高表面粘結(jié)性高強高模聚乙烯纖維的研制.pdf

1、高強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、高模、質(zhì)輕柔軟、優(yōu)異的耐化學性和抗沖擊能力等許多卓越的性能,被廣泛地應用在復合材料及一些特殊領(lǐng)域。但UHMWPE纖維表面呈惰性,與樹脂基體間的表面粘結(jié)性能較差,大大限制了纖維在復合材料領(lǐng)域中的應用,因此對UHMWPE纖維進行表面改性具有極為重要的意義。對UHMWPE纖維進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)絡結(jié)構(gòu),經(jīng)萃取后會在纖維中形成許多貫穿的納米或微米級的微孔。因此若將改性劑溶解或分散在UHMWPE纖維的萃取劑中,用其對UHMWPE凍膠纖維進行處理,改性劑可以擴散進入纖維中,則超倍拉伸后改性劑會留在纖維表層,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UHMWPE纖維的改性機理。
　　首先采用三種不同的帶有極性基團的硅烷偶聯(lián)劑KH-550、硅烷偶聯(lián)劑KH-560和鈦酸酯偶聯(lián)劑NDZ-201對超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維進行改性處理。研究了改性前后纖維的表面化學結(jié)構(gòu)與形態(tài)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)、纖維潤濕性能、表面粘結(jié)性能和力學性能變化。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn):萃取過程中偶聯(lián)劑小分子可以進入纖維的表

4、層和芯部,使纖維的表面潤濕性能及與樹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;纖維與樹脂基體的界面剪切強度隨著偶聯(lián)劑在萃取劑中含量的增加而增大,在1.0％時達極大值,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,從而使纖維力學性能有較大提高;當偶聯(lián)劑在萃取劑中的含量為在1.5%時,纖維的斷裂強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UHMWPE凍膠纖維進行改性處理,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):改性后纖維與樹脂基體間的界面剪切強度得到較大提高,并隨復合萃取劑中納米SiO2含量的增加而增大,至納米SiO2含量為1.5%時,纖維與樹脂間的界面剪切強度增加了149%;隨復合萃取劑中納米SiO2含量的增加,改性纖維的結(jié)晶度和力學性能先增大,至納米SiO2的含量達到0.5%后達極大值,纖維的強度

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;萃取劑中納米SiO2濃度固定不變時,隨超聲萃取時間的增加,纖維與樹脂基體間界面剪切強度不變,但纖維的力學性能大大增加,至超聲萃取6min后達萃取擴散平衡,纖維力學性能基本不再發(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UHMWPE纖維進行改性處理,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,而沒有經(jīng)過處理的凹凸棒土在UHMWPE纖維發(fā)生團聚,兩種改性纖維與環(huán)氧樹脂基體間的界面剪切強度比未改性UHMWPE纖維分別提高了59%和82%;經(jīng)過偶聯(lián)劑處理的凹凸棒土可以部分進入纖維內(nèi)部,使纖維的結(jié)晶度增加,晶粒尺寸減小,使纖維的力學強度和模量分別提高了7%和24%;相對于未改性纖維,改性纖維的熱性能和熱力學性能均有較大改善。論文最后對兩種類型的納米材