纤维表面与内部纳米尺度界面构建及多尺度测量表征

摘要

本论文在对纤维表面及内部纳米尺度界面构造及多尺度测量表征的研究概况进行综述的基础上，开展了等离子体体处理纳米二氧化硅涂敷碳纤维、高强聚乙烯纤维的纳米界面构建与其多尺度纳米界面定量表征;等离子体处理纳米蒙脱土、多壁碳纳米管、纳米氧化钛等纳米颗粒填充聚丙烯/聚乳酸共混合金纤维等共混纤维内纳米界面构建与其多尺度纳米界面定量表征。本研究主要工作如下:
　　 (1)从分子力学角度考察纳米颗粒与周围其他大分子之间的关系:力学测试中所得屈服应力的热激活体积反应了整体纳米界面结构微观塑性变形过程中对大分子链段阻碍能垒的效应。利用应变率系数计算热激活体积的方法能定量分析在纳米界面结构中微观屈服变形造成的影响，能准确测量等离子体改性纳米对纤维性能纳米尺度的影响。
　　 (2)以商品化的纳米颗粒为研究对象，利用常温常压等离子体技术对材料的纳米尺度刻蚀、灰化、清洗等能力还原并改善纳米颗粒的纳米形貌结构;从纤维填充材料和纤维表面纳米直接上浆两个角度对纳米改性纤维材料的纳米尺度界面结构及构造进行研究，提出用动态力学的宏观测试手段实现纳米颗粒作用的纳米尺度的表征，用具有明确物理意义的热激活体积揭示纳米颗粒粉体对纤维材料性能的影响。
　　 (3)以氦、氧等离子体处理纳米二氧化硅涂敷碳纤维、超高强聚乙烯纤维为对象，探讨了等离子体处理纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维、超高强聚乙烯纤维构造出的特定空间形态结构、纳米涂覆层形貌变化特征、基本化学基团变化特征、力学变化特征。扫描电镜图显示:纳米溶胶二氧化硅涂敷碳纤维、超高强聚乙烯纤维表面可以形成特定三维空间的形貌界面，等离子体处理纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维、超高强聚乙烯纤维的纳米涂覆层在纤维表面形貌发生变化，纳米颗粒变得更加薄而且分布更均匀，可以明显看到变细微的纳米颗粒填补纤维表面微观缺陷。X射线光电子能谱及傅里叶变换红外光谱显示纤维表面被引入活性官能团，纳米二氧化硅涂覆层与纤维间有表面激活反应。通过艾琳方程验证，纤维表面和纳米二氧化硅涂覆层间的纳米界面结构相互作用，方程中的热激活体积定量表征经等离子体处理后纳米颗粒与纤维间的相互作用。试验结果表明:对比不同处理方法的结果发现，屈服塑性变形导致纳米界面结构热激活，纳米微粒阻碍纤维表面大分子链形貌变化的热激活体积是纳米界面结构性能的重要表征。
　　 (4)以纳米二氧化钛、氧化硅、氧化锌、蒙脱土、碳纳米管为研究对象，利用正交实验方法寻求影响常压等离子射流处理纳米颗粒填充共混高分子合金纤维性能的主要因素。就等离子体处理蒙脱土填充聚丙烯/聚乳酸纳米复合长丝而言，聚丙烯/聚乳酸单因素对纳米复合长丝断裂强力的影响最小，等离子体处理功率影响最大;就等离子体处理碳纳米管填充聚丙烯/聚乳酸纳米复合长丝而言，等离子体处理气源氦气流量He单因素对纳米复合长丝断裂强力的影响最小，等离子体处理功率影响最大;纳米二氧化钛添加量单因素对纳米复合长丝断裂强力的影响最大，聚丙烯与聚乳酸的混合比例pp/pla影响最小。纳米颗粒经过适当的表面处理能改变共混聚丙烯/聚乳酸长丝中聚丙烯微纤维的相容性及结构，使聚丙烯纤维的卷绕丝断裂伸长率和可拉伸性得到改善;同时改善聚丙烯的流动性，降低该共混物的熔体粘度及纺丝出口胀大比;加工工艺参数的变化造成热激活体积在纳米尺度上发生变化，热激活体积可以在纳米尺度上精确的描述等离子体处理纳米蒙脱土的不同加工参数变化给纳米复合丝带来的影响。

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摘要

1．复合材料纳米尺度界面文献综述

前言

1．1 复合材料纳米尺度界面研究现状

1．2 关于材料强度的应变率依赖性的内在机理

1．3 等离子体处理纳米材料对纤维材料应变率影响的物理机制

1．4 共混填充高分子复合材料界面力学行为实验研究进展

1．5 本课题研究内容

2．氦等离子体处理对纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维的影响

2．1．引言

2．2 实验

2．3 结果和讨论

2．4 结论

3．氧等离子体处理对纳米二氧化硅溶胶涂覆超高分子量聚乙烯纤维的影响

3．1．引言

3．2 实验

3．3 结果和讨论

3．4 结论

4．蒙脱土/聚丙烯/聚乳酸纳米复合纤维长丝的制备及其性能

4．1．引言

4．2 试验

4．3 结果与讨论

4．3．1 热学性能

4．3．2 截面形态

4．3．3 应力—应变图

4．3．4 强度的应变率敏感性

4．4 结论

5．碳纳米管/聚丙烯/聚乳酸复合丝性能的研究

5．1 引言

5．2 试验

5．3 结果与讨论

5．3．1 极差分析

5．3．2 碳纳米管/聚丙烯/聚乳酸纳米复合丝的热学性能研究

5．3．3 碳纳米管/聚丙烯/聚乳酸复合丝的力学性能研究

5．3．4 碳纳米管/聚丙烯/聚乳酸复合丝的SEM研究

5．4 结论

6． 纳米二氧化钛/聚丙烯/聚乳酸复合长丝性质的研究

6．1 前言

6．2 试验

6．3．性能测试

6．4．结果与讨论

6．4．1 极差分析

6．4．2 热学性质

6．4．3 应力-应变曲线

6．4．4 横截面形态研究

6．5．结论

7．结论与展望

7．1 结论

7．2 存在问题和研究展望

参考文献

致谢