超高分子量聚乙烯纤维改性增强聚合物基复合材料性能研究

摘要

纤维增强聚合物（FRPs）因为优异的热物理性能，高比强度和模量，高抗疲劳强度等优点，已经在高性能汽车、航空航天、运动器械、土木工程等领域广泛应用。随着纤维增强聚合物的迅速发展，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维树脂基复合材料由于具有诸多优异性能而在众多领域被广泛应用。UHMWPE纤维具有高强度和刚度、耐化学性、密度低和低温下良好的机械性能等优异性能，但是其表面光滑呈惰性与基体粘结性差，限制了其应用领域。本文采用单宁酸-金属离子表面涂覆及分步接枝法对UHMWPE纤维进行表面改性，改善其与基体界面粘结能力。 首先采用单宁酸-金属钠离子有机络合物对UHMWPE纤维进行表面涂覆改性，通过红外光谱测试、X射线光电子能谱测试、扫描电镜等测试表明单宁酸改性后的纤维表面存在一层较为均匀致密的涂层。水接触角测试表明改性后纤维亲水性有明显提高。单丝力学测试结果表明单宁酸改性并没有对纤维自身的力学性能产生损害。当单宁酸浓度为2 mg/mL、反应时间为6h、pH值为8时，纤维与环氧树脂界面剪切强度达到1.055 MPa，相比较于原始纤维界面剪切强度提高了43.34％。横向纤维束拉伸测试和纵向纤维增强复合材料测试结果表明单宁酸改性后的纤维制备复合材料性能有较为明显的提高。 使用氰尿酰氯和苯二胺对单宁酸改性后的纤维进行二次改性。通过红外光谱测试、X射线光电子能谱测试、扫描电镜等测试表明了纤维表面单宁酸涂层上成功接枝了苯二胺并引入了胺基活性官能团，并且二次改性后的纤维表面粗糙度明显增加。在苯二胺浓度为2 mg/mL，接枝次数为3次后的UHMWPE纤维与环氧树脂界面剪切强度达到1.397 MPa，比原始纤维相比较提高了89.98％。相比较原始UHMWPE纤维/环氧树脂复合材料，经过改性之后所制备的复合材料性能有了显著提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1.1 纤维增强聚合物简介

1.2 纤维增强聚合物性能

1.2.1 比强度、比模量高

1.2.2 优异的耐疲劳性能

1.2.3 优异的阻尼减震性

1.2.4 多种功能性

1.2.5 各向异性和性能的可设计性

1.3 UHMWPE纤维简介

1.4 UHMWPE纤维的性能

1.4.1 优异的力学性能

1.4.2 优越的能量吸收特性

1.4.3 优异的抗化学腐蚀性

1.4.4 良好的耐磨性能

1.4.5 良好的耐光性能和电性能

1.4.6 良好的耐低温性能

1.5 UHMWPE纤维增强复合材料基体

1.5.1 环氧树脂

1.5.2 双马来酰亚胺树脂

1.5.3 氰酸酯树脂

1.5.4 酚醛树脂

1.5.5 聚苯硫醚树脂

1.6 纤维增强聚合物的改性方法

1.6.1 电泳沉积

1.6.2 化学接枝

1.6.3 等离子体聚合

1.6.4 水热法

1.6.5 物理涂覆

1.7 单宁酸涂覆改性

1.7.1 单宁酸简介

1.7.2 单宁酸研究进展

1.8 本课题研究目的及主要内容

1.8.1 本课题研究目的及意义

1.8.2 本课题研究的主要内容

第二章 单宁酸改性UHMWPE纤维及其复合材料性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品与原料

2.2.2 实验仪器

2.2.4 单宁酸-金属钠离子改性后UHMWPE纤维与环氧树脂反应机理研究

2.2.5 单丝拔出强度测试样品的制备

2.2.6 横向纤维束测试样品的制备

2.2.7 纵向增强拉伸测试样品的制备

2.3 表征与测试

2.3.1 FTIR测试

2.3.2 XPS测试

2.3.3 TG测试

2.3.4 SEM测试

2.3.5 亲水性测试

2.3.6 单丝力学测试

2.3.7 界面剪切强度测试

2.3.8 单丝拔出表面形貌测试

2.3.9 横向纤维束张力测试

2.3.10 横向纤维束断裂表面形貌测试

2.3.11纵向增强拉伸断裂测试

2.3.12 纵向增强拉伸断裂截面形貌和表面元素测试

2.4 结果与讨论

2.4.1 反应时间对纤维性能的影响

2.4.2 反应浓度对纤维性能的影响

2.4.3 反应pH对纤维性能的影响

2.4.4 横向纤维束复合材料性能分析

2.4.5 纵向增强复合材料性能分析

2.5本章小结

第三章 多元胺分步接枝UHMWPE纤维及其复合材料性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品与原料

3.2.2 实验仪器

3.2.3 多元胺分步接枝改性UHMWPE纤维

3.2.4 氰尿酰氯和间苯二胺改性UHMWPE纤维与环氧树脂反应机理研究

3.2.5 单丝拔出强度测试样品的制备

3.2.6 横向纤维束测试样品的制备

3.2.7 纵向增强拉伸测试样品的制备

3.3.表征与测试

3.3.1 FTIR测试

3.3.2 XPS测试

3.3.3 重量分析法测试接枝率

3.3.4 XRD测试

3.3.5 单丝力学测试

3.3.6 SEM测试

3.3.7 界面剪切强度测试

3.3.8 横向纤维束张力测试

3.3.9 横向纤维束张力断裂截面形貌测试

3.4.10 纵向增强拉伸断裂测试

3.4.11 纵向增强拉伸断裂截面形貌和表面元素测试

3.4 结果与讨论

3.4.1 不同接枝次数对纤维性能的影响

3.4.2 接枝浓度对纤维性能的影响

3.4.3 横向纤维束复合材料性能分析

3.4.4 纵向增强复合材料性能分析

3.5 本章小结

第四章全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢