超高分子量聚乙烯纖維表面改性及其復(fù)合材料研究.pdf

1、本文采用鉻酸氧化法,吡咯、噻吩化學(xué)沉積法及鉻酸氧化后再吡咯化學(xué)沉積的方法對(duì)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維進(jìn)行了處理,研究并討論了這些方法處理UHMWPE纖維的各種影響因素。對(duì)處理后纖維的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了分析,闡明了不同處理方法對(duì)纖維結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。對(duì)毗咯及噻吩化學(xué)處理后在纖維表面生成的聚吡咯(PPy)及聚噻吩(PTh)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,確定了這些生成物的結(jié)構(gòu)形態(tài)及其對(duì)纖維與樹脂粘結(jié)性能的影響。將吡咯化學(xué)處理后的UHMWP

2、E纖維織成平紋及三維織物,研究了不同的處理方法對(duì)平紋織物增強(qiáng)復(fù)合材料及三維織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,采用有限元法模擬了單纖維微脫粘過(guò)程的受力情況,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。 鉻酸處理UHMWPE纖維中,研究了鉻酸配比,處理時(shí)間及處理溫度對(duì)纖維與環(huán)氧樹脂粘結(jié)強(qiáng)度的影響。隨鉻酸配比增加,纖維表面的刻蝕程度加劇,表面變得粗糙,層間剪切強(qiáng)度增大；隨處理溫度升高,纖維表面極性增加,所得UHMWPE纖維與環(huán)氧樹脂界面剪切強(qiáng)度也增大,

3、但同時(shí),溫度越高,纖維斷裂強(qiáng)度下降越明顯。綜合考慮,選用鉻酸配比為重鉻酸鉀：水：濃硫酸=7:12：150,處理溫度為40℃,處理時(shí)間為5min較合適。 吡咯氣相沉積處理UHMWPE纖維中,研究了真空度、氧化劑(三氯化鐵溶液)濃度、沉積溫度及沉積時(shí)間對(duì)處理后纖維界面剪切強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明,當(dāng)反應(yīng)釜真空度為680mmHg,氧化劑為1mol/l,溫度為85℃,處理1h時(shí),PPy/UHMWPE纖維與環(huán)氧樹脂界面剪切強(qiáng)度最大。吡咯液相處

4、理UHMWPE纖維中,PPy/UHMWPE纖維與環(huán)氧樹脂界面剪切強(qiáng)度隨氧化劑濃度的增加而增大,涂覆機(jī)線速度對(duì)剪切強(qiáng)度并無(wú)影響。對(duì)PPy/UHMWPE纖維結(jié)構(gòu)分析表明,PPy與UHMWPE纖維之間無(wú)化學(xué)鍵的作用,只有分子間作用力。對(duì)沉積在纖維表面的PPy聚集態(tài)分析表明,PPy可分為緊密層和疏松層。沉積時(shí)間短時(shí)纖維表面只存在PPy緊密層,處理時(shí)間長(zhǎng)時(shí),纖維表面的PPy則由緊密層和疏松層構(gòu)成。 鉻酸處理與吡咯氣相復(fù)合處理UHMWPE纖

5、維后,處理后纖維與環(huán)氧樹脂界面剪切強(qiáng)度均有增加,且復(fù)合處理后纖維與環(huán)氧樹脂界面剪切強(qiáng)度較單一處理有較大提高。PPy與鉻酸處理過(guò)的UHMWPE纖維之間無(wú)化學(xué)鍵的作用,只有分子間作用。 噻吩氣相沉積UHMWPE纖維中,研究了真空度、氧化劑(三氯化鐵溶液)濃度及沉積時(shí)間對(duì)處理后纖維界面剪切強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明,當(dāng)真空度為680mmHg,氧化劑為2mol/l,處理1h時(shí),PTh/UHMWPE纖維與環(huán)氧樹脂界面剪切強(qiáng)度最大。對(duì)PTh/UH

6、MWPE纖維結(jié)構(gòu)的研究表明,PTh與UHMWPE之間不存在化學(xué)鍵,而只存在分子間作用力。纖維表面生成的聚噻吩層也可分為緊密層和疏松層。對(duì)界面剪切強(qiáng)度起主要作用的是緊密層。經(jīng)吡咯化學(xué)氣相沉積后,PPy/UHMWPE平紋織物增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)生了變化。隨氧化劑濃度及處理時(shí)間的增加,UHMWPE平紋織物增強(qiáng)復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度均增大,其最佳處理濃度為1mol/l,最佳處理時(shí)間為4h。UHMWPE平紋增強(qiáng)復(fù)合材料隨著氣相沉積時(shí)間的

7、增加,其彎曲強(qiáng)度先增大后減小,且處理4h后,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度最大；隨氧化劑濃度的增加,其彎曲強(qiáng)度先增大后減小了。 經(jīng)吡咯氣相和液相沉積后,PPy/UHMWPE三維編織復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度均增大。不同沉積方式對(duì)剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度并無(wú)明顯影響。液相沉積時(shí),氧化劑濃度為1mol/l時(shí)有最大剪切強(qiáng)度,氧化劑濃度為2mol/l時(shí)有最大壓縮強(qiáng)度,氧化劑溶液飽和時(shí)有最大彎曲強(qiáng)度；氣相沉積時(shí),氧化劑濃度為0.5mol/l,處