Kevlar纤维增强尼龙6复合材料界面层的设计及其结构性能研究

论文题目: Kevlar纤维增强尼龙6复合材料界面层的设计及其结构性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 化学工程

作者: 郑玉婴

导师: 王良恩

关键词: 纤维,尼龙,复合材料,表面改性,阴离子接枝

文献来源: 福州大学

发表年度: 2005

论文摘要: 材料各个层次的结构确定了其存在形式，从而确定材料在一定外界条件下的表现，也就确定了它的性能。复合材料的综合性能不仅与增强相、基体相有关，更与两相间的界面有着重要的关系。界面是复合材料极为重要的微结构，它作为增强纤维与基体连接的“纽带”，对复合材料的物理、化学及力学性能有着至关重要的影响。然而纤维／基体树脂的界面一直是纤维增强树脂基复合材料的薄弱环节，因此提高界面结合一直是复合材料研究的热点，具有重要的意义。 本文采用化学方法对Kevlar纤维（KF）进行表面改性，设计不同表面化学性质的KF，并利用改性前后的Kevlar纤维作为增强纤维制备尼龙6／Kevlar纤维（PA6／KF）复合材料，进而设计不同界面性质的PA6／KF复合材料。采用X光光电子能谱分析、红外光谱分析、差示扫描量热法、环境扫描电子显微镜及偏光显微镜等实验手段研究了改性前后KF的表面形貌和化学组成，并进一步探讨了KF表面改性对PA6／KF复合材料的结晶行为、熔融行为、界面结晶效应、力学性能与破坏形态等的影响。 论文选用了两条路线对KF进行改性：采用水解方法，在KF表面引入活性基团-COOH和-NH2，然后分别对其进行酰氯化、异氰酸酯化改性，并用己内酰胺封端稳定，实现了在KF表面阴离子接枝PA6。 结果表明，用己内酰胺封端稳定化后，使KF表面的接枝聚合物与基体PA6树脂为同类聚合物，二者有充分的相容性。而且极性基团-COOH和-NH2经酰氯化、异氰酸酯化改性，并用己内酰胺封端稳定化后，可以作为己内酰胺阴离子聚合的助催化剂，通过引发己内酰胺阴离子聚合，实现KF表面的阴离子接枝PA6。酰氯化改性后KF的接枝率较异氰酸酯化的高。 PA6的等温结晶过程主要为成核作用控制，KF的加入对基体PA6起到了异相成核作用，提高结晶速率，其中未改性KF的成核作用较为显著，异氰酸酯改性KF次之；非等温结晶过程中，KF的加入提高了基体结晶的起始温度Tonsetc，减小其总结晶时间ttotal；KF的加入同时使PA6的熔融行为发生显著变化；PA6与许多结晶性聚合物一样，在不受阻碍，没有外力的作用下能形成完整的球晶，KF可以诱发横晶的生长，其诱发横晶的能力随着结晶温度Tc的升高而增强，在相同条件下改性KF所诱发横晶的密度及完整程度明显高于未改性的KF。 未改性KF增强PA6复合材料的拉伸破坏呈界面脱粘破坏形态，而改性KF增强PA6复合材料呈部分非界面脱粘破坏，其拉伸强度得到大大提高，弯曲强度和弯曲模量也得到提高，冲击强度反而有所下降。本工作丰富了复合材料的界面层优化设计理论。

论文目录:

摘要

Abstract

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

1.2 芳纶纤维的发展现状

1.3 芳纶纤维的结构与性能

1.3.1 芳纶纤维的结构与形态

1.3.2 芳纶纤维的分子结构

1.3.3 芳纶纤维的特性

1.4 复合材料界面研究现状

1.4.1 热塑性纤维复合材料界面研究

1.5 KF表面改性技术国内外研究现状

1.5.1 表面涂层法

1.5.2 γ射线辐射方法

1.5.3 等离子体表面改性技术

1.5.4 超声浸渍改性技术

1.5.5 化学改性技术

1.6 本文主要研究内容

1.7 学术思想的特色和创新之处

第二章 试验方法

2.1 原料与试剂

2.2 表面处理与标定

2.2.1 KF的表面预处理

2.2.2 KF的水解

2.2.3 KF表面官能团的滴定

2.3 KF表面稳定化及其阴离子接枝尼龙6

2.3.1 KF表面己二酰氯改性及己内酰胺稳定化处理

2.3.2 KF表面异氰酸酯改性及己内酰胺稳定化处理

2.3.3 KF表面阴离子接枝尼龙6

2.4 复合材料制备

2.5 试样制备及力学性能测试

2.5.1 拉伸试样

2.5.2 弯曲试样

2.5.3 冲击试样

2.6 测试设备及测试条件

2.6.1 红外光谱分析

2.6.2 扫描电子显微镜(ESEM)测试

2.6.3 X光光电子能谱分析(XPS)

2.6.4 差示扫描量热法(DSC)

2.6.5 偏光显微镜观察(PLM)

第三章 Kevlar纤维表面阴离子接枝尼龙6的方法与表征

3.1 前言

3.2 KF表面阴离子接枝PA6的设计

3.2.1 KF表面酰氯化及阴离子接枝PA6的反应历程

3.2.2 KF表面异氰酸酯化及阴离子接枝PA6的反应历程

3.3 KF表面预处理样品红外表征

3.3.1 水解前后样品的红外表征

3.3.2 不同时间的水解样品的红外表征

3.4 KF表面酰氯化、己内酰胺封端及阴离子接枝PA6的方法与表征

3.4.1 KF表面酰氯化及己内酰胺封端稳定化样品的红外表征

3.4.2 KF1A接枝反应的条件与规律

3.4.3 KF1表面形貌观察

3.4.4 KF1表面化学组成分析

3.4.5 KF1表面化学结构分析

3.5 KF表面异氰酸酯化、己内酰胺封端及阴离子接枝PA6的方法与表征

3.5.1 KF表面异氰酸酯化及己内酰胺封端稳定化样品的红外表征

3.5.2 KF2A接枝反应的条件与规律

3.5.3 KF2表面形貌观察

3.5.4 KF2表面化学组成分析

3.5.5 KF2表面元素分析

3.6 本章小结

第四章 尼龙6／Kevlar纤维复合材料结晶行为的研究

4.1 前言

4.2 PA6／KF复合材料等温结晶动力学参数分析

4.2.1 阴离子接枝PA6对等温结品速率和结晶度的影响

4.2.2 阴离子接枝PA6对晶体生长方式和成核方式的影响

4.3 KF／PA6复合材料非等温结晶行为分析

4.3.1 成核剂的影响

4.3.2 冷却速率的影响

4.4 本章小结

第五章 尼龙6／Kevlar纤维复合材料熔融行为的影响

5.1 前言

5.2 纯PA6等温结晶的熔融行为

5.3 PA6／KF0复合材料等温结晶的熔融行为

5.4 PA6／接枝改性KF复合材料等温结晶的熔融行为

5.4.1 PA6／KF1复合材料等温结晶的熔融行为

5.4.2 PA6／KF2复合材料等温结晶的熔融行为

5.5 PA6／KF复合材料非等温结晶的熔融行为

5.6 本章小结

第六章 尼龙6／Kevlar纤维复合材料的界面结晶效应

6.1 前言

6.2 PA6的结晶行为

6.3 KF的成核作用

6.4 界面处理对横晶生长能力的影响

6.4.1 界面结构

6.4.2 界面结晶能力

6.5 本章小结

第七章 尼龙6／Kevlar纤维复合材料力学性能与破坏形态研究

7.1 前言

7.2 界面性质对其复合材料力学性能的影响

7.2.1 界面粘结机理

7.2.2 复合材料力学性能

7.3 复合材料断裂机理

7.3.1 拉伸破坏机理

7.3.2 弯曲破坏机理

7.3.3 冲击损伤机理

7.4 KF表面性质对其复合材料破坏形态的影响

7.4.1 复合材料的拉伸破坏形态

7.4.2 复合材料的弯曲破坏形态

7.4.3 复合材料的冲击破坏形态

7.5 本章小结

第八章 结论

参考文献

个人简历

攻读博士学位期间的研究成果

攻读博士期间发表的论文

致谢

发布时间: 2005-03-30

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