UHMWPEF/CF复合界面胶黏特性及应用研究

摘要

为减少超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPEF)防弹复合材料因背凸对人体造成的非贯穿损伤，可将高刚性的碳纤维(CF)与之结合，将防弹装甲设计成为UHMWPEF/CF层间混杂复合结构。但因UHMWPEF化学惰性强，对树脂的选择性大，导致UHMWPEF/CF装甲材料复合层间难以实现良好的粘接。为解决该复合层界面粘接的难题，本课题从复合层间胶黏剂改性和UHMWPEF表面处理两方面着手，对树脂改性反应影响因素、改性反应动力学、改性树脂固化、纤维表面处理工艺及复合材料的胶黏特性等进行了研究。
　　本文采用甲基丙烯酸(MAA)对E-51环氧树脂进行改性，制备了环氧甲基丙烯酸酯树脂。以体系酸值表征改性反应程度，研究了树脂改性过程中催化剂种类及用量、反应温度、反应时间对反应程度的影响，发现等质量的三乙胺(TEA)催化效果优于N，N-二甲基苯胺(DEBA)，且在一定范围内增加催化剂用量、提高反应温度，均可加快反应速率。在0.6％TEA催化下，研究了MAA改性环氧树脂的改性反应动力学，发现该反应为一级反应，且其反应活化能E=26.92kJ/mol，频率因子A=1.786s-1。
　　此外，通过改性前后的树脂红外光谱(FTIR)分析，验证了改性反应机理，证明了在上述改性工艺下对树脂进行改性，主反应具有较高的选择性。通过不同反应程度改性树脂外观及黏度的对比，发现:通过改性树脂分子中引入共轭的酯基与异丙烯基，从而使树脂显色，且随反应程度提高，树脂颜色加深;树脂改性后分子量增加，极性增加，从而导致黏度增加。采用1％过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂，对不同反应程度改性树脂的凝胶性能进行研究，结果表明:同一改性树脂的凝胶时间随着温度升高逐渐缩短，但凝胶时间的变化速度没有明显的规律;相同催化剂作用下的改性树脂，在同一温度下的凝胶时间随酸值减小逐渐缩短。
　　以1％BPO作引发剂，采用差示扫描量热法(DSC)对改性树脂固化过程进行分析，将以改性树脂作胶黏剂的复合材料制备工艺确定为:1％BPO作引发剂，80℃/15min/0.5MPa→120℃/1h/1MPa。通过改性，树脂固化温度与UHMWPEF复合材料成型温度匹配度提高。此外，研究了该改性树脂的固化动力学，得到其固化反应的动力学模型。采用该动力学模型分析了不同升温速率下的固化过程，可以发现:相同升温速率下，随固化度的增加，体系的固化速率先增大后减小;随升温速率增大，树脂体系的最大固化速率增大，且向固化度增大的方向移动。
　　按照确定的固化工艺制备了以改性树脂作层间胶黏剂的UHMWPEF/CF单向布复合层，通过T剥离强度测定及剥离面微观形貌分析发现:改性树脂酸值为24.1 mgKOH/g时，改性树脂的粘接强度提升最大，相比于未改性树脂复合试样，T剥离强度提高了近20％。因此，将树脂改性工艺确定为:0.6％TEA催化，110℃下反应2h。
　　为进一步改善复合层间粘接效果，本文通过液相氧化法对UHMWPEF进行了表面处理。首先，通过多组液相氧化处理工艺下纤维的表面微观形貌扫描电子显微镜(SEM)分析优选出三种工艺，在三种工艺下对纤维进行表面处理后，纤维表面刻蚀程度80℃/5min＞25℃/1h＞60℃/30min;纤维表面化学结构改善60℃/30min＞25℃/1h＞80℃/5min;纤维单丝强力60℃/30min＞80℃/5min＞25℃/1h。
　　仅从纤维表面物理化学结构难以优选出最佳工艺，因此对不同处理工艺下纤维的应用性能展开研究。在UHMWPEF/单向CF复合层中，T剥离强度80℃/5min＞60℃/30min＞25℃/1h;而UHMWPEF/CF平纹布复合层中，T剥离强度60℃/30min＞80℃/5min＞25℃/1h;在相同的UHMWPEF表面处理工艺下，使用CF平纹布压制的复合层T剥离强度要明显高于CF单向布。通过复合层T剥离强度测试及剥离面微观形貌SEM分析，发现:纤维表面处理后，复合层T剥离强度成倍提高，层间粘接效果明显改善。综合对比后发现，在提高复合层粘接强度方面，纤维表面处理的贡献大于树脂改性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 复合材料的防弹机理及结构设计

1．2．1 复合材料的防弹机理

1．2．2 防弹复合材料的结构设计

1．3 防弹复合材料的发展概况

1．3．1 增强纤维的研究现状

1．3．2 防弹复合材料树脂基体的研究现状

1．3．3 防弹复合材料发展趋势

1．4 复合材料界面性能的研究

1．4．1 界面结合理论

1．4．2 UHMWPEF的表面改性

1．4．3 层间混杂复合材料胶黏剂的研究

1．5 本文的研究目的及内容

第二章 实验材料及方法

2．1 技术路线

2．2 实验原料

2．3 实验设备及测试方法

2．3．1 实验设备

2．3．2 树脂性能测试及表征

2．3．3 UHMWPEF性能测试及表征

2．3．4 UHMWPEF／CF复合界面粘接性能测试

第三章 环氧甲基丙烯酸酯树脂的制备及性能研究

3．1 前言

3．2 改性树脂的制备

3．2．1 改性原理

3．2．2 改性方法

3．3 改性反应的影响因素及动力学研究

3．3．1 催化剂种类对反应的影响

3．3．2 催化剂用量对反应的影响

3．3．3 反应温度及时间对反应的影响

3．3．4 改性反应动力学分析

3．4 改性树脂的红外光谱分析

3．5 反应程度对改性树脂性能的影响

3．5．1 反应程度对改性树脂颜色的影响

3．5．2 反应程度对改性树脂黏度的影响

3．5．3 反应程度对树脂凝胶性能影响

3．6 本章小结

第四章 改性树脂固化及树脂的应用性能研究

4．1 前言

4．2 改性树脂固化反应原理

4．3 改性树脂固化工艺

4．3．1 升温速率对改性树酯固化的影响

4．3．2 改性树脂固化温度的确定

4．3．3 改性树脂固化时间的确定

4．4 改性树脂的固化动力学研究

4．5 改性树脂固化前后红外光谱分析

4．6 改性反应程度对树脂胶黏特性的影响

4．6．1 UHMWPEF／CF复合材料样品制备

4．6．2 改性反应程度对T剥离强度的影响

4．6．3 剥离面微观形貌分析

4．7 本章小结

第五章 UHMWPEF表面处理及复合界面胶黏特性研究

5．1 前言

5．2 UHMWPEF表面处理工艺

5．3 表面处理工艺对纤维性能的影响

5．3．1 表面处理工艺对纤维形貌的影响

5．3．2 表面处理工艺对纤维化学成分的影响

5．3．3 表面处理工艺对单丝强度的影响

5．4 纤维结构对复合界面粘接性能的影响

5．4．1 UHMWPEF／CF复合材料样品制备

5．4．2 UHMWPEF结构对复合界面粘接性能的影响

5．4．3 CF织物形态对复合界面粘接性能的影响

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

参与的科研项目