖維的表面粘結(jié)性能。
　　本論文系統(tǒng)地研究了一系列偶聯(lián)劑和不同類型納米粒子在萃取階

3、段對(duì)UHMWPE纖維的改性效果,研究了改性纖維的結(jié)構(gòu)性能,特別是表面粘結(jié)性的變化,探討了改性劑對(duì)UHMWPE纖維的改性機(jī)理。
　　首先采用三種不同的帶有極性基團(tuán)的硅烷偶聯(lián)劑KH-550、硅烷偶聯(lián)劑KH-560和鈦酸酯偶聯(lián)劑NDZ-201對(duì)超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維進(jìn)行改性處理。研究了改性前后纖維的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)與形態(tài)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)、纖維潤(rùn)濕性能、表面粘結(jié)性能和力學(xué)性能變化。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn):萃取過(guò)程中偶聯(lián)劑小分子可以進(jìn)入纖維的表

4、層和芯部,使纖維的表面潤(rùn)濕性能及與樹(shù)脂基體間的表面粘結(jié)性能得到較大的提高,在三種偶聯(lián)劑中硅烷偶聯(lián)劑KH-550的改性效果最好;纖維與樹(shù)脂基體的界面剪切強(qiáng)度隨著偶聯(lián)劑在萃取劑中含量的增加而增大,在1.0％時(shí)達(dá)極大值,較未改性纖維增加了105%;偶聯(lián)劑的加入極大地加快了纖維的結(jié)晶速度,使得纖維的結(jié)晶度變大,而晶粒尺寸變小,從而使纖維力學(xué)性能有較大提高;當(dāng)偶聯(lián)劑在萃取劑中的含量為在1.5%時(shí),纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂模量分別增加了11%和37%。

5、將偶聯(lián)劑包覆的納米SiO2分散在二甲苯中在萃取階段對(duì)UHMWPE凍膠纖維進(jìn)行改性處理,研究了改性前后纖維的結(jié)構(gòu)和性能變化。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn):改性后纖維與樹(shù)脂基體間的界面剪切強(qiáng)度得到較大提高,并隨復(fù)合萃取劑中納米SiO2含量的增加而增大,至納米SiO2含量為1.5%時(shí),纖維與樹(shù)脂間的界面剪切強(qiáng)度增加了149%;隨復(fù)合萃取劑中納米SiO2含量的增加,改性纖維的結(jié)晶度和力學(xué)性能先增大,至納米SiO2的含量達(dá)到0.5%后達(dá)極大值,纖維的強(qiáng)度

6、和模量分別較未改性纖維增加了23%和77%,之后隨納米SiO2含量的繼續(xù)增加又有所降低,而纖維的晶粒尺寸和結(jié)晶取向度均呈現(xiàn)降低趨勢(shì);萃取劑中納米SiO2濃度固定不變時(shí),隨超聲萃取時(shí)間的增加,纖維與樹(shù)脂基體間界面剪切強(qiáng)度不變,但纖維的力學(xué)性能大大增加,至超聲萃取6min后達(dá)萃取擴(kuò)散平衡,纖維力學(xué)性能基本不再發(fā)生變化。選用偶聯(lián)劑包覆的凹凸棒土和未經(jīng)處理的凹凸棒土作為改性劑分別對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行改性處理,研究了改性后纖維的結(jié)構(gòu)和性能變化。

7、
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn):經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑包覆的凹凸棒土能均勻的分散在UHMWPE纖維的表面,而沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的凹凸棒土在UHMWPE纖維發(fā)生團(tuán)聚,兩種改性纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體間的界面剪切強(qiáng)度比未改性UHMWPE纖維分別提高了59%和82%;經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理的凹凸棒土可以部分進(jìn)入纖維內(nèi)部,使纖維的結(jié)晶度增加,晶粒尺寸減小,使纖維的力學(xué)強(qiáng)度和模量分別提高了7%和24%;相對(duì)于未改性纖維,改性纖維的熱性能和熱力學(xué)性能均有較大改善。論文最后對(duì)兩種類型的納米材