（材料学专业论文）超高相对分子质量聚乙烯纤维表面改性研究.pdf

q j ， r n 一l 一 一 一 1n er e s e a r c no is u r i a c em o d l i l c a t l o no iu i t r a h i g hm o l e c u l a rw e i g h t b y p o l y e t h y l e n ef i b e r s x i a os h u a n g y i n ad i s s e r t a t i o ns n b m i t t e dt oa c a d e m i cc o m m i t t e eo f t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y i nc a n d i d a c yf o rm a s t e r sd e g r e e i nm a t e r i a ls c i e n c e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ra n s h u l i n s c h o o lo fm a t e r i a ls c i e n c ea n dc h e m i c a le n g i n e e r i n g t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ，t i a n j i n ，p r c h i n a d e c e m b e r , 2 0 0 5 m_川4洲& 27舢7iii_ y 、p l f 毒 -_l月 独创性声明 】79o o i8 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：。眸, 扫- - n 细1 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些左堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名： 签字印期：少舴钥加同签字同期：胪i 月矽同 ， i ， 学位论文的主要创新点 一、国内外对u h m w p e 纤维进行表面改性的研究较多，但大多 数都是针对纤维与树脂的界面粘结性，对不同方法处理所得纤维的机 械强度以及耐热性进行分析比较的报道相对较少。本研究在对 u h m w p e 纤维与树脂界面粘结性讨论的基础上，对不同方法处理后 ，纤维的机械强度以及耐热性进行了分析探讨，并分别与铬酸氧化处理 方法效果进行了分析比较，在理论研究上具有一定的创新性。 二、国内外对u h m w p e 纤维进行表面改性的方法很多，但是大 一 多处于实验室阶段，未实现连续化。因此对u i - i m w p e 纤维进行连续 化表面处理具有较高的实用价值。本研究以连续化的方式对 u h m w p e 纤维进行了表面改性处理，在保持纤维机械强度的基础上， 提高了纤维与树脂的界面粘结强度。 三、吡咯液相和吡咯气相化学沉积改性处理所得u h m w p e 纤维与 树脂复合材料界面粘结强度分别提高了约7 7 8 和7 6 6 ，铬酸氧 化改性处理所得纤维与树脂复合材料的界面粘结强度提高约7 2 9 ， 但铬酸氧化改性的处理效果随时间衰变较大。液相化学沉积法处理后 的纤维的单丝断裂强力提高了约4 6 3 ，气相化学沉积处理后的纤 维单丝断裂强力下降了约7 ，铬酸处理后纤维的单丝断裂强力下降 约2 0 3 。吡咯液相和气相化学沉积改性处理后纤维的耐热性都略 有提高，而铬酸处理后纤维的耐热性明显降低。 ，；一 摘要 采用吡咯液相化学沉积和气相化学沉积两种方法，以连续化的方式分别对超 高相对分子质量聚乙烯( u h m w p e ) 纤维进行表面改性。从处理液浓度、处理， 时问和处理温度三方面进行优化，分别得出两种处理方法的最佳工艺条件。参照 h t c h i u 采用的毗咯液相化学沉积方法和文献报道的铬酸氧化改性的几种传统 工艺对u h m w p e 纤维进行表面改性。采用拔出实验对以上四种方法处理商 后纤 维与树脂的界面粘结性进行研究，并分别考察了处理效果随时间衰变的情况。还 根据单丝强力实验和d s c 曲线，对处理f j 后纤维的力学性能和耐热性进行了分 析比较。 研究表明，采用铬酸氧化处理时以8 5 处理1 0 m i n 最佳，处理后纤维与树 脂的界面粘结强度提高约7 2 8 ，但处理效果随时问衰变较大，纤维力学性能下 降较大，纤维的耐热性也有一定程度的降低。 研究发现，吡咯液相化学沉积表面改性处理u h m w p e 纤维的最佳工艺条件 是：纤维经2 5 m o l ! 三氯化铁水溶液室温预处理3 0 m i n ，然后在8 5 。c 吡咯单体中 浸泡3 0 m i n ，最后清沈烘干。处理后纤维与树脂的界面粘结强度提高约7 7 6 ， 。 略小于h t c h i u 采用的方法，但处理效果衰变情况要远好于h t c h i u 采用的方 法，处理后纤维的力学性能和耐热性均有一定的提高。 另外，毗咯气相化学沉积表面改性处理u h m w p e 纤维的最佳工艺条件是： 将u h m w p e 纤维经过饱和三氯化铁水溶液室温预处理3 0 m i n ，然后将纤维放在 毗咯蒸汽中反应2 4 h ，最后清沈烘干。处理后纤维与树脂的界面粘结强度提高约 7 6 ，处理效果随时问衰变不大，但纤维力学性能略有降低，纤维的耐热性没有 明显的提高。 本研究还采用扫描电子显微镜( s e m ) 、偏光显微镜( p o m ) 、红外光谱( f t i r ) 等测试手段对纤维的微观性能、表面极性及其与树脂微观接触情况进行了全面的 评价。 关罐词：超高相对分子质量聚乙烯纤维连续化 界面粘结强度纤维机械 强力耐热性 1 l a b s t r a c t t h es u r f a c eo ft h eu l t r ah i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n e ( u h m w p e ) f i b e r w a st r e a t e di ni n d u s t r i a l i z a t i o nw i t hp y r r o l em o n o m e ri nl i q u i da n dg a sr e s p e c t i v e l y t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ea g e n t ，p r o c e s s i n gt i m ea n dp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r eh a v e s o m ei n f l u e n c e so nt h ei n t e r f a c i a lb o n d i n gs t r e n g t ho fu h m w p ef i b e rr e i n f o r c e d e p o x yc o m p o s i t e s t h e n ，t h eb e s tp r o c e s s i n gp r o g r e s so ft h et w om e t h o d sw e r eg a i n e d i na d d i t i o n ，t h ef i b e rw a st r e a t e di nt h em e t h o do fh t c h i u a n dt h ef i b e rw a s m o d i f i e db yt h ec h r o m i ca c i di nt h et r a d i t i o nm e a n s t h ef i b e r st r e a t e db yt h ef o u r m e t h o d sw e r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r i nt h ei n t e r f a c i a la d h e s i o ns t r e n g t ho ft h e t r e a t e df i b e r e p o x yb yp u l l - o u tt e s t s t h ed i s i n t e g r a t i o no ft h et r e a t e df i b e rw a sa l s o o b s e r v e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh e a t r e s i s t a n tp r o p e r t i e sw e r ed i s c u s s e db y t h ef i l a m e n ti n t e n s i t yt e s ta n dd s cc u r v e t h eb e s tp r o c e s s i n gp r o g r e s so ft h ec h r o m i ca c i dt r e a t m e n tw a st r e a t i n gf i b e r si n 8 5 f o r10m i n u t e s t h ei n t e r r a c i a la d h e s i o ns t r e n g t ho ft h et r e a t e df i b e r e p o x yw a s e n h a n c e db y7 2 8 h o w e v e r , t h ed i s i n t e g r a t i o no ft h et r e a t e df i b e rw a so b v i o u s a n d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yw a sw e a k e n e dal o t t h eh e a t r e s i s t a n tp r o p e r t yw a sm u c h l o w e rt h a nb e f o r e t h eb e s tp r o c e s s i n gp r o g r e s so ft h ep y r r o l em o n o m e ri n l i q u i dw a st h a tt h e s u r f a c eo ft h ef i b e rw a st r e a t e db yd i p p i n gt h ef i b e ri n2 5 m o l lf e r r i cc h l o r i d es o l u t i o n a tr o o mt e m p e r a t u r ef o r3 0m i n u t e s ，t h ed i p p e df i b e rw a st h e nr e m o v e dt ot h e p y r r o l e m o n o m e ra t8 5 。cf o r3 0m i n u t e s ，a f t e rt h er e s i d u a l p o l y p y r r o l eo nt h ef i b e rw a s w a s h e do f fb yw a t e r , t h et r e a t e df i b e rw a st h e np l a c e di na no v e nf o rb a k i n ga t6 5 f o r6h o u r sf o rd e h y d r a t i o np u r p o s e t h ei n t e r f a c i a la d h e s i o ns t r e n g t ho ft h et r e a t e d f i b e r e p o x yw a se n h a n c e db y7 7 6 ，s m a l l e rt h a nh t c h i u sm e a n s b u tt h e d i s i n t e g r a t i o no ft h et r e a t e df i b e rw a sm u c hb e t t e rt h a nh t - c h i u sm e a n s t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh e a t r e s i s t a n tp r o p e r t i e sw e r ea l s oe n h a n c e da l i t t l e t h eb e s tp r o c e s s i n gp r o g r e s so ft h ep o l y p y r r o l ei ng a sw a st h a tt h es u r f a c eo f t h ef i b e rw a st r e a t e db yd i p p i n gt h ef i b e ri nt h es a t u r a t e df e r r i cc h l o r i d es o l u t i o na t r o o mt e m p e r a t u r ef o r3 0m i n u t e s ，t h ed i p p e df i b e rw a st h e nr e m o v e dt ot h ep y r r o l ei n g a sf o r2 4h o u r sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，a f t e rt h er e s i d u a lp o l y p y r r o l eo nt h ef i b e rw a s w a s h e do f fb yw a t e r , t h et r e a t e df i b e rw a st h e np l a c e di na no v e nf o rb a k i n ga t6 5 f o r6h o u r sf o rd e h y d r a t i o np u r p o s e t h ei n t e r f a c i a la d h e s i o ns t r e n g t ho ft h et r e a t e d f i b e r e p o x yw a se n h a n c e db y7 6 l i t t l ed i s i n t e g r a t i o no ft h et r e a t e df i b e rw a s o b s e r v e d h o w e v e r , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yw a sal i t t l el o w e rt h e nb e f o r e t h e h e a t 。r e s i s t a n tp r o p e r t yh a sn o c h a n g e t h es u r f a c ep r o p e r t i e s ，m o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e o ft h ef i b e r sw e r ea l s o d i s c u s s e du s i n gs e m ，p o m ，f t i ra n ds oo n k e y w o r d s ：u h m w p ef i b e r ；c o n t i n u o u st r e a t m e n t ；i n t e r r a c i a la d h e s i o n s t r e n g t h ； m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；h e a t r e s i s t a n tp r o p e r t i e s ， 目录 目录 第一章前言一l i 1 纤维复合材料的概述1 1 1 1 纤维复合材料的定义1 1 1 2 纤维复合材料的特性2 1 2 u h m w p e 纤维及其复合材料概论3 1 2 1u h m w p e 纤维的研制3 1 2 2 u h m w p e 纤维及其增强复合材料的优越性3 1 2 3 u h m w p e 纤维及其增强复合材料的不足之处一6 1 2 4 u h m w p e 纤维及其增强复合材料的应用现状一7 1 2 5 u h m w p e 纤维表面改性的发展现状8 1 3 本课题的研究目的及意义1 2 第二章理论基础13 2 1u h m w p e 纤维增强复合材料的界面理论13 2 1 1 界面的基本概念13 2 1 2 界面的形成与作用机理1 4 2 1 3 界面的破坏机理1 6 2 2u h m w p e 纤维增强复合材料的界面粘结强度测试机理1 8 2 3 纤维拉伸强度的理论计算1 9 2 4 环氧树脂的固化机理2 0 2 5u h m w p e 纤维的铬酸表面改性机理2 1 2 6u h m w p e 纤维的毗咯液相化学沉积表面改性机理2 3 2 7u h m w p e 纤维的毗咯气相化学沉积表面改性机理2 4 2 8u h m w p e 纤维增强复合材料轴向拉伸力学分析2 5 第三章实验2 7 3 1 原料及试剂2 7 3 2 仪器与设备2 7 3 3 纤维表面改性过程2 8 3 3 1 铬酸表面改性2 8 3 3 2 吡咯液相化学沉积表面改性，2 8 3 3 3 毗咯气相化学沉积表面改性2 9 3 4 复合材料样品的设计及制作。一3 0 3 4 1 复合材料样品几何参数的设计3 0 3 4 2 复合材料样品的制作3l 目录 3 5u h m w p e 纤维的结构与性能分析3 1 3 5 1 直径与线密度的测试3 1 3 5 2 单纤维断裂强度的测试3 2 3 5 3 纤维耐热性能的测试3 2 3 5 4 纤维形态结构的观察3 3 3 6u h m w p e 纤维增强复合材料界面粘结强度的测试3 3 第四章铬酸对u h m w p e 纤维的表面改性研究3 4 4 1 铬酸表面改性对u h m w p e 纤维的影响3 4 4 1 1 对纤维机械性能的影响3 4 4 1 2 对纤维表面形貌的影响3 5 4 1 3 对纤维化学特性的影响。3 7 4 1 4 对纤维耐热性能的影响3 7 4 2 铬酸处理对u h m w p e 纤维复合材料界面粘结强度的改善3 8 4 3u h m w p e 纤维复合材料界面粘结强度随时间的变化3 9 4 4d 、结4 0 第五章吡咯液相化学沉积对u h m w p e 纤维的表面改性研究4 2 5 1 吡咯液相化学沉积改性对u h m w p e 纤维的影响4 2 s 1 1 对纤维机械性能的影响4 2 5 1 2 对纤维表面形貌的影响4 5 5 1 3 对纤维化学特性的影响一4 7 5 1 4 对纤维耐热性能的影响4 8 5 2 吡咯液相化学沉积条件对u h m w p e 纤维复合材料的影响4 9 5 2 1 三氯化铁水溶液浓度的影响一5 0 5 2 2 处理时间的影响5 l 5 2 3 处理温度的影响5 2 5 3u h m w p e 纤维复合材料界面粘结强度随时间的变化5 3 5 4 小结5 4 第六章吡咯气相化学沉积对u h m w p e 纤维的表面改性研究5 5 6 1 吡咯气相化学沉积改性对u h m w p e 纤维的影响5 5 6 1 1 对纤维机械性能的影响5 5 6 1 2 对纤维表面形貌的影响5 7 6 1 3 对纤维化学特性的影响5 9 6 1 4 对纤维耐热性能的影响5 9 6 2 吡咯气相化学沉积条件对u h m w p e 纤维复合材料的影响6 0 目录 6 2 1 。处理时间对界面粘结强度的影响6 l 6 2 2 三氯化铁水溶液浓度对界面粘结强度的影响一6 2 6 3u h m w p e 纤维复合材料界面粘结强度随时间的变化6 3 6 4 ，j 、结6 3 第七章全文结论6 5 参考文献一6 7 硕士学位期间发表论文7 4 致 谢7 5 第一章前言 第一章前言 1 1 纤维复合材料的概述 1 1 1 纤维复合材料的定义 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类进步的里程碑，是多数发明 创造的先导。材料的更新与进步促进了人类社会的发展。人类的文明史也是一部 材料发展史，所以社会的历史分期有一种是以材料来划分的。因此，世界各工业 发达国家都把新材料的研究与开发放在十分重要的地位。 当今是多种材料并存的时代，也是新材料迅速发展时期，而复合材料是新材 料发展的重点。这主要是因为复合材料可以取各类材料之长，补各类材料之短， 从而通过不同材料的复合可以达到提高材料综合性能、节约资源的目的。事实上， 天然材料，包括各种生体构成，都以复合的形式存在，因而不同材料的复合是顺 乎自然、结构合理的一种形式。 复合材料的设计自由度大，可以成为高性能的结构材料，可以成为性能优越 的功能材料，也可以成为结构功能一体化的构件。复合材料是材料科学与材料工 程相结合的产物，把材料组成、结构、制造工艺、性能及在使用过程中的表现诸 因素进行优化，按需要进行设计，采用新工艺或新技术，制造出性能优异的复合 材料。 现代复合材料因性能优良、工艺简单、物理力学性能指标的可设计性而蓬勃 发展。作为结构材料，它具有独特的优点。顾名思义，所谓“复合材料”即由两 种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合工艺而成的一种多项材 料，它既保持了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。 复合材料具有如下特性：1 、细观上是非均相材料，组分材料具有明显的界面；2 、 组分材料性能差异很大；3 、组成复合材料后性能有很大的改进：4 、组分材料的 体积分数应大于1 0 。f 1 1 因此从复合材料的组成与结构分析，复合材料是由基体材料和增强材料构成 的多相体系。基体材料为连续相，根据所选用的基体材料不同，可分为金属基复 合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料。增强体为分散相，最广泛 使用、效果最好的增强体是纤维材料，因此人们通常讲的复合材料是指狭义的复 合材料纤维增强复合材料。纤维材料的强度和模量一般比基体材料高得多， 使它成为主要的承载体。但是必须有一种粘结性能好的基体材料把纤维牢固地粘 第一章前言 结起来。同时基体材料又能起到使外加载荷均匀分布，并传递给纤维的作用。 1 1 2 纤维复合材料的特性 从纤维增强复合材料的定义中，我们可以知道纤维增强复合材料具有一些 共同的特性。正是由于其固有的特点，纤维增强复合材料成为发展最迅速、应用 最广泛的一类新型材料。与传统材料相比，纤维增强复合材料具有下述特性。 1 、比强度、比模量大 纤维增强复合材料的突出优点是比强度及比模量高。比强度是材料的强度 与密度的比值，比模量是材料的模量与密度的比值。在质量相等的前提下，它是 衡量材料承受能力和刚度特性的指标。纤维增强复合材料的高比强度和高比模量 来源于纤维的高性能和低密度。它的比强度和比模量均高于金属材料。 2 、耐疲劳性能，破损安全性能高 金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏，而纤维增强复合 材料中纤维与基体的界面能阻止材料受力所致裂纹的扩展因此，其疲劳破坏总 是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆大多数 金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的3 0 - 5 0 ，而碳纤维聚酯复合材料的 疲劳强度极限可为其拉伸强度的7 0 - 8 0 。因此用纤维增强复合材料制成在长 期交变载荷条件下工作的构件，具有较长的使用寿命和较大的破损安全性。i l l 3 、阻尼减震性好 受力结构的自振频率除与结构本身形状有关以外还与结构材料比模量的平 方根成正比。由于纤维增强复合材料的比模量高，因此用这类材料制成的结构件 具有高的自振频率。同时，纤维增强复合材料中的界面具有吸震能力，使材料的 振动阻尼很高；对相同形状和尺寸的梁进行振动试验得知，轻质合金梁需9 秒才 能停止振动，而碳纤维复合材料梁只需2 5 秒就停止了同样大小的振动。1 1 1 4 、过载时安全性高 复合材料内有大量独立的纤维，当材料过载而有少数纤维断裂时，载荷会 迅速更新分配到末破坏的纤维上，使整个构件短期不会于失去承载能力。 5 、具有多种功能性 ( 1 ) 耐烧蚀性好。纤维增强复合材料可以制成具有较高比热、熔融热和气化热， 可吸收高温强烧蚀时的大量热能。 ( 2 ) 有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性( 高摩擦系数材料) 及减摩特性( 低 摩擦系数材料) 。 ( 3 ) 高度的电绝缘性能。 ( 4 ) 耐腐蚀性。 2 第一章前言 ( 5 ) 具有特殊的光学、电学、磁学特性。 6 、良好的加工工艺性。 ( 1 ) 可以根据制品的使用条件、性能要求选择纤维、基体等原材料，即材料 具有可设计性。 ( 2 ) 可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。 ( 3 ) 可整体成型，减少零件的数量，节省工时，节省材料，减轻重量。 1 2 u h m w p e 纤维及其复合材料概论 1 2 1 u h m w p e 纤维的研制 超高相对分子质量聚乙烯( u l t r a - h i g h m o l e c u l a rw e i g h t p o l y e t h y l e n e ， u h m w p e ) 纤维的原材料是超高相对分子质量线性聚乙烯。制造u h m w p e 纤 维拉伸法的基础研究始于7 0 年代l e e d s 大学的c a p a c c i o 和w a r d l 2 1 。他们研制了 相对分子质量约为1 0 5 的高模聚乙烯。其后，w a r d 采用熔体挤出多段拉伸法，以 及m a s s a c h u s e t t s 大学的p o r t e 9 2 】采用固态挤出制成高模p e ( h m p e ) 纤维。这种熔 体挤拉法( e x t r u s i o n d r a w i n g ) $ 1 j 成的h m p e 纤维，拉伸模量为4 0 7 0 g p a ，拉伸 强度为l 1 5 g p a 。这类h m p e 纤维的商业化产品有英国的b r i d o n 纤维和意大利 的s n i a 纤维，s n i a 纤维的拉伸模量为6 0 g p s ，断裂强度为1 3 g p a 。 继w a r d 后，p e n n i n g s i 。1 发明了溶液纺丝法( s o l u t i o n s p i n n i n g ) ，s m i t h t 3 1 和 l e m s t r a 3 l 又作了补充，他们用超高相对分子质量( 1 1 0 6 5 1 0 6 ) 的聚乙烯，溶 化在适当的液剂中形成溶液，使聚乙烯分子减少缠结，然后通过多孔的喷丝头挤 出，冷却后形成凝胶纤维，除去部分或全部溶剂。再在高温下( 1 2 0 一- - , 1 3 0 c ) 拉伸， 形成拉伸率大于1 0 0 倍的高度取向的纤维。已商品化的s p e c t r a l 2 j 纤维和d y n e e m a 2 1 纤维，都是采用凝胶纺丝法制成的。s p e c t r a l 0 0 0 p e 纤维的拉伸强度达3 g p a ，拉 伸模量达17 2 g p b ，比熔体挤拉法所制成的h m p e 纤维性能高得多。s p e c r a l 0 0 p e 纤维由美国的a l l i e ds i g n a l 公司生产，d y n e e m a 纤维由荷兰d s m 研究所和日本 东样纺织公司联合生产。日本m i t s u i t 3 l 三井石化公司也于1 9 9 9 年采用自己开发的 以石蜡为溶剂的“半熔纺”技术，并建成3 0 0 t a 的生产线，商品名为“t e k m i l o n ”， 纤维强度和模量分别为1 5 3 5 g p a 和6 0 1 0 0 g p a 。中国宁波大成化纤公司2 0 0 0 年建成了4 0 0 t a 的生产线，纤维纤度为8 3 d t e x ，强度为3 1 - - 一3 2 c n d t e x 。f 2 l 1 2 2 u h m w p e 纤维及其增强复合材料的优越性 u h m w p e 的大分子是由高度对称亚甲基形成的线性长链，其纤维及复合材 料除具有其他纤维所具有的特点外，还具有一些独特的优点。 3 第一章前言 1 、轴向拉伸比强度和比模量高 u h m w p e 纤维的密度为o 9 7 9 e m 3 f 4 1 ，只有芳纶纤维的2 3 和高模碳纤维的 1 2 。而轴向拉伸性能很高。其比拉伸强度是现有高性能纤维中最高的，比拉伸 模量除高模碳纤维外也是很高的，较芳纶纤维高得多。由于复合材料的拉伸强度 是由纤维控制的，因此u h m w p e 纤维单向增强复合材料的纵向拉伸性能也很 好。表1 1 列出了几种纤维的力学性能比较。1 2 表1 1 几种纤维的力学性能 u h m 芳纶芳纶碳纤维碳纤维玻璃纤 项目聚酯聚酰胺 w p el mh m h sh m 维 密度 0 9 7 1 4 41 4 51 7 81 8 5 2 5 5 1 3 81 1 4 ( g e r a 3 ) 抗张强度 3 o2 72 73 42 - 32 o1 1o 9 ( g p a ) 比强度 3 0 91 91 91 91 2 o 8 o 80 8 ( n d t e x ) 模量 17 25 81 2 02 4 03 9 07 31 46 ( g p a ) 比模量 1 7 74 08 51 3 42 1 02 81 05 ( n d t e x ) 断裂伸长率 3 53 7 1 91 4o 52 o1 32 0 ( ) 2 、优越的能量吸收性能 u h m w p e 纤维是玻璃化转变温度低的热塑性纤维，韧性很好，在塑性变形 过程中吸收能量。因此，它的复合材料在高应变率和低温下仍具有良好的力学性 能，抗冲击能力比碳纤维、芳纶纤维及一般玻璃纤维复合材料高。u h m w p e 纤 r ， 维复合材料的比冲击总吸收能量乜以分别是碳、芳纶和e 玻璃纤维的1 8 、2 6 卜 和3 倍，其防弹能力比芳纶纤维的装甲结构高2 5 倍。【3 1 3 、良好的抗湿性和抗化学腐蚀性能 u h m w p e 纤维具有高度的分子取向和结晶，使其具有良好的耐溶剂溶解的 4 第一章前言 性能。它在多种介质中，如水、油、酸和碱等溶液中浸泡半年，强度完全保留； 在水浸泡两年，仍保留原有强度，还可防生物腐蚀。表l 一2 列出u h m w p e 纤维 和k e v l a r 纤维在各种化学介质中强度保留率的比较1 2 1 。表1 3 列出u h m w p e 纤 维复合材料浸水丙 后力学性能的变化f 5 i ，可见浸泡2 8 天后，各项性能基本保留。 表l 一2u h m w p e 纤维和k e v l a r 纤维在各种化学介质中的强度保留率 浸泡6 个月后的强度保留率( ) 介质u h m w p es p e c r a 纤维 k e v l a r 纤维 1 0 洗涤剂 10 0 1 0 0 水压流体1 0 01o o 海水 l0 0 1 0 0 蕉馏水 1 0 0 l0 0 煤油l o olo o 汽油1 0 09 3 1m o l ! 酸 1 0 04 0 冰醋酸10 08 2 5 n o l i 氢氧化钠1 0 04 2 氢氧化铵 1 0 0 7 0 全氯乙烯1 0 0 7 5 次磷酸溶液 1 0 0 7 9 c i o r o x9 1 o 甲苯 10 0 7 2 表l 一3s p e c r ap e 纤维增强复合材料浸水前后的力学性能 拉伸性能 压缩性能 试 ：，l ：环境 弯曲模量( g p a ) 强度( m p a )模鹫( g p a )强度( m p a ) 模簧( g p a ) 浸水前 4 4 03 5 l1 313 02 3 2 浸水7 大 4 3 6 2 61 4 3l2 22 3 8 浸水2 8 大 4 2 63 013 8 12 22 2 8 4 、优越的耐磨性能 一 材料的耐磨性一般随模量的增大而减小，但对u h m w p e 纤维，趋势却相反， 5 第一章前言 这是因为它的摩擦系数低。u h m w p e 纤维绳子的破断循环数n 比芳纶纤维高8 倍1 4 1 ，耐磨性和弯曲疲劳也比芳纶纤维高，因此适用于绳索。 5 、良好的电绝缘和耐紫外光性能 u h m w p e 纤维增强复合材料的介电常数和介电损耗值低，反射雷达波很少， 因此对雷达波的透射率高于玻璃纤维复合材料。表1 4 列出不同纤维的介电常数 和介电损耗值，表明u h m w p e 纤维的值最小，适用于制造各种雷达罩。介电强 度约为7 0 0 k v n l l n ，能抑制电弧和火花的转移【2 1 。 表l 一4 几种纤维电性能比较 材料1 0 g h z 介电常数介电损耗( x1 0 4 ) u h m w p e 纤维 2 34 聚酯纤维3 09 0 硅树脂纤维3 03 0 尼龙纤维3 o1 2 8 酚醛纤维 4 04 0 0 玻璃纤维6 o6 0 1 2 3 u h m w p e 纤维及其增强复合材料的不足之处 u h m w p e 纤维的力学性能优异，但是u h m w p e 纤维化学上不活泼，表面能 低，表面缺乏极性基团，以及纤维具有很高的结晶度和取向度。这些使得纤维表 面的化学惰性特别突出，集中表现在与树脂基体制成复合材料后，界面结合力很 低。同时聚乙烯材料熔点较低也带来其耐热性能差的弱点等l 孓钔。 。1 、界面粘结强度 由于u h m w p e 聚乙烯纤维表面的惰性和非极性，浸润性差，因此纤维与基 体之间的界面粘结强度低，影响了u h m w p e 纤维增强复合材料的力学性能，尤 其是层问剪切、横向拉伸和断裂韧性等性能，限制了它作为结构材料方面的应用。 2 、耐热性 u h m w p e 纤维的玻璃化转变温度低，熔点也低( 1 4 5 ) 1 9 1 ，影响其在高温环 境下使用。在接近1 0 0 ( 2 时，耐恒定静拉载荷能力迅速下降，不适用于在此温度 范围较长时间承受较大载荷的场厶【0 1 。如对纤维作长时间热处理，在承载较小时 能保持它在室温时的性能。处理温度一般在1 3 0 c 时，处理后纤维的尺寸较稳定， 因此u h m w p e 纤维增强复合材料的固化温度及其织物的成型温度均选择在此 6 第一章前言 温度。 3 蠕变 u h m w p e 纤维的高度对称的亚甲基结构以及高度伸展的分子链，造成纤维 的粘流形变较大，使得纤维在应力作用下容易产生蠕变，在一定程度上影响了应 用范围，对纤维进行交联改性可以改善这一缺陷。f l l - 1 2 l 由于u h m w p e 纤维及其复合材料具有独持的优良性能，而且原材料资源丰 富，成本比其它高性能纤维低，所存在的弱点通过研究可逐步解决。因此， u h m w p e 纤维复合材料是近l o 多年来应用逐渐广泛的新型先进材料。 1 2 4 u i - i m w p e 纤维及其增强复合材料的应用现状 有机热塑性纤维及其复合材料的发展，使高性能的结构复合材料，从航空航 天的应用扩展到一般工业上的应用。u h m w p e 纤维及其复合材料主要应用在下 列几个方面： l 、绳索 用作舰绳、电缆和鱼网等。这些产品轻质高强、耐磨、防湿和断裂伸长大， u h m w p e 纤维的绳索，在自重下的断裂长度，比钢绳大很多，也比芳纶纤维大。 如以u h m w p e 纤维代替k e v l a r 纤维制成的绳索，应用于军舰舰绳，其直径减 小12 ，重量减轻5 2 ，而强度却提高了l0 t 玎l 。用作停泊索和海底电缆，解 决了传统材料的水解和腐蚀问题。 2 、防弹击和抗冲击材料 u h m w p e 纤维复合材料的冲击韧性很好，比冲击总吸收能量是先进复合材 料中最高的。它的织物用作防弹衣，正交铺层的复合材料制作防弹头盔1 1 4 l ， u h m w p e 纤维增强复合材料的比弹击载荷值u p 是钢的l o 倍f 1 5 1 ，是玻璃纤维 和芳纶纤维的两倍多。它也是最强最轻的装甲结构，包括用作坦克、车辆和飞机 等的装甲。矿工、车手和登山运动员等的头盔，以及各类防冲击板，现在也有用 u h m w p e 纤维代替过去用的玻璃纤维。u h m w p e 纤维复合材料对保护生命具 有很大的潜力。 3 、高性能薄壁高压容器 用缠绕或手糊方法制成，由于u h m w p e 纤维的抗拉强度高，抗化学腐蚀 和抗溶解性能好，其增强复合材料制成的压力容器适用于存贮各种气体或液体介 质。它的形状转换的有效性约为9 8 f 2 1 ，u h m w p e 纤维压力容器的性能系数比 芳纶纤维的大4 5 1 1 6 1 。 4 、雷达的透射吸收材料 u h m w p e 纤维的介电常数低，介电损耗值低，电信号失真小，比传统用作 7 第一章前言 雷达的玻璃纤维低，而它的透射系数比玻璃纤维的高。其复合材料制成各种类型 的雷达罩可应用于不同场合【佶l 。 5 、水上结构结构材料 如潜艇、船体，使船身经久耐用。还用作潜望镜和海上平台等的结构材料。 此外，广泛用作救生船、风帆、帆布蓬和防水衣服等。因为u h m w p e 纤维增强 复合材料的防湿性、防海水腐蚀、耐磨性和防刮伤性能都很好【1 4 1 。 6 、航空航天结构材料 由于u h m w p e 纤维增强复合材料轻质高强和防撞击性能好，适用于各种 飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等f 1 7 1 。 7 、建筑材科 如墙体、隔板结构等。用u h m w p e 短纤维增强水泥复合材料可以改善水泥 的韧度，提高其抗冲击性能f 1 8 1 。 8 、运动设备 用作各类球拍、滑雪板、冲浪板和自行车等。由于u h m w p e 纤维增强复 合材料比强度比刚度高，而且韧性和损伤容限好，制成的运动器械既耐用又能出 好的记录【1 9 2 0 l 。 9 、生物材料 u h m w p e 纤维增强复合材