溶液浸渍法制备超高分子量聚乙烯纤维增强复合带

摘要

随着科技的快速发展，人们对通信网络和信息传输的依赖性日益增加，采用受力结构件对光缆进行保护，以保证通信网络的长期畅通及可靠性是非常必要的。业界为此做了很多努力，包括发明了高强度纤维增强复合加强芯保护光缆。
　　 本论文选用具有高强高模轻质特性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维材料，并采用聚丙烯(PP)和高密度聚乙烯(HDPE)为树脂基体，溶解在十氢萘中制成浸渍溶液，利用自制复合带成型机对UHMWPE纤维进行加工，采用常压溶液浸渍和高压溶液浸渍加工工艺分别制成UHMWPE纤维增强复合材料。采用差示扫描量热法(DSC)、广角X-射线衍射法(WAXD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了复合带的热性能、结晶结构和表面形态；利用强力仪和动态力学热分析仪分析了复合带的力学性能，研究并确定最佳工艺条件。
　　 由于高温十氢萘对UHMWPE纤维表面的溶解刻蚀作用，随着十氢萘溶液温度的提高，纤维表面开始出现沟槽，界面模糊，粗糙程度变大。随热处理温度的升高，经十氢萘溶液处理过的UHMWPE纤维的熔点和结晶度先上升后下降；常压PP基复合带中UHMWPE纤维的熔点和结晶度随之先上升后下降，PP基体的熔点和结晶度随之降低；高压HDPE基复合带的熔点和结晶度也随之逐渐降低。经十氢萘溶液处理的UHMWPE纤维和复合带中纤维及基体的内部结晶结构没有发生变化，但是晶粒尺寸在逐渐减小。
　　 运用Weibull统计方法研究不同工艺条件下制备的复合带的统计应力和形状参数，用以表征复合带的断裂强度及其分散性，可由此得到最佳制备工艺条件。经纯十氢萘处理的UHMWPE纤维的统计应力和分布随处理温度的升高而减小，随卷绕速度的加快而增大。综合考虑复合带的统计应力和形状参数确定：常压溶液浸渍法制备PP基复合带时，PP/十氢萘溶液浓度为20％、热处理温度为125℃和卷绕速度为8mm/s下制备的复合带综合性能最佳；常压溶液浸渍法制备HDPE基复合带时，HDPE/十氢萘溶液浓度为5%、热处理温度为125℃和卷绕速度为8mm/s下制备的复合带综合性能最佳；而高压溶液浸渍法制备HDPE基复合带时，HDPE/十氢萘溶液浓度为8%、真空罐压力为50kPa、热处理温度为125℃和卷绕速度为400mm/s下制备的复合带综合性能最佳。
　　 在制备复合带的过程中，树脂基体将纤维束粘合在一起，避免了UHMWPE纤维束受拉伸时因单丝张力不匀而导致纤维强度的下降，使复合带的实际强度高于其理论强度。随着外加载荷水平的提高，复合带相应的蠕变量均随之增大，但总体伸长率保持在较低的水平，而且高压HDPE基复合带的抗蠕变性能优于常压PP基复合带。根据动态力学性能测试结果，当常压PP/十氢萘溶液浓度为20%、高压HDPE/十氢萘溶液浓度为8%时，复合带的粘接效果最好。