UHMWPE纖維表面改性及其復(fù)合材料界面初步探究.pdf

1、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維具有很高的比強(qiáng)度和比模量，經(jīng)常用作復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料。但是由于其表面光滑且呈化學(xué)惰性，纖維表面和樹(shù)脂基體間的粘結(jié)性能較差，大大限制了UHMWPE纖維在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行表面改性成為了必須。而在其增強(qiáng)復(fù)合材料的研究和應(yīng)用中，復(fù)合材料的界面力學(xué)性能對(duì)復(fù)合材料的整體性能有著至關(guān)重要的影響。本論文著重探究了鉻酸溶液氧化改性法對(duì)UHMWPE纖維的表面改性，并與介質(zhì)阻擋（DBD）等

2、離子體改性做對(duì)比。此外采用拉曼光譜技術(shù)和微滴包埋纖維拉伸試驗(yàn)相結(jié)合來(lái)初步探究 UHMWPE纖維復(fù)合材料界面的微觀力學(xué)性能。
　　論文首先以特定濃度的鉻酸氧化液對(duì) UHMWPE纖維進(jìn)行表面氧化改性。通過(guò)傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和力學(xué)性能測(cè)試分析比較了改性前后纖維的表面官能團(tuán)變化、形貌結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性能和力學(xué)性能變化。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)處理后UHMWPE纖維表面

3、產(chǎn)生了新的極性官能團(tuán)，表面粗糙度增加，纖維的親水性能以及纖維-樹(shù)脂界面粘結(jié)性能得到充分改善，纖維表層結(jié)晶度和晶粒尺寸下降明顯，晶區(qū)取向度也相應(yīng)降低，而芯層結(jié)晶度和晶粒尺寸只有輕微下降；當(dāng)鉻酸處理溫度為55℃，處理時(shí)間為5min時(shí)，纖維IFSS值提高最多，且纖維力學(xué)性能損失不大。
　　其次，將處理前后的纖維制成 UHMWPE纖維/樹(shù)脂微滴狀復(fù)合材料，并對(duì)纖維施加一定應(yīng)力，探究在應(yīng)力作用下微滴內(nèi)纖維的受力分布情況，結(jié)果表明：對(duì)于未處理

4、的纖維與環(huán)氧樹(shù)脂微滴復(fù)合材料，在未受到應(yīng)力時(shí)，微滴內(nèi)UHMWPE纖維由于固化作用受力分布圖呈現(xiàn)“M”狀，應(yīng)力增大后，微滴內(nèi) UHMWPE受力分布呈現(xiàn)“U”字形，微滴內(nèi)的纖維所受的力會(huì)部分轉(zhuǎn)移至樹(shù)脂中；對(duì)比處理前后的UHMWPE纖維經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂微滴包埋后拉伸試驗(yàn)中的UHMWPE纖維應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)鉻酸氧化處理后的纖維與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力傳遞效果更佳，纖維與微滴界面剪切應(yīng)力也隨位置而發(fā)生變化，在纖維/環(huán)氧微滴端點(diǎn)處最大，而在微滴中心位置則最小

5、。
　　然后，論文研究了不同濃度（K2Cr2O7:H2O:H2SO4=1:4:10~1:4:40）鉻酸氧化液對(duì)UHMWPE纖維表面改性效果，結(jié)果表明：隨鉻酸氧化液濃度的增加，纖維-樹(shù)脂界面剪切強(qiáng)度 IFSS逐漸提高，至濃度為1:4:40時(shí)，IFSS值提高了75.5％；鉻酸溶液濃度增加，UHMWPE纖維表面變得更加粗糙，其粗糙度值和刻痕深度也不斷增加；結(jié)合纖維力學(xué)性能測(cè)試，鉻酸氧化液的最佳處理?xiàng)l件為：處理濃度1:4:30（或1:4:

6、20），處理溫度55℃，處理時(shí)間5min。
　　最后，論文研究了在氬氣氣氛條件下對(duì)UHMWPE纖維進(jìn)行DBD等離子體改性，通過(guò)改變等離子體放電處理時(shí)間和氣體流量來(lái)尋求改善纖維粘結(jié)性能的最佳條件，并與鉻酸氧化法作比較。研究表明：等離子體處理最佳條件為：氣體流量3L/min，處理時(shí)間30s；在此最佳條件下經(jīng)過(guò)等離子體處理后的UHMWPE纖維界面剪切強(qiáng)度IFSS提高幅度和接觸角下降幅度，與鉻酸氧化處理相比較弱，對(duì)其表面進(jìn)行XPS和AFM