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UHMWPE纖維增強復合材料的界面性能研究進展

放大字體  縮小字體 發布日期:2016-12-21  來源:復材應用技術網  瀏覽次數:221
核心提示:本文探討了不同的纖維表面處理方法對超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維增強樹脂基復合材料界面性能的影響。介紹了等離子體處理、
       本文探討了不同的纖維表面處理方法對超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維增強樹脂復合材料界面性能的影響。介紹了等離子體處理、化學試劑處理、電暈處理等常用的UHMWPE纖維表面改性方法。通過對纖維的表面處理,纖維表面的粗糙度和極性基團含量都有了提高,使纖維與樹脂基體的粘結性能得以改善。本文還論述了通過對樹脂基體改性提高UHMWPE纖維增強復合材料界面性能的研究進展。

1  引  言
 
       超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維也稱超高模量聚乙烯(UHMPE)纖維,是繼碳纖維、芳綸纖維的又一種高性能纖維。UHMWPE的分子量通常在100-600萬之間,分子為線型的高度取向的伸直鏈結構,取向度可以接近100%。這種超分子結構賦予了UHMWPE纖維一系列特殊性能。UHMWPE纖維的初始模量在100GPa以上,拉伸強度大于3.OGPa。UHMWPE纖維的密度只有0.97g/cm³,其強度比碳纖維和芳綸都要高。UHMWPE纖維增強復合材料的耐磨性能和抗沖擊性能是現有的高性能纖維增強復合材料無法比擬的。UHMWPE纖維是由亞甲基(-CH-)形成的非極性材料,吸水率低于0.01%.具有耐化學性能、介電性能、自潤滑性、與生物相容性好等特點。
 
       UHMWPE纖維具有的一系列優異性能,使得其在國防、軍事、航空航天、高性能復合材料、生物材料等領域具有廣闊的應用前景。但由于纖維分子鏈是非極性的全碳氫結構,表面呈惰性,不易被樹脂潤濕,其復合材料的界面結合弱,層間剪切強度(ILSS)低,大大限制了它的應用領域。因此,提高UHMWPE纖維增強復合材料的界面粘結性成為該復合材料推廣應用中亟待解決的重要問題。
 
       目前提高UHMWPE纖維增強樹脂基復合材料的界面性能可從兩方面人手:①提高UHMWPE纖維的表面能和活性;②降低樹脂基體的表面能和極性。目前最常用的且已成熟的方法是對纖維的表面進行處理。常用于UHMWPE纖維表面改性的方法主要有等離子體處理、化學試劑處理、輻射引發表面接枝處理、電暈放電處理、涂層法等。經過上述方法處理過的纖維,有的表面粗糙度發生了變化,有的則被引入了活性基團,有的表面引入聚合物涂層等,其最終作用都是使纖維表面能發生了變化.改善了與基體的粘結性能,提高了ILSS.使復合材料的一系列性能得以提高。相比而言,對樹脂進行改性降低表面能,從而提高與UHMWPE纖維相容性的方法和研究則鮮有文獻報道。
 
       本文從不同處理方法對UHMWPE纖維表面的處理效果和對復合材料的性能影響方面展開論述,探討了UHMWPE纖維增強復合材料用樹脂基體的研究進展。
 
       2 UHMWPE纖維表面改性方法對其復 合材料性能的影響
 
       2.1等離子體處理
 
       等離子體表面處理主要是對材料進行表面轟擊。表面轟擊的作用主要有:
 
       (1)使結合不牢的物質脫離;
       (2)碰撞級聯作用引起的表面原子濺射作用;
       (3)轟擊離子和濺射原子通過碰撞作用產生沉積:
       (4)增強轟擊和吸附物質的化學反應而形成化學沉積物或產生易揮發的物質形成表面刻蝕。
 
       等離子體處理僅涉及纖維的表面,一般在一到幾個分子間距內進行作用刻蝕,所以纖維自身的性能受影響較小。按處理的效果可以分為處理后表面不形成聚合物和形成聚合物兩種。兩者的區別在于處理時使用的氣體不同,在N?、H?、.0?、NH?、空氣等氣氛中處理時纖維的表面不形成聚合物,而會在纖維表面進行刻蝕.增加纖維表面的粗糙度,從而增加與樹脂基體的接觸面積和結合力;而采用有機氣體(如丙烯酸)產生等離子體,除在纖維表面形成刻蝕外還會因為聚合反應在纖維的表面產生一層涂層,涂層能夠起到兩相粘結層的作用,提高復合材料的界面結合強度,同時也會使復合材料的柔韌性得以提高,降低層間破壞發生的可能性,提高復合材料的整體強度和沖擊韌性。由于涂層的存在使纖維性能受到的影響更小。

       對UHMWPE纖維表面進行介質阻擋放電氬等離子體處理,分析了處理前后UHMWPE纖維/LDPE復合材料的縱、橫向拉伸性能的變化。研究發現未處理纖維制成的復合材料在起始階段曲線上有一曲折存在,這一曲折的應力高于基體材料的應力,說明負荷沒有通過基體傳遞給纖維,是由少量的缺陷纖維發生斷裂而形成的;但經等離子體處理過的纖維制成的復合材料則沒有這種現象,說明處理后的纖維的表面粗糙度的增加彌補了這一不足。從拉伸曲線上可以看出當負荷達到一定時,復合材料在瞬時解體破壞,但處理前的要比處理后的應力值小約100%。這說明等離子體處理改善了纖維的界面粘結性能,提高了復合材料的力學性能。
 
        唐久英等運用自行研制的常壓低溫等離子體設備對UHMWPE纖維進行了表面處理,使用SEM觀察并與未處理的纖維進行比較后發現:空氣、空氣攜帶丙烯酸、純Ar處理UHMWPE纖維后雖然表面有所刻蝕,但刻蝕并不明顯;氬氣攜帶0?、Ar攜帶丙烯酸處理UHMWPE纖維后表面刻蝕得較明顯,并且表面還產生了可能是由于丙烯酸自身聚合或與纖維表面交聯而得到的附著物沉積;空氣、純Ar、Ar攜帶0?處理UHMWPE纖維后,拉伸強度有了不同程度的降低,而在攜帶丙烯酸的情況下,在同樣的工作氣體條件下,拉伸強度有了相應的提高。這說明不攜帶丙烯酸氣體的工作氣體主要對纖維表面進行了刻蝕作用,而攜帶丙烯酸氣體的工作氣體能夠使纖維表面產生附著物沉積層,對纖維有一定的保護作用,從而使纖維強度提高。此外通過XPS分析還發現,Ar攜帶丙烯酸能夠使纖維引入羥基等極性基團的含量最大,使表面自由能增大,與環氧樹脂粘結性增強。
 
2.2化學試劑處理
 
       處理UHMWPE纖維的化學試劑多為強氧化劑.如鉻酸、重鉻酸鉀、雙氧水等。這些試劑能夠和UHMWPE纖維表面發生氧化反應,在纖維表面引入活性基團,有利于與樹脂基體發生化學反應;同時可以在纖維表面進行刻蝕,增大纖維與樹脂的接觸面積。在這些試劑中鉻酸處理的效果較好。例如,駱玉祥等同分別用高錳酸鉀、濃硝酸、鉻酸等試劑對UHMWPE纖維表面進行處理,發現鉻酸的效果最好。王保剛等同對重鉻酸氧化處理后的高強高模聚乙烯纖維的強力、表面形態、表面官能團及其含量以及與環氧樹脂的粘結性進行了研究。結果表明,重鉻酸氧化處理后的纖維強力明顯下降,表面出現了刻痕,但極性官能團含量增加,界面剪切強度也增加了2-3倍。

       采用不同濃度和溫度下的鉻酸溶液對UHMWPE纖維進行表面處理。通過試驗研究發現,提高處理液濃度不能提高UHMWPE纖維表面的接觸角,升溫則可以降低處理后纖維表面的接觸角,使纖維表面浸潤性增加。隨著鉻酸處理液濃度的增大,纖維表面刻蝕程度變得嚴重。經鉻酸溶液處理后纖維復合材料的ILSS得到了提高,特別是升溫處理后.ILSS能夠升高200%,并隨處理液濃度增加ILSS增大。表明復合材料的ILSS與纖維表面的極性基團和刻蝕程度密切相關。化學試劑方法的缺點在于廢液難處理,容易污染環境,因而限制了其工業化應用。
 
2.3輻射引發表面接枝處理
 
       輻射引發表面接枝的原理是在纖維表面通過輻射引發第二單體聚合在纖維表面生成一層與纖維性質不同的涂層,從而達到改善與樹脂基體粘結性能。常用的輻射源有紫外線、γ射線、電子柬等。常用的第二單體為丙烯類單體,如丙烯酰胺、丙烯酸等。其中最常用的方法是紫外線法。紫外線法是先引發激活光敏劑,再由光敏劑引發單體接枝到纖維表面。龐雅莉等采用紫外輻射接枝方法對UHMWPE纖維表面進行改性,采用丙烯酰胺為接枝單體,探討了單體種類及濃度、引發劑、抗氧劑、接枝方法等對UHMWPE紆維表面處理效果的影響。發現在光強度為86MW/cm2條件下,對UHMWPE纖維進行紫外輻射接枝改性.按照一定鋪層方式制備的環氧基復合材料的ILSS從未處理的14.59MPa提高到17.36MPa。這表明纖維表面接枝改性確實加強了纖維與基體間的界面結合,提高了復合材料的整體力學性能。

資料下載:   UHMWPE纖維增強復合材料的界面性能研究進展.pdf

 
 
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