（材料学专业论文）低温等离子体表面处理对uhmpe纤维复合材料性能的影响及测试.pdf

重庆大学硕士学使论文 中文摘要 摘要 超高模量聚乙烯( u h m p e ) 纤维化学上不活泼，表面能低，表面缺乏极性溅团， 且超糍模量聚乙烯纤维是高度对称的珏甲基结构，使德纤维具窍很高昀绩晶度和取 向度。这一方面保证英具有较高的力学强度，另方面也使得纤维表筒的化学惰性 特别突出，集中表现在与树脂慕体制成复合材料后，界藤结合力很低。因此需对超赢 模量聚乙烯纤维改往。 本文主要研究了趣高模爨聚乙烯纤维经低温等离子表面处理后与环氧树脂的 糖绪瞧筢及冀该纤维簸合毒手瓣的各项力学往髓，并把u h m p e 纤维和e 玻璃纤维 混合制成复合材料进行i 贝4 试。研究表明：( 1 ) 经低温等离子体表面处理u h m p e 纤维程袭瑟弓l 入了含飘摄往鏊函，绎维表面被等离子体麴锤，与环戴树膳穗合、 机械锁联。拔出强度提高5 倍左右；纤维强度损失1 0 左右。( 2 ) u h m p e 纤维经 等离子俸处瑾，对萁复合奉| 辩静控 串、弯趋戆筢影响不大；毽对层蔺鸷切影确力， i l s s 提高5 7 ；抗冲击性、极限应交有所下降。( 3 ) 经s e m 观察分析，低温等 离子侮裹瑟簸理u h m p e 纾壤熬破坏蓠先发黧在纤缍褒蒺，量磐留破坏；两未处理 的纤维发生在纤维与赫体的接触面。( 4 ) u h m p e 纤维复合材料刚度低、韧性、弯 蘧毪好，蒺轻；愆横豢、篷强度与玻璃缍维属羁一数量级。( 5 ) u h m p e 纾维 与其它纤维混杂，彼此的物理力学性能在其复合材料中得到相互补充，混杂效应 提毫1 5 。( 6 ) u h m p e 纾缕复会耪睾尊缺蠡霹滋逶逡混合蒸它纾维瑟趣激克服。 关键溺：超褰攘量聚忍爨燃叠e ) ，表瑟箍璞，楚接强度，凌嚣刻镪，混杂终维 复合材料，低温等离予体 重壅查兰堡主堂焦堡奎 茎塞塑墨 a b s t r a c t t h eu l t r ah i 曲m o d u l ep o l y e t h y l e n e ( u h m p e ) f i b r o s i si sc h e m i c a l l yi n a c t i v ew i t h l o wf u n c t i o no ni t ss u r f a c e i tl a c k sa c t i v er a d i c a lo ni t ss u r f a c e a n du l t r ah i g hm o d u l e p o l y e t h y l e n ef i b e ri sh i g h i ys y m m e t r i c a ls t r u c t u r eo fm e t h y l e n e ，w h i c hm a k e s t h ef i b e r p o s s e s s e sh i g hc r y s t a l l i n i t ya n dd e g r e eo f o r i e n t a t i o n o no n eh a n d ，t h i se n s u r et h a ti t h a sr e l a t i v e l yh i g hs t r e n g t hi nt e r m so fm e c h a n i c s ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tm a k e st h e e x t e r n a lc h e m i c a li n e r t n e s so ft h ef i b e rv e r yo b v i o u s ，w h i c hi sm a i n l yr e p m s e n t e db y t h el o wi n t e r f a c eb i n d i n gf o r c ea f t e rt h ec o l o p h o n yp l a s m ai sm a d ei n t o c o m p o s i t e m a t e r i a l s oi ti sn e c e s s a r yt om o d i f yt h eu l t r ah i g hm o d u l e p o l y e t h y l e n ef i b e r t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e si n t ot h eu l t r ah i 曲m o d u l e p o l y e t h y l e n ef i b r o s i sb y l o wt e m p e r a t u r ep l a s m as u r f a c et r e a t m e n ta n dv a r i o u s s t r e n g t hf u n c t i o no fe p o x y c o l o p h o n yc o m p o s i t em a t e r i a l ，a n dm a k e st e s t so nt h ec o m p o s i t em a t e r i a lm 酣ef r o m m i x i n gu h m p ef i b e ra n de - g l a s sf i b e r t h er e s e a r c hs h o w s ：( 1 ) a t e ri n t r o d u c e d o x y g e np o l a r i t yr a d i c a li n t ot h eu h m p e f i b r o s i sb yl o wt e m p e r a t u r ep l a s m as u r f a c e t r e a t m e n lf i b e r s u r f a c ei se t c h e db yp l a s m a , a n di s m e c h a n i c a l l yl i n k e dt oo p o x y c o l o p h o n y e v u l s i o ns t r e n g t hi m p r o v e sb y5t i m e sa n dt h ef i b e rs t r e n g t hl o s eb y1 0 o r s o ( 2 ) 0 2 - p l a s m at r e a t m e n td i dn o ta f f e c tt h et e n s i l ea n df l e x u r a lp m p e r t i e so fu h m p e f i b e r c o m p o s i t e sg r e a t l y ( w i t h i n1 0 ) ，h o w e v e ri n c r e a s e dt h ei n t e rl a m i n a rs h e a r s t r e n g t h ( i l s s ) b y5 7 a n d t h e a b i l i t y o f e n e r g y a b s o r p t i o n i n i m p a c t t e s t w a s d e c r e a s e d al i t t l ea f t e r0 2 - p l a s m a t r e a t m e n t ( 3 ) s e mo b s e r v a t i o ns h o w e dt h a tt h es u r f a c el a y e ro f t r e a t e du i - i m p ef i b e rw a st h em o s tw e a ki nt h ec o m p o s i t e s ，a n dt h a ti tw a s d a m a g e d i n s h e a r s t r e s s ( 4 ) t h es t i f f n e s sa n dd m s i t yo fu h m p e f i b e rc o m p o s i t ew e r el o w e r ，b u tt h e t o u g h n e s s a n df l e x u r a l p r o p e r t i e s w e r e h i g h e r t h a nt h o s eo f e g l a s s f i b e r c o m p o s i t e - n es p e c i f i cm o d u l u sa n ds p e c i f i cs t r e n g t hw e r ea sh i g ha se - g l a s sf i b e r c o m p o s i t e ( 5 ) u h m p ef i b e r e g l a s s f i b e r h y b r i dc o m p o s i t e sm a d eu pd e f e c to f u h m p e f i b e rc o m p o s i t ea n d e g l a s sf i b e rc o m p o s i t e t h eh y b r i de f f e c tc o e f f i c i e n tw a s a sh i g ha s1 5 ( 6 ) t h e s h o r t c o m i n g so f u h m p e f i b e r sc a nb eo v e r c o m eb v m i x i n gi n t o o t h e r6 b e r k e y w o r d s ：u l t r ah i g hm o d u l e p o l y e t h y l e n ef o h n e ) ，s u r f a c et r e a t m e n l a d h e s i o n s t r e n g t h ，e t c h e dp i t s ，f i b r o u s c o m p o s i t e ，l o w - p l a s m a 蕉鏖查堂堡主堂垡堡苎j l 要一 1绪论 。 复合寿才耩概论 材料是人类赖以生存和发展的物质艇础，是人类进步的里程碑，是多数发明 制造韵先导。辛李瓣懿更耩与逡多健逶了入类挂会酌发愁。人类懿文唆受也是一部 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，墩界各工、业 发达国家葵不凳新耱耱静研究每开发放猩卡分羹娄静穗位e 当今是多种材料并襻的时代，也是灏材料j 毂速发展时期，而复合材料是新材 料发震懿菱纛。送主要楚添舞笺窘耪耨溪浚取番类耱糕乏长，毒 各类毒孝瓣之短， 从而通过不同材料的复龠可以达到提高材料综合性能、节约资源的目的。事实上， 天然薅糕，包撬鍪耱玺钵梅残，莫不驳复合懿形式存在，因嚣苓露耪誊晕戆复合楚 顺乎自然、结构合理的一种形式。 复合辑秘黪设诗鑫囊度太，疆戳残麓嚣搜蕤瓣绩秘糖辩，可毅残受楼戆臻越瓣 功能材料，也可以成为结构功能体化的构件。复合材料是材料科学与材料工程 襁缝合熬产魏，把毒| 辩缀藏、终构、裁逑王艺、缝姥及在楚焉j 霪程孛戆表现诸霪 豢进行优化，按需要进行设计，采用新工艺或新技术，制造出性能优舜的复合材 料。 当前不同复合材料处于不同发展阶段，有的已经非常成熟，得到广泛应用， 擞玻璃镧昶树黪基复合材辩；鸯豹正楚予开发除段，出予其王慧性能与徐臻等爨 豢，只商在某些结构件的关键部位，得剃一定稷度的应用，如众属基簸合材料； 褥更多的复合材料品种溅处于磷究除段，有不少科学技术阕题蠢德鳃决。困3 比， 复合材料的研究与开发融前仍燕个开阔的领域。 现代复合材料因性熊优良、互艺简单、物理力学性能撸标躬司设计姓丽蓬勃 发展。佟为结构材率章，它具有独特的优点。顾名憨义，所谓“复合”朝含有多元 多相的缀合之义。简单地说，复合材料就是用两种或两种以上不同性能、不同形 态的疆分材料通道复合乎段组合而成静一种多桶材誊季l l j 。献复合材料的缀成与结橱 分析，敦中有相是连续的称为基体相，另一棚是分散的、被慧体包容豹称为增 强辐。鬻强相与基律稻之阀有一个交界谣称为复合材料猝面，囊合材辩盼各个稻 在界面上可以物理地分开。通过在微观结构层次上的深入研究，发现复合材料界 鞭辩近懿避强稳鞠基俸桶出于夜复合辩授生复杂酌裙理帮化学鹩原西，变得其谢 既不同于基体相又不同予增强栩组分本体的复杂结构，同时发现这结构和形淼 蠢黠复会耪耪辩宏甏性籀产生影晌，所彗王赛嚣辩近这一个结构与性能发生变化瓣 微区也可作为复合材料的相，称为界筒相因此确切地说，复合材料是由基体 羹庆大学硕士学位论文 1 箔比 棚、增强相和界掰相组成的。 1 2 复食材料的特点 复台耪料的特点与储统材誊章耩晓，复含材科裔下述特点。 1 2 1 可设计性 复合材瓣与传统耪瓣穗疆静攫著特意是它爨露虿设计往。榜耩设计怒最近2 0 年才提出的新概念，复仓材料的性能可设计性怒材料科学进展的一大成果，复合 耪辩懿力学、瓿猿及熬、声、巍、毫、游腐、撬老亿等物瑾、亿学往藐都可菝澍 作的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择和旺配以及界面控制等材料 浚诗手数，最大融度辘达鬣羲辩瑟藜，瓣满足王程设备鹣使用镶缝。 1 2 2 材料与结构的同一性 复合毒| 辩戈矮是绥缀壤强复会檬睾睾，与其说楚穗糕铡不如说蹩结章岛爱燕恰当。 传统材料的构件成型是经过对材料的再j j 口- r ，磁加工过程中材料不发生组分和化 学熬交纯，瑟复会榜辩褥馋与耪辩是疑瓣澎藏瓣，它交缀成复念耪辩熬缀分誊| 凝 在复合成材料的同时也就形成了构件，一般不弼由“复含材料”加工成复合材料 搦转。巍予菱会糖辩这一特意，使之终粕戆整体眭磐，爵太疆发建减少零部馋霸 涟接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构件的可靠蚀。 l ，2 3 发撵复食效应的饶越性 复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的，但它并不燎几种材料简单的 激合，聪是按复合效应形成薪的性能，这静复合效应是复合越拱饺毒豹。 1 2 4 材料性能对复食工艺的依赖憔 复合材料结构在形成豹过爨书有组分材辩的物翌秘化学的交毡，过程菲常复 杂，因此构件的健能对工艺方法、工艺参数、工芑过程簿依赖饿较大，同时也由 于在成型过程中报难准确地控制芝艺参数，所以一般来说复合材料构转灼蛙残分 散性也怒院较大的。 3 复合材料的优点 与传统材料相比，簸合材料在性能上宥下述几个优点， 1 3 ，l 诧强度、跑模鲎夹 传统材料和复合材料性能的比较，用比强度和比模壤这一概念能很好地说明 麓台耪瓣在“轻旗离强”方面酶优越往。碳纾缭增强环氟树脂楚台材料的比强度 比钢高5 倍，比铝合金离4 倍，比钛合金高3 5 倍，比模嚣是钢、铝、钛的4 倍。 1 3 2 耐疲劳性能 2 重壅查堂堡主兰垡笙塞一土量! l 碳绥维复会材料秘玻璃纤维复合材料与常魍的铝台金相比复合材料比金属材 料有较高的耐疲劳特性。通常众属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度3 0 5 0 ， 褥碳纤维增强聚合物基嶷合材料的疲劳强度极限为其拉伸强度的7 0 8 0 。因此 蹋复合材料制成在长裁交交载稿条件下工作的构件，爨有较长的使用辫命和较大 的破损安全性。 1 3 3 阻尼减震性好 受力结构的自振频举除与形状有关外，还网结构材料的比模量平方根成正比， 所以复会材辩裔较商的罄振频率。丽时复台税糕的基体纤维界蕊有较大的吸收振 动能量的能力，致使材料的振动阻尼较高。 1 3 4 疆损安全性高 复合材料的破坏不像传统材料那样突然发嫩，而题经历基体损伤、开裂、界 嚣篪糕、纤维凝鬟等一蕉舞过耧。当多数增强簿维发垒灏裂薅，载萄又会逶：避基 体的传递迅速分散到其它完好的纤维上去，从简迟滞了灾难性破坏突然发生的情 滋。 当然，复含材料作为一种新材料，尚未达到十全十美的稷度，所袭现出的特 链并不全楚谯悫，还霉妥不聚妻| 鏊截遥与提蹇。髓宅毕竟是一矮超越传统耪瓣豹凝 型材料。正由于它具备了一系列传统材料所不具备的优点，因而在国民经济和国 耱建设餐领域，善宠在靛窆与熬天矮域 ! 攀到了广泛戆斑羯。跨入2 0 毽鳃9 0 零健 以来，簸合材料技术受到各方丽的重视，其发展日臻成熟。相信在2 l 世纪的技术 发震中，复台秘攀 憋具凑更广泛豹署掇甍誊暴”“， | 。4u h m p e 憋性畿 1 4 1 一般性能 超满分予鬟聚乙烯( p e ) 野维也称超毫模麓聚z ；烯纾维( u 糖e ) ”。它 楚继碳纤维、k e v l a r 纤维之后的第三代离佳能纤维。表1 1 是u h m p e 纤绒c e r t r a n 、 s p e 曲m 与其它终维性能的比较情况。该终维的密度是不锈钢的1 8 、碳绥维嘲泌 1 z 、玻璃纤维的1 2 5 ，纤维强度是不锈钢钢丝强度的s 倍多，怒h s 碳纤维和玻璃 纤维的t 6 倍。由于超赢模量聚乙烯纤维的比强度是不锈钢钢缎比强度的4 0 铸， 蒋加之该纤维的模薰也商出不锈钢丝的1 倍多，翻此它怒替代金属材料的、性能价 格比较为合适的高性能纤维品种之。又由于它的主要性能接避k e v l a r 2 9 ( 虽然模 蓬高于k e v l a r 2 9 ，僵密度低得多，停长褶当) ，可以部分替代k e v l a r 2 9 。利用该纤维 替代玻璃纤维，w 使力学性能得到极大改善，制褥的增强复合材料割品的体积和璧 整都育鞠显缝减少，青l 造绦作南l 工条件也有徭大的改善。 3 重鏖盔堂堡主堂垡堕奎上j 鱼堡一 表1 1c e r t r a n 纤维与其它纤维性能的比较 t a b l 1c e r t r a nf i b e ra n do t h e r sf i b e rs t r i n g i n e s sv i r t u ec o m p a r e 堡堂奎塑宣鏖! ! 坐竺 堡鏖! 鲤!堡里! 巡!笪篓兰塑 c e r t r a n 0 9 61 6 6 4 04 s p e c t r a 9 0 0 0 9 6 3 01 3 0 04 s p e c t r a l 0 0 0 0 9 63 5 2 0 0 03 尼龙h t 1 1 483 52 3 聚酯h t 1 3 891 0 01 4 v e c t r a1 4 1 2 35 2 03 k e v l a r 2 91 4 52 24 5 01 9 k e v l a r 4 91 4 5 2 49 5 01 5 碳纤维h s 1 ，7 71 01 3 5 01 5 碳纤维蹦 1 8 72 02 5 0 00 5 玻璃纤维 2 5 01 03 1 03 钢7 6 033 0 01 4 1 4 2 耐晒性 u h m p e 纤维的耐气候性也较好，远远优于聚丙烯纤维，表1 2 是u h m p e 纤维经耐 晒实验后的检测数据。所得数据表明：u i 埘p e 纤维经晒3 7 d ( 按日晒8 h 计) 后无强度 损失，经晒半年后强度仅损失2 0 ：另外，模量损失小，经晒1 2 5 d 后模量不发生变化， 晒半年后模量仅损失1 0 ( 上述数据系连续试验结果，在实际连续使用中，其耐晒性 能更佳) 。 表1 2u l t e 纤维的日晒度 ! ：皇! ! ：兰! 垒皇! 皇! 主翌皇! ! ! ! ! ! 堡垒12 i ! 垫旦旦! ! 垦! ! ! 旦三 日晒时间( b )残余强度( ) 残余模量( ) 1 5 0 1 0 0 1 0 0 3 0 0 i 0 0 1 0 0 5 0 0 9 5 1 0 0 1 0 0 0 9 0 1 0 0 1 5 0 0 8 0 9 0 一_ _ _ - h - 一 1 4 3 耐化学性能 u h m p e 聚乙烯纤维具有较强的耐化学腐蚀性能，能耐强酸、强碱，表1 3 是在室 温条件下的实测数据。结果表明：u h m p e 纤维在强酸作用一周后，强度不变，模量损 4 里鏖奎鲎堡主堂垡兰奎 一 l 望l 望l 失1 0 ；一个月后，强度损失5 ，模量损失1 0 。相比之下，虽然开始阶段模量变化较 大，但随着时间的增长，没有进一步变化的趋势。5 3 表i 3u h m p e 纤维在室温条件下的耐化学性能 t a b l 3h s p ef i b e ru n d e rc o n d i t i o n so fr o o mt e m p e r a t u r ec h e m i c a lr e s i s t a n c e 残余强度( )残余模量( 化学品 暴露7 d暴露3 0 d暴露7 d暴露3 0 d 盐酸( 1 0 ) 1 0 09 59 09 0 硝酸( 1 0 ) i 0 09 59 09 0 硫酸( 1 0 ) 1 0 09 59 09 0 氨水( 1 0 ) 1 0 09 09 09 0 碳酸钠( 1 0 )9 5 9 09 59 5 硫酸钠( 1 0 )9 59 08 08 0 硫酸铵( 1 0 i 0 09 09 09 0 氯化钠i 0 09 59 59 5 综上可知，u h m p e 纤维具有密度低( 0 9 6 9 c m3 ) 、重量轻、高强度、高模量、高 耐晒性和耐气候变化性，对于大多数化学试剂和溶剂呈现惰性，具有良好的耐磨 性、高能量吸收性和耐切割性，并且不透水等许多优异特性，因此它与其它高性能 纤维一样，具有开发和应用的价值，应用前景看好。 1 5l h m p e 纤维复合材料的发展动向及应用 目前有迹象表明u h m p e 纤维的开发方向正向着超高强度和廉价高强度两个方 向发展。以荷兰d s m 为首的企业，以其优良的四氢荼溶剂和凝胶纺丝技术，重点 开发具有4 0 c n d t e x 强度的世界最高比强度和比模量的纤维，目前d s m 该档次的 产能已占1 5 0 0 0 t a 总产能的一半以上，实践证明它在海洋开发，防护材料和绳网 类等应用领域有强大生命力；东洋纺也朝同样的方向发展，9 8 年其总产能达到 4 5 0 t a ；售价将降至3 0 0 0 日元每公斤以下，计划到2 0 0 5 年迸一步扩至1 0 0 0 t a ： 美国联合信号公司的“s p e c t r as h i e l d ”u i 跏p e 纤维无纺布，由于作为柔性复合 材料盔甲销售形式走红，计划与9 8 年完成产能的翻番任务，届时其售价将降至 4 4 6 0 美元每公斤。另外，值得注意的是，台湾工业技术学院化工工业研究所所发 明的特殊发、溶剂系统，它有两种不同作用的溶剂组成，第一溶剂对u h m p e 具有 高溶解性，可调制高浓度的p e 溶液，而第二溶剂能快速萃取第一溶剂，使得第二 溶剂的用量减少，萃取时间短，且残留在纤维中的溶剂量相当低，有助于提高产 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 晶的耐蠕变性，西且更蓬要的楚在纺丝后加工过程中，摹取殿的纤维可免除先进 行卷取借高倍藏伸的两步工艺，而可实现萃取后宣接商倍拉伸的连接工艺，从u 而 简化了流程，露利于降低生产成本，制得豹纤维强度大予1 3 2 c n d t e x 、模量大于 3 0 8 c n d r e x ，伸长率小于1 0 ，结晶鹰犬于6 0 ，这个档次的纤维同样其有广阔 的应用领域。 蟊前，u h m p e 己在纺织、造纸、包装、运输、机械、亿工、采矿、石油、农业、 建筑、电气、食品、医疗、体肖等领域得到了广泛应用，特别是近l o 年来，随豢其 翱工技术的不断突破，箕制品奁许多新领域获褥了成功静应用。 ( 1 ) 、纺织机械是u h m p e 最早的应用领域，从5 0 年代末第个u h m p e 部件生 产密来之嚣，祸缝有2 0 0 多稀u i s t p e 酌纺织梳械帮释溺键。霹舔，嚣舞农每台纺织 机上应用的u h m p e 零件平均有3 0 件友右，如投梭器、打梭棒、齿轮、联结器、扫 藐释、缓滓块、德心袭、秆赣糍、摆动螽粱等辩冲击鬻损零辞。傻焉麓高聚乙浠 皮结代替水牛皮结，其耐冲击次数由原来的1 0 0 万次增加到5 0 0 万6 0 0 万次，使用 簿会提粪6 倍。 ( 2 ) 、造纸工业造纸机械悬u h m p e 的第二太用户。u h i 旧e 摩擦系数低而且耐磨。 因魏，瘸它徽造纸极土承麓魏盏叛及刮承叛、援整嫠 孛、接头等，哥滋建长造纸橇 上聚酯网的寿命，节省更换新网的费用，减少停机造成的损失。此外，u m l p e 也可用 来到造逡纸枫槭麴密势辍努、镳导耱、爨刃、避滤器等郄终。瓣蔻，造缎工建瑗篱 u h m p e 爨占其总消费量的1 0 ，给造纸业创造了极大的缀济效益。 ( 3 ) 、包装凝城u i t k l p e 具鸯捷囊鹤诬学稳怒经彝不吸拳挂，越曩徽务耱溶渡莓 贮设备的铺面材料和大挺包装释器。这也是u h m p e 目前应用最广泛的领域之。 特别是u h m p e 嚣毒，耐永，蔹指窥为壹接与食晶羧魅豹材鼹，霹鼹寒裁簸食曩装簸垒 动包装线上的霉部件，能防止瓶予破裂，减少噪谱，提高工作效率。采用u h m p e 比之 原来采用的金属材辩，使用寿龠掰提毫1 0 5 0 傣。 ( 4 ) 、通用机械u e 由于具有优良的耐磨性，耐冲击性，敝在机械行业得到 广泛应用。用u h m p e 制掺农用收割机的搬轮，比镄铡品便熹 3 ，嚣寿鑫则簧毫2 辍。 ( 5 ) 、以自润滑饿和不粘後为主的应用。a 、材料储运。u h m p e 可制作装煤、 水泥、稽灰、矿粉、盐、谷物之类粉状糖辩的斟斗、料仓、潺攘的衬爨。由于它 其有优鼹鲍自澜滑性，不粘性，w 使上述粉状材料对储遮设备不发生粘附现象，保 证稳定输送。采煤场的煤溜槽，粮食加工厂采能用豹输送管道等，采用u h m p e 要比 原来采掰的金属材料使精寿命掇高1 0 5 0 倍，并且能大大降低成本，掇高输送效 率。b 、农业、建筑机械。u h m p e 自润滑性优异，泥土在蕻表面嚣易滑动，不会发生 毒占着，雨晨萁耐张击往、辩磨损健优良。嗣它来锖l 作农业稻建筑机械的零部件，可大 幅度提商工作效率，减少能耗。利用u h m p e 的自润滑性和耐磨性及耐寒性，可用以 6 重壅盔兰堡主堂垡堡奎j 笪兰l 制造滑冰、滑雪、水上运动等体育器材的滑动部件。还可作u 咖p e 滑冰场，其造价 为一般人造滑冰场的1 4 。 ( 6 ) 、以耐腐蚀性和不吸水性为主的应用可用于容器包装、化工设备、输送 管道等等。 ( 7 ) 、以卫生无毒性为主的应用可用于食品、饮料工业，被指定为可直接与食 品接触使用的材料。在医疗上，还可用于心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节及节 育植入体等，是理想的医用高分子材料。从使用性能上看，由u h m p e 制成的人工髋 关节。耐磨性和安全性比p t f e 更为优异。 ( 8 ) 、其它性能的应用。a 、耐低温性的应用。u h m p e 具有优异的耐低温性 能，可应用于各种冷冻机械中，并可作为核工业的耐低温部件，也可用作原子能发电 站的遮蔽板。b 、电绝缘性能应用。u h m p e 电绝缘性能良好。目前，欧美使用u h m p e 制造酸性铅蓄电池隔板( 膜) ，用量为4 0 0 0 t a , 美国用超高蓄电池隔板已达到9 0 ，欧 洲达8 0 左右。我国用超模量聚乙烯做蓄电池隔板未形成生产能力，估计1 9 9 8 2 0 0 0 年，约需蓄电池1 4 0 0 万只2 0 0 0 万只，折合隔板片数1 1 亿片1 5 亿片，取代现 用的微孔橡胶隔板，烧结式p v c 隔板等，市场前景很好。 7 重鏖查堂塑圭兰垡笙兰 ! 塑塞楚量窭圣壁墨全塑魁塑婴塞墨鉴量塑璺盟! 垦舅l 2 超高模量聚乙烯复合材料的研究现状与潲题的提出 2 1 研究现状 由于超高模量聚乙烯纤维化学上不活泼，袋顽能低，表面缺乏极性基翻，且 超高模餐聚乙烯纤维鼹商度对称的亚甲基结构，使褥纤维具有经高的缩晶度和取 向度。这一方面保证其具有较黼的力学强度，另一方面也使得纤维表面的化学惰性 特掰突国，集中寝现在奄稽月誓纂俸籍成艇台耱瓣后，界谣结合力缀低。浠对超商模 量聚乙烯纤维改性，常用方法如下”1 ： 貔壤改往 ( 1 ) 共混法一将带有极性基团的聚合阵( 如e v a ) 与u h m p e 共混制取胶液，进 行凝绞纺丝，褥劐改住h s h m p e 绎维，敬善拜缭豹藉结健鼹。 ( 2 ) 刻蚀法一对纤维表面进行刻蚀，使其光滑表丽变得粗糙，改游纤维的粘 结性能。 ( 3 ) 填料法将典有特殊性能的物质渗入到纤维内部，包含这些增强物质的 终维不仅可数绦持其瓷疆蹇模褥莲，弱瓣藏予了一些穗殊静戆能，妇窳久磁熬、 阻燃等。 巅二攀彀蛙 ( 1 ) 表面化学处理最常用的方法，可采厢多种技术，如：等离子处理；化 学氧化绷浊”3 ；电晕放电“蜘等，健终维表甏产生涎继孛o ，萼空气中数氧气、 二氧化碳等物质反应引入极性熬团。 ( 2 ) 表嚣化够接技采用紫势光( u v ) u ”3 、等囊予、电予鸯羹速嚣簿馒缍缨表 面产生活化中心，随即与丙烯酸酯类化合物接棱，引入极性羧基，改蒋纤维表面 性辘。 ( 3 ) 交联改性疆。“通道紫外光、高能呶子引发活性中心，引入多功能团交 联剂，使大分子链形成结掏嬲终，可以液善其澍热性能秘力学投能可愆予交联敬 性的方法很多，但目前常用的热化学交联和高能辐射交联在很大程度上要损害纤 维优良的力学性能8 0 年代，r a n b y 等人提出用紫步 光交联方法来改进聚乙烯纾缳， 经尝试驻示出优越往。綮夕 光交联由予采用紫外线和光敏帮引发，从而大大减少 了对纤维大分予链的损害程度，楣反，娜以保持或提离纡维的力学性髓。 1 m w a r d 砖t 珏 m p e 纤维爱合材科作了系统的实验研究，包括样品成型工艺， 纤维表蕊处理，纤维铺设方式，混杂方浅，复仑材料的抗拉、摭弯、摭蔗、层润 骜留、拣冲击健髓等力学指标以及吸湿往，耐介质往等耐候性辩捌】。 研究结果表明：( 1 ) 经氧等离子体处理，u h m p e 纤维复合材料的i l s s 提2 0 8 重鏖盔堂堡主堂垡堡奎 ! 塑壹堡量鍪圣壁塞鱼塑塾塑婴塞翌鉴墨塑墅塑堡璺 - - 8 0 ，酸处理仅提高3 3 ：( 2 ) 等离子体处理对复合材料的t m 、t s 、f m 、u f s 、 c s 影响不大，但对其相应的破坏特征有影响；( 3 ) 等离子体处理后，u h m p e 纤维 表2 1u i m p e 纤维复合材料的力学性能纤维体积v r a 5 5 冲击吸收能力 样品成型纤维表面 i l s st mt sf m u f sc s k y m - 2 工艺处理 口ag p a 0 p ag p am p a胁 ls t3 r d 纤维柬铺来处理 1 51 90 3 l2 21 6 68 01 5 88 8 入模槽，未 酸处理2 02 00 - 3 31 4 78 3 加绷伸装 置o - p l a s m a2 72 10 3 31 91 4 88 51 1 98 7 未处理2 02 20 1 3 42 l1 5 67 81 1 27 8 加绷伸装 置余同上 0 - p l a s m a2 52 00 3 41 91 4 47 06 79 3 预浸料层 未处理1 53 30 ，3 73 41 5 97 01 2 56 9 铺 s c c4 05 20 5 34 38 2 77 5 72 4 4 断裂 注 s c c s t a n d a r dc o m m e r c i a lc o 肿o s i t e i l s s ：层间剪切度，1 ：抗拉模量，t s ：抗拉强度，f ：弯曲模量， u f s ：极限弯曲度，c s ：抗压强度，1 “：第一次实验值，3 “：连续三次下降百分数。 复合材料的抗冲击能量吸收能力下降，但减少了基体因受冲击而产生的破碎面 积：( 4 ) 经s e m 观察分析，表明未经处理的u h m p e 纤维复合材料首先破坏的是界面， 而经氧等离子体处理后是u h i d p e 纤维表层：( 5 ) 经氧等离子体处理，复合材料的耐 候性得到了改善“”。 为了进一步提高u h m p e 纤维复合材料的各项力学性能，i m w a r d 等将8 t m p e 纤维与其它h s h m 纤维混杂增强环氧树脂作了实验研究、2 “。研究结果表面，u h m p e 纤维与其它h s 咖纤维混杂改善了h s h m 纤维复合材料的韧性，抗冲击能力明显提 高，避免了f s h m 纤维复合材料脆性断裂；提高了复合材料的比强度、比模量。同 时提高了u h m p e 纤维复合材料的抗拉、抗弯、抗匿等力学指标。 9 重庆大学硕士学位论文2 超高模量聚乙烯星台材垫的硒宜婴复塑垦! ! 皇塑 表2 2u i 丑i p e 混杂纤维材料的物理力学性能 v r “5 0 u f s t b s t冲击 密度 i l s sf mt mt sc s 增强材料 1 “：g p 1 s t ：咖 咿a 3r d = g p ag p ag p ag p a 3 吆 ak j m 2 i7 丑旧e1 0 81 51 6 52 74 l4 10 4 37 51 3 58 5 e - g k b s1 9 56 6】1 4 5断裂4 15 61 5 69 7 53 2 0 k e v l a t 4 91 3 55 35 3 22 86 67 51 3 0 2 7 71 7 59 0 c m b o n1 s 66 61 6 0 0 断裂1 0 41 3 71 9 51 0 5 07 2断裂 p 】j g1 4 52 82 4 52 24 24 6 2 5 52 4 03 0 p 聃1 1 92 22 8 55 4 15 71 6 01 3 5 9 0 p e c1 2 83 44 9 62 4 88 54 1 0 1 5 59 0 注：u i g 舻e 纤维未处理，所有复合材料样品均为七层预浸料铺成，混杂方式2 层u h s p e + 3 层纤维+ 2 层u h m p e ；p e g ，p e k ，p e c 分别是l t i m p e 纤维与e - g l a s s ，k e v l a r 一4 9 ，c a r b o n 纤维混 杂。l “：第一次实验值，3 ”：连续三次实验减少的值。 近年来，随着我国生产水平的提高，科学技术臼益普及，材料是实现技术的 关键。u h m p e 的研究与应用正受到我国材料工作者的重视汹，2 ”。中国纺织科学研 究院合纤所和中国纺织大学化纤所对u h m p e 纤维的纤纺工艺及影响纤维力学性能 的因素作了实验研究。 2 2 问题的提出与研究意义 超高模量聚乙烯( u m ) e ) 纤维具有优良的力学性能，而且其密度小于l g c 日l 。， 原材料来源容易，从而使开发轻质、高强、商模和价廉的新型复合材料成为可能。 然而，由于线型聚乙烯化学上不活泼，表面能低，表面缺乏极性基团，且超高模 量聚乙烯纤维是高度对称的亚甲基结构，使得纤维具有很高的结晶度和取向度。这 一方面保证其具有较高的力学强度，另一方面也使得纤维表面的化学惰性特突出， 集中表现在与树脂基体制成复合材料后，界面结合力很低。文献3 0 3 23 中报道用未 处理的聚乙烯纤维与环氧树脂制成复合材料，其单丝拔出强度只有0 5 i , p a ，有 u h m p e 与环氧树脂不相溶之说。因此，必须对纤维表面适当改性，否则不能与聚合物 基体产生强的界面粘接。 研究、开发、应用纤维复合材料主要取决于纤维的物理 l o 重庆大学硕士学位论文2 超高模量聚乙烯复合材料的研究现状与问题的提出 力学性质、纤维与基体的相容性和纤维的经济指标。在高分子材料这个庞大体系 中，超高模量聚乙烯纤维具有较为明显的开发优势。现在我们用低温等离子对纤 维进行表面处理，增强纤维表面活性，使纤维与聚合物基体产生强的界面粘接， 从而提高复合材料的整体性能。 u h m p e 纤维具有的诸多优异特性，被很多高新技术领域关注，特别是在轻质 高强复合材料应用领域发挥着举足轻重的作用，目前制得的u t t m p e 纤维在强度和 模量上都超过了某些液晶材料如x y d a r 及聚苯硫醚p p s 聚酰亚胺p i 等昂贵的工 程材料，显示了巨大的潜力有人甚至把它视为向k e v l a r 纤维挑战的新一代纤维， 由此可见u i 皿_ i p e 纤维是一种很有希望和发展前途的高性能纤维材料o “ 。 燕庆大学硕士学位论文 3 理论基础 3 理论基础 复合材料纲观力学理论较全面地、细致地、真实魄描述了备向异性的复合材 料的物理力学性质。它练合了材料力学、弹性力学和断裂力学，为复含材料提供 了设计原理。奁这里仅介绍与本论文有关的一些基础理论。 3 1 拔出强度 在拨出试验中的单熊的一端被嵌入个树脂盒中。这个树脂盒的厚度决定沉 没纤维的秸结长度。拔出强度t 的定义如下公式： 赡i t u r e 1 0 a df ( 3 1 ) 这楚f 是最大的f a i l u r el o a d ，d 窝t 分别是攀丝壹经j 整辕缕长疫。 拔出强度的增加从三个独立的剪切力因素考虑，这兰个力分别被命名为t 。 tm 窝t 勰，缝嬲分嚣l 表暴秘毽纯学 睾矮、巍壤铭爝窝徒学键豹 筝囊。终为一令经 验公式这里：t = 1p c 一1 m + 1c b 。 对予骞孔戆摹丝，翔皋愿戆绥维嫒裂为是a $ ，郡么嫂测豹绎缨兹赣裂力是： 乓= 拶4 三( d 一2 0 2 ( 3 2 ) 其中e 是小坑的深度。 对予一个没有小坑翡革丝，那么承辘力f o 海： 芦p = 拶4 ；d 2 ( 3 - 3 ) 然君，从等式( 3 2 ) 和( 3 3 ) 得出： e 斗( 删 限4 ) 如果育坑的靼没坑的纤维的表面张力被分别定义为拶p 和盯。，那么 哥瑚 1 2 ( 3 5 ) 蓬庆大学硕士学使论文 3 理论基戳 于跽e 的值可由o r ，、仃。和d 的铡鬣值决定p ”。 小堍深度e 的计算没有考虑压力集中的因素，它由小坑的深度和小坑的顶端 矗径决定。e 值的计算怒以公式( 3 5 ) 为基硝的，因此计算值疆院实际的值大n 目前，一个准确的实验上的去测定小孔的方法还没有。然而，小坑的颈端半饪是 个恒量，还有猿立的撵淑拉伸隈和压力拶。，那么对用等离子经理的撵豁的破环深 度e 的计算还趄相对满意的。 3 2 增强体一纤维拉伸强度的理论估计 绎缝作惫笺舍毒| 辩秘增强俸，对复金耢辩鹣物理力学性髭熬着关键性酶佟麓。 由于纤维的表丽能低，加之生产过程中纤维表黼涂有一层非活性有机物，带有大 藿杂霞。因蘧，纾维努须送行袭嚣签褒方戆 筝魏复舍糖辩静壤疆俸。这墼霞对线 型高度密度聚乙烯纤维( e c p e ) 纤维强度进行理论上的估计。 首先是怼e c p e 纾续控 枣强发懿理论绩诗。e c p e 绎维瓣拉撵强度取决予 ( 一c c 卜一共价键的强度。第步，根据键能u 求键力f 。 设 、- 弋一键携必u ，力f 为使鼹个碳爨予宪全努建嚣掇戆力，臻子移动戆 距离为d ，则 # ”撼 8 国 查有关数据褥：f 终等于5x l 拶9 n 键。聚乙爝卜c ) 一键爨戆载嚣积 约为2x l f f l w ，因此c o 一的理论强度为 0 串e 2 5 g p a( 3 。7 ) 但建各种e c p e 纤维的实际强度与3 7 式的结果相差甚远，仅有珊论估计值 的l 坦o l 1 5 ，矮原因怒：纤维的分子镰取向不完全提潮；分予链在拉 枣过程中不 同时断裂，即存在缺陷，少数威力集中的分手链首先断裂。其次是对e c p e 的磬 切强度的理论旗诗。e c p e 纤维的剪切强度是指缀成e c p e 纤维媲微纤之阅的剪甥 强度。微纤之间的作丽力属v a n d e r w a a l s 力p 6 1 ，包括静电力、诱导力、分子色散 力，对于e c p e 爿 极性分子主要是色激力，占v a n d e f w a r l s 力中的8 0 - 9 0 ，包 激力效力作靥麓一般为0 2 2 千卡碗1 分子。力作用鼷离只育几十个纳米。要准 确计算纤维间的剪切强魔较难。 3 7 1 3 3 基体一环氧树脂 环氧褥器俸为纤维爱台誊孝籽基俸，绣理力学佳雏优麓、爝鬣最多、价格偏低 的不饱和聚脂树脂。现代高级纤维复合材料基体几乎都是环氧树脂。 这避先套绥一下耀畿褥嚣静闺位蘸遴。环戴褥瑟鹃运纯是通过加入化学活馥 1 3 重壅丕堂堕圭堂垡建茎 立里堡i ! ! l 试剂，即所谓同化剂来宛成，最终使其变成大分子链交联固体。固化原理是：将 魄酾分予豹共伶键打开，多个分子缝恣羧，形袋大分予长链，大分子镶之闽形戏 立体交叉结构。 矫鬣树黯的阉啦过毽会导致箕物理力学性能靛一系列变化。强氧树艨热入一 定量固化剂，摔匀后粘液的粘庹