高表面粘结性高强高模聚乙烯纤维的研制

论文摘要

高强高模聚乙烯纤维又叫超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维,由于具有高强、高模、质轻柔软、优异的耐化学性和抗冲击能力等许多卓越的性能,被广泛地应用在复合材料及一些特殊领域。但UHMWPE纤维表面呈惰性,与树脂基体间的表面粘结性能较差,大大限制了纤维在复合材料领域中的应用,因此对UHMWPE纤维进行表面改性具有极为重要的意义。对UHMWPE纤维进行表面改性的方法有很多,但均存在很多不足甚至缺陷之处。本论文意欲寻找一种较为简便的易于工业化的改性方法,在不损害UHMWPE纤维优异力学性能的基础上,大大改善纤维的表面粘结性能。由于相分离而使UHMWPE冻胶纤维中存在着疏松的网络结构,经萃取后会在纤维中形成许多贯穿的纳米或微米级的微孔。因此若将改性剂溶解或分散在UHMWPE纤维的萃取剂中,用其对UHMWPE冻胶纤维进行处理,改性剂可以扩散进入纤维中,则超倍拉伸后改性剂会留在纤维表层,因而改善纤维的表面粘结性能。本论文系统地研究了一系列偶联剂和不同类型纳米粒子在萃取阶段对UHMWPE纤维的改性效果,研究了改性纤维的结构性能,特别是表面粘结性的变化,探讨了改性剂对UHMWPE纤维的改性机理。首先采用三种不同的带有极性基团的硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560和钛酸酯偶联剂NDZ-201对超高分子质量聚乙烯纤维进行改性处理。研究了改性前后纤维的表面化学结构与形态结构、结晶取向结构、纤维润湿性能、表面粘结性能和力学性能变化。结果发现:萃取过程中偶联剂小分子可以进入纤维的表层和芯部,使纤维的表面润湿性能及与树脂基体间的表面粘结性能得到较大的提高,在三种偶联剂中硅烷偶联剂KH-550的改性效果最好;纤维与树脂基体的界面剪切强度随着偶联剂在萃取剂中含量的增加而增大,在1.0%时达极大值,较未改性纤维增加了105%;偶联剂的加入极大地加快了纤维的结晶速度,使得纤维的结晶度变大,而晶粒尺寸变小,从而使纤维力学性能有较大提高;当偶联剂在萃取剂中的含量为在1.5%时,纤维的断裂强度和断裂模量分别增加了11%和37%。将偶联剂包覆的纳米SiO2分散在二甲苯中在萃取阶段对UHMWPE冻胶纤维进行改性处理,研究了改性前后纤维的结构和性能变化。结果发现:改性后纤维与树脂基体间的界面剪切强度得到较大提高,并随复合萃取剂中纳米SiO2含量的增加而增大,至纳米SiO2含量为1.5%时,纤维与树脂间的界面剪切强度增加了149%;随复合萃取剂中纳米SiO2含量的增加,改性纤维的结晶度和力学性能先增大,至纳米SiO2的含量达到0.5%后达极大值,纤维的强度和模量分别较未改性纤维增加了23%和77%,之后随纳米SiO2含量的继续增加又有所降低,而纤维的晶粒尺寸和结晶取向度均呈现降低趋势;萃取剂中纳米SiO2浓度固定不变时,随超声萃取时间的增加,纤维与树脂基体间界面剪切强度不变,但纤维的力学性能大大增加,至超声萃取6min后达萃取扩散平衡,纤维力学性能基本不再发生变化。选用偶联剂包覆的凹凸棒土和未经处理的凹凸棒土作为改性剂分别对UHMWPE纤维进行改性处理,研究了改性后纤维的结构和性能变化。结果发现:经过偶联剂包覆的凹凸棒土能均匀的分散在UHMWPE纤维的表面,而没有经过处理的凹凸棒土在UHMWPE纤维发生团聚,两种改性纤维与环氧树脂基体间的界面剪切强度比未改性UHMWPE纤维分别提高了59%和82%;经过偶联剂处理的凹凸棒土可以部分进入纤维内部,使纤维的结晶度增加,晶粒尺寸减小,使纤维的力学强度和模量分别提高了7%和24%;相对于未改性纤维,改性纤维的热性能和热力学性能均有较大改善。论文最后对两种类型的纳米材料对UHMWPE纤维的改性效果进行了比较,三维的纳米SiO2对纤维力学性能的改性效果优于二维的凹凸棒土,而两种纳米材料对纤维表面粘结性能的改性效果相差不大。本论文的创新点如下:寻找到几种改性剂,在改善纤维表面粘结性能的同时,也使纤维的力学性能得到较大提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 高强高模聚乙烯纤维的发展概况
• 1.2 高强高模聚乙烯纤维的制备方法
• 1.2.1 高压固态挤出法
• 1.2.2 增塑熔融纺丝法
• 1.2.3 表面结晶生长法
• 1.2.4 凝胶纺丝—热拉伸法
• 1.3 高强高模聚乙烯纤维的性能
• 1.4 高强高模聚乙烯纤维及其增强复合材料的应用
• 1.4.1 军用
• 1.4.2 民用
• 1.5 UHMWPE纤维的表面改性
• 1.5.1 化学试剂改性
• 1.5.2 等离子体处理改性
• 1.5.3 电晕放电处理
• 1.5.4 辐射接枝处理
• 1.5.5 紫外光（UV）处理
• 1.5.6 本体改性
• 1.6 本论文的意义和主要研究内容
• 第二章 偶联剂改性UHMWPE冻胶纤维的制备和性能
• 2.1 主要实验原料与实验仪器
• 2.1.1 主要实验原料
• 2.1.2 主要实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 冻胶纤维的制备
• 2.2.2 改性纤维的制备
• 2.2.3 纤维表面官能团的测定
• 2.2.4 纤维表面润湿性能的测试
• 2.2.5 纤维直径的测试
• 2.2.6 纤维与基体间界面剪切强度的测试
• 2.2.7 扫描电子显微镜
• [39]'>2.2.8 广角X-射线衍射（WAXD）法测定纤维结晶度及晶粒尺寸^[39]
• 2.2.9 广角X-射线衍射（WAXD）法测定纤维取向度
• 2.2.10 纤维力学性能测试
• 2.2.11 纤维纤度的测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 纤维的结构和形态
• 2.3.2 纤维表面的润湿性能
• 2.3.3 纤维的表面粘结性
• 2.3.4 纤维的机械性能
• 2.4 本章小结
• 2复合纤维的制备和表征'>第三章 UHMWPE/nano-SiO₂复合纤维的制备和表征
• 3.1 主要实验原料与仪器
• 3.1.1 主要实验原料
• 3.1.2 主要实验仪器
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 复合萃取剂的制备
• 2复合纤维的制备'>3.2.2 UHMWPE/nano-SiO₂复合纤维的制备
• 3.2.3 纤维纤度的测定
• 3.2.4 纤维表面官能团的测定
• 3.2.5 纤维表面润湿性能的测试
• 3.2.6 纤维截面扫描电镜测试
• 3.2.7 广角X-射线衍射（WAXD）法测定纤维结晶度及晶粒尺寸
• 3.2.8 广角X-射线衍射（WAXD）法测定纤维取向度
• 3.2.9 纤维力学性能测试
• 3.2.10 纤维与基体间界面剪切强度的测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纤维的表面形态和粘结性能
• 2的结构和力学性能'>3.3.2 UHMWPE纤维/nano-SiO₂的结构和力学性能
• 2复合纤维性能的影响'>3.3.3 萃取时间对UHMWPE/nano-SiO₂复合纤维性能的影响
• 3.4 结论
• 第四章 凹凸棒土改性UHMWPE纤维的制备与性能
• 4.1 主要实验原料与实验仪器
• 4.1.1 主要实验原料
• 4.1.2 主要实验仪器
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 纤维热性能测定
• 4.2.3 纤维热机械性能测试
• 4.2.4 纤维力学性能的测定
• 4.2.5 广角X-射线衍射（WAXD）法测定纤维取向度
• 4.2.6 广角X-射线衍射（WAXD）法测定纤维晶粒尺寸和结晶度
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纤维的表面形态和粘结性能
• 4.3.2 纤维的结构和力学性能
• 4.3.3 纤维的热性能
• 4.3.4 纤维的热机械性能
• 4.3.5 不同纳米材料对UHMWPE纤维的改性效果比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文和申请的专利