UHMWPE纤维增强复合材料的界面性能研究进展.pdf

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1、UHMWPE纤维增强复合材料的界面性能研究进展张小康．王耀先(华东理工大学材料科学与工程学院，上海200237)摘要：本文探讨了不同的纤维表面处理方法对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强树脂基复合材料界面性能的影响。介绍了等离子体处理、化学试剂处理、电晕处理等常用的UHMWPE纤维表面改性方法。通过对纤维的表面处理，纤维表面的粗糙度和极性基团含量都有了提高．使纤维与树脂基体的粘结性能得以改善。本文还论述了通过对树脂基体改性提高UHMWPE纤维增强复合材料界面性能的研究进展。关键词：UHMWPE纤维；表面改性；树脂改性；界面粘结性；树脂基复合材料1引言超高分子量聚乙烯(UHMWPE

2、)纤维也称超高模量聚乙烯(UHMPE)纤维．是继碳纤维、芳纶纤维的又一种高性能纤维。UHMWPE的分子量通常在100。600万之间。分子为线型的高度取向的伸直链结构，取向度可以接近100％。这种超分子结构赋予了UHMWPE纤维一系列特殊性能。UHMWPE纤维的初始模量在100GPa以上．拉伸强度大于3．OGPa。UHMWPE纤维的密度只有0．979／cm，，其强度比碳纤维和芳纶都要高。UHMWPE纤维增强复合材料的耐磨性能和抗冲击性能是现有的高性能纤维增强复合材料无法比拟的。UHMWPE纤维是由亚甲基(-CHrl形成的非极性材料，吸水率低于0．01％。具有耐化学性能、介电性能、自润滑性

3、、与生物相容性好等特点。UHMWPE纤维具有的一系列优异性能。使得其在国防、军事、航空航天、高性能复合材料、生物材料等领域具有广阔的应用前景。但由于纤维分子链是非极性的全碳氢结构。表面呈惰性，不易被树脂润湿，其复合材料的界面结合弱，层间剪切强度(ILSS)低，大大限制了它的应用领域。因此，提高UHMWPE纤维增强复合材料的界面粘结性成为该复合材料推广应用中亟待解决的重要问题。目前提高UHMWPE纤维增强树脂基复合材料的界面性能可从两方面人手：①提高UHMWPE纤维的表面能和活性；②降低树脂基体的表面能和极性。目前最常用的且已成熟的方法是对纤维的表面进行处理。常用于UHMWPE纤维表面改

4、性的方法主要有等离子体处理、化学试剂处理、辐射引发表面接枝处160理、电晕放电处理、涂层法等【21。经过上述方法处理过的纤维。有的表面粗糙度发生了变化，有的则被引入了活性基团。有的表面引入聚合物涂层等，其最终作用都是使纤维表面能发生了变化。改善了与基体的粘结性能。提高了ILSS，使复合材料的一系列性能得以提高。相比而言，对树脂进行改性降低表面能．从而提高与UHMWPE纤维相容性的方法和研究则鲜有文献报道。本文从不同处理方法对UHMWPE纤维表面的处理效果和对复合材料的性能影响方面展开论述，探讨了UHMWPE纤维增强复合材料用树脂基体的研究进展。2UHMWPE纤维表面改性方法对其复合材料

5、性能的影响2．1等离子体处理等离子体表面处理主要是对材料进行表面轰击。表面轰击的作用主要有：(1)使结合不牢的物质脱离；(2)碰撞级联作用引起的表面原子溅射作用；(3)轰击离子和溅射原子通过碰撞作用产生沉积：(4)增强轰击和吸附物质的化学反应而形成化学沉积物或产生易挥发的物质形成表面刻蚀。等离子体处理仅涉及纤维的表面，一般在一到几个分子间距内进行作用刻蚀。所以纤维自身的性能受影响较小。按处理的效果可以分为处理后表面不形成聚合物和形成聚合物两种。两者的区别在于收稿日期：2010-06．28基金项目：国家自然科学基金项目(50773019)作者简介：张小康(1985-)，男，硕士研究生，研

6、究方向为合成树脂及复合材料。玻璃钢／复合材料增刊f第十八届玻璃钢／复合材料学术年会论文集1处理时使用的气体不同，在N：、H：、O：、NH，、空气等气氛中处理时纤维的表面不形成聚合物．而会在纤维表面进行刻蚀．增加纤维表面的粗糙度，从而增加与树脂基体的接触面积和结合力：而采用有机气体(如丙烯酸)产生等离子体，除在纤维表面形成刻蚀外还会因为聚合反应在纤维的表面产生一层涂层，涂层能够起到两相粘结层的作用。提高复合材料的界面结合强度．同时也会使复合材料的柔韧性得以提高．降低层间破坏发生的可能性。提高复合材料的整体强度和冲击韧性。由于涂层的存在使纤维性能受到的影响更小。姜生141对UHMWPE纤维

7、表面进行介质阻挡放电氩等离子体处理．分析了处理前后UHMWPE纤维／LDPE复合材料的纵、横向拉伸性能的变化。研究发现未处理纤维制成的复合材料在起始阶段曲线上有一曲折存在，这一曲折的应力高于基体材料的应力，说明负荷没有通过基体传递给纤维，是由少量的缺陷纤维发生断裂而形成的；但经等离子体处理过的纤维制成的复合材料则没有这种现象，说明处理后的纤维的表面粗糙度的增加弥补了这一不足。从拉伸曲线上可以看出当负荷达到一定时，复合材料在瞬时解体破坏．但处理前