超高分子量聚乙烯纤维表面改性及其复合材料研究

摘要

本文采用铬酸氧化法,吡咯、噻吩化学沉积法及铬酸氧化后再吡咯化学沉积的方法对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维进行了处理,研究并讨论了这些方法处理UHMWPE纤维的各种影响因素。对处理后纤维的结构与性能进行了分析,阐明了不同处理方法对纤维结构及力学性能的影响。对毗咯及噻吩化学处理后在纤维表面生成的聚吡咯(PPy)及聚噻吩(PTh)聚集态结构进行了研究,确定了这些生成物的结构形态及其对纤维与树脂粘结性能的影响。将吡咯化学处理后的UHMWPE纤维织成平纹及三维织物,研究了不同的处理方法对平纹织物增强复合材料及三维织物增强复合材料力学性能的影响,采用有限元法模拟了单纤维微脱粘过程的受力情况,并与实验结果进行了比较分析。 铬酸处理UHMWPE纤维中,研究了铬酸配比,处理时间及处理温度对纤维与环氧树脂粘结强度的影响。随铬酸配比增加,纤维表面的刻蚀程度加剧,表面变得粗糙,层间剪切强度增大；随处理温度升高,纤维表面极性增加,所得UHMWPE纤维与环氧树脂界面剪切强度也增大,但同时,温度越高,纤维断裂强度下降越明显。综合考虑,选用铬酸配比为重铬酸钾：水：浓硫酸=7:12：150,处理温度为40℃,处理时间为5min较合适。 吡咯气相沉积处理UHMWPE纤维中,研究了真空度、氧化剂(三氯化铁溶液)浓度、沉积温度及沉积时间对处理后纤维界面剪切强度的影响。结果表明,当反应釜真空度为680mmHg,氧化剂为1mol/l,温度为85℃,处理1h时,PPy/UHMWPE纤维与环氧树脂界面剪切强度最大。吡咯液相处理UHMWPE纤维中,PPy/UHMWPE纤维与环氧树脂界面剪切强度随氧化剂浓度的增加而增大,涂覆机线速度对剪切强度并无影响。对PPy/UHMWPE纤维结构分析表明,PPy与UHMWPE纤维之间无化学键的作用,只有分子间作用力。对沉积在纤维表面的PPy聚集态分析表明,PPy可分为紧密层和疏松层。沉积时间短时纤维表面只存在PPy紧密层,处理时间长时,纤维表面的PPy则由紧密层和疏松层构成。 铬酸处理与吡咯气相复合处理UHMWPE纤维后,处理后纤维与环氧树脂界面剪切强度均有增加,且复合处理后纤维与环氧树脂界面剪切强度较单一处理有较大提高。PPy与铬酸处理过的UHMWPE纤维之间无化学键的作用,只有分子间作用。 噻吩气相沉积UHMWPE纤维中,研究了真空度、氧化剂(三氯化铁溶液)浓度及沉积时间对处理后纤维界面剪切强度的影响。结果表明,当真空度为680mmHg,氧化剂为2mol/l,处理1h时,PTh/UHMWPE纤维与环氧树脂界面剪切强度最大。对PTh/UHMWPE纤维结构的研究表明,PTh与UHMWPE之间不存在化学键,而只存在分子间作用力。纤维表面生成的聚噻吩层也可分为紧密层和疏松层。对界面剪切强度起主要作用的是紧密层。经吡咯化学气相沉积后,PPy/UHMWPE平纹织物增强复合材料的力学性能发生了变化。随氧化剂浓度及处理时间的增加,UHMWPE平纹织物增强复合材料的剪切强度及压缩强度均增大,其最佳处理浓度为1mol/l,最佳处理时间为4h。UHMWPE平纹增强复合材料随着气相沉积时间的增加,其弯曲强度先增大后减小,且处理4h后,复合材料的弯曲强度最大；随氧化剂浓度的增加,其弯曲强度先增大后减小了。 经吡咯气相和液相沉积后,PPy/UHMWPE三维编织复合材料的剪切强度、弯曲强度及压缩强度均增大。不同沉积方式对剪切强度和弯曲强度并无明显影响。液相沉积时,氧化剂浓度为1mol/l时有最大剪切强度,氧化剂浓度为2mol/l时有最大压缩强度,氧化剂溶液饱和时有最大弯曲强度；气相沉积时,氧化剂浓度为0.5mol/l,处理时间为4h时有最大剪切强度、弯曲强度和压缩强度。 经铬酸处理后的三维编织复合材料的各项力学性能均有显著提高。 采用有限元法分析了微脱粘法界面应力情况,并求算出了不同方法处理后纤维与树脂理论临界界面剪切强度,该强度略大于实际测试值。

目录

文摘

英文文摘

声明

学位论文的主要创新点

第一章 前言

1.1 UHMWPE纤维的发展

1.2 UHMWPE纤维的性能

1.3 UHMWPE纤维的表面改性方法

1.3.1 化学试剂处理

1.3.2等离子体处理

1.3.3 电晕放电处理

1.3.4辐射引发表面接枝处理

1.3.5其它方法

1.4 UHMWPE纤维增强复合材料用树脂基体

1.5树脂基复合材料界面

1.5.1 界面理论研究

1.5.2粘结强度的测试

1.5.3 界面脱粘理论模型

1.6本文的提出及研究内容

1.6.1 本课题的提出

1.6.2本课题的研究内容

第二章铬酸处理UHMWPE纤维的研究

2.1 实验部分

2.1.1原材料及试剂

2.1.2铬酸的配制

2.1.3 UHMWPE纤维的表面处理

2.1.4纤维结构与性能测试

2.2结果与讨论

2.2.1 铬酸处理条件的影响

2.2.2纤维结构与性能

2.3 小结

第三章吡咯化学氧化处理UHMWPE纤维的研究

3.1 实验部分

3.1.1原材料及试剂

3.1.2试样制备

3.1.3单纤维剪切强度

3.1.4纤维质量

3.1.5 FTIR分析

3.1.6热性能分析

3.1.7 X-射线衍射分析

3.1.8 SEM观察

3.2结果与讨论

3.2.1气相沉积处理条件的影响

3.2.2液相沉积处理条件的影响

3.2.3沉积处理后纤维结构与性能

3.2.4铬酸与吡咯气相沉积复合处理的作用

3.2.5气村沉积PPy形态结构研究

3.3 小结

笫四章 噻吩化学氧化处理UHMWPE纤维的研究

4.1 实验部分

4.1.1 原材料及试剂

4.1.2 PTh/UHMWPE纤维复合材料

4.1.3 PTh/UMWPE纤维清洗

4.1.4单纤维剪切强度

4.1.5 纤维质量

4.1.6 FTIR分析

4.1.7热性能分析

4.1.8 X-射线衍射分析

4.1.9 SEM脱察

4.2结果与讨论

4.2.1 气相沉积处理条件的影响

4.2.2 PTh/UHMWPE纤维的结构与性能

4.2.3气相沉积PTh层形态结构研究

4.3 小结

第五章表面改性UHMWPE织物增强复合材料力学性能研究

5.1 实验部分

5.1.1原材料及试剂

5.1.2平纹织物的处理

5.1.3三维编织物的制备

5.1.4复合材料力学性能的测试

5.1.5织物质量

5.1.6 SEM观察

5.2结果与讨论

5.2.1 剪切强度

5.2.2弯曲强度

5.2.3压缩性能

5.2.4铬酸处理对三维编织增强复合材料力学性能的影响

5.2.5破坏分析

5.3 小结

第六章纤维表面改性的界面剪切强度有限元分析

6.1有限元分析简介

6.2模型的建立

6.3. 网格的划分、边界条件及加载

6.4模型求解及与实验结果的比较

6.4.1铬酸处理UHMWPE纤维

6.4.2吡咯气相沉积UHMWPE纤维

6.4.3 噻吩气相沉积UHMWPE纤维

6.5 小结

第七章全文总结

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢