论文总字数：15557字

摘 要

本文对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）用强氧化剂进行较为简易的化学改性，制成UHMWPE/EP的复合材料，对实验样品进行冲击与弯曲性能测试，探讨其部分力学性能。由实验结果可知，该种复合材料的冲击性能与纯树脂相比提高了2到3倍，但与其相反的是，其弯曲性能降低了近50％。复合材料会在环氧树脂整体比例不断减少，超高分子量聚乙烯纤维比例的增多的条件下，弯曲性能有着略微削弱趋势，而抗击打能力始终高于纯树脂。因此可知，UHMWPE增强环氧树脂使得其冲击性能得到较大提升，但其弯曲性能却有所降低。根据对UHMWPE切片进行改性后的红外光谱和接触角测试可以了解到，实验成功引入极性基团，使环氧树脂与UHMWPE界面的粘结强度有了明显的增强使得改性后的复合材料冲击与弯曲强度均有所提高。

关键词：超高分子量聚乙烯 环氧树脂 增强改性

UHMWPE fiber reinforced epoxy composite

Abstract

In this paper, ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) is modified by chemical reagents. Through kneading different proportion of epoxy resin for reaction pretreatment, the epoxy resin and ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) are in full contact with each other. After the pretreatment, the curing agent is added to continue to stir, and then the mold is poured into, and the curing reaction is carried out on the flat curing machine to make UHMWPE/EP composite The impact and bending properties of the experimental samples were tested, and some mechanical properties were discussed.The results show that the impact property of the composite is 2 to 3 times higher than that of the pure resin, but on the contrary, its bending property is reduced by nearly 50%. Under the condition that the proportion of epoxy resin and UHMWPE fiber is decreasing, the bending property of the composite is lower, while the impact property is always higher than that of the pure resin. Therefore, the impact property of UHMWPE reinforced epoxy resin is greatly improved, but its bending property is reduced.

Key word：UHMWPE；EP；Enhanced modification

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 UHMWPE 概述 2

1.2.1 UHMWPE改性 2

1.3环氧树脂及固化剂的选择 3

1.3.1 环氧树脂 3

1.3.2 固化剂及固化剂的选择 4

1.4 本文的研究内容与方法 4

1.4.1 研究内容 4

1.4.2 研究方法 4

第二章 实验部分 6

2.1 实验原料及设备 6

2.2 UHMWPE纤维改性样品制备 6

2.3 制备试样 7

2.3.1试样预处理 7

2.3.2实验试样的制备 7

2.4 性能测试 9

2.4.1红外光谱 9

2.4.2接触角测试 9

2.4.1 冲击性能测试 10

2.3.2 弯曲性能测试 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 红外光谱分析超高分子量聚乙烯纤维 11

3.2 接触角测试 12

3.3冲击性能试验数据及结果分析 13

3.4弯曲性能试验数据及结果分析 14

第四章 结论 15

4.1 结论 15

参考文献 16

致谢 19

第一章 绪论

1.1引言

我国改革开放的步伐的不断加快，人们的生活已经越发的进入了现代化和高科技化，人民群众也对生活环境和自身安全越来越关注，因此发展节能环保的材料也越发重要。近几年，我国材料科学有极大的发展，其中UHMWPE作为第三代高性能高分子纤维，其优良物化特性使其具有抗压、抗击打、性质稳定、寿命长等特性，受到国内外材料行业的广泛关注。但是超高分子量聚乙烯的劣势也十分明显，例如其较差的耐热性，其熔点在136℃左右，抗蠕变性能也很低，因此其难以在高温或者长期负载环境下使用，且其长链是由碳氢两种元素组成的亚甲基组成，有着几乎完全结晶的性质和高度定向取向，使得超大分子量级别聚乙烯纤维分子特性类似非极性分子，有着缓和化学活性，不易反应，因此与树脂难以形成共价键，导致表面难以形成物理啮合的地方，以至于几乎无法被树脂充分润湿，由于这些比较严重的缺点使得超高分子量聚乙烯纤维的应用受到非常大的限制^[1]。UHMWPE纤维是目前国内一种新型的工程实用性高纤维材料。其较芳纶纤维和高模量碳纤维两者在相同质量下体积更大，但同时又依然能够保持较高的耐冲击性能，且超高分子量聚乙烯纤维的耐化学腐蚀性能也非常优异^[2]。UHMWPE纤维复合材料由于其诸多的优良性能而被广泛应用于军事、汽车与船舶制造、运动器材等领域。与国外相比，国内的发展仍然有较大差距，需要进一步的探索并开发其更多的性能^[1]。环氧树脂被广泛认为是一类非常重要的热固性高分子材料。其固化原理主要是应用特定的固化剂的活性，破坏环氧基，使其带有自由电子，并发生交联反应，进一步形成无法溶解，无法熔融，且具有高交联密度及三向网状立体结构的大分子,形成的环氧固化物具备许多优异的性能，例如较高的粘结强度，粘接面广，固化成型后的树脂收缩率比较低，其制成的成品具有很好的稳定性，绝缘性能非常优秀，高机械强度，优秀的可加工性及耐化学腐蚀性能等。因此环氧树脂在诸多领域有较为广泛的应用，比如化学工业、绿色环保、机电、船舶运输、家用电器、汽车工艺、信息工业、航天航空、工程制造等。由于反应条件简单并无过多能量和物资供给，原料利用率高，反应迅速，生产效率较高，无耗损性和挥发性物质，所以在固化反应后的成型加工，不需要额外添加维护成本而消耗额外的时间，这样能够增强环氧树脂体系的黏结强度^[4,5]。又因为其与诸多非金属材料的黏结强度往往超过材料自身的强度，所以在一些受力构件中也有较为普遍的应用。

1.2 UHMWPE 概述

超高分子量聚乙烯因其所具有优良的抗物理磨损能力，不易与酸碱发生反应，极高的力学强度，抗冲击、抗切割性能，此外UHMWPE纤维的电磁波透射率很高，自身密度很低，因而在我国有非常广泛的利用前景，随着生产制造业的壮大，对其生产需求和市场需求也在不断的扩展。

目前我国高分子聚乙烯研制技术水平已经能够达到自主生产。但由于聚乙烯化学结构稳定，化学反应活性较低，不易于其他基材形成共价键，因此综合利用率较低，用于制造复合材料成本过高，在我国利用UHMWPE纤维增强进行复合材料的生产的企业较少，为了更有效的利用材料的优越性，必须要进行改性。改性后的UHMWPE具有较高的粘着性和热化学稳定性、成品不易收缩、价格便宜等优点。但由于反应过于激烈使得固化后交联密度大，使得材料失去了柔韧性、抗击打能力差以及电绝缘性差等缺点。如何合理的改性且弥补其部分性能的缺点是扩大其应用范围的重中之重。

1.2.1 UHMWPE改性

1.等离子体改性

一般我们常在纤维表面以下几十纳米处进行等离子体改性，所以几乎不影响UHMWPE自身的大部分力学性能。通常使用热等离子体或者冷等离子体对其进行改性，不同的选择对应不同的反应温度。但由于UHMWPE纤维不耐热，所以若使用热等离子体进行表面改性则会导致纤维分子链被降解，为了保护物质整体的链结构特性，我们通常使用冷等离子进行冷处理，破坏UHMWPE纤维分子链，破裂分离的基团变成自由基,同时又会对纤维外围进行链引发，从而持续分裂效应，加大纤维表面粗糙度^[26]。徐鑫灿^[28]等隔离等离子的电子转移途径，使得UHMWPE纤维表面带有足够的电子，使得改性，增加了改性后的纤维表面粗糙度，将其与染料相混合，使得其附着染料的能力大大提高，且随着改性功率或时间的延长，纤维的色差值也越来越大，但同时使得纤维自身的力学强度有所降低，经过综合比较发现最佳在80W的处理功率下，反应处理27s后改性结果最佳。

2.化学试剂改性

化学试剂改性也有两类^[26]：(1).使用浓硫酸、重铬酸钾溶液、铬酸溶液、高锰酸钾溶液等强氧化试剂对UHMWPE纤维表面进行处理使其面进行氧化反应，通过氧化反应能够增加纤维表面的粗糙度以及材料比表面积，从而使得纤维与其他基体材料能够更好地捏合，而且通过氧化反应还能够为纤维的表面提供活性,使得基体与纤维产生反应，进一步提高纤维与树脂基体的粘结能力。其缺点也比较明显，经强氧化剂处理后的UHMWPE纤维的部分力学性能会有一定程度的下降,在进行改性的同时还会释放出有污染性的物质。(2).甲基丙烯酸缩水甘油酯等自身就能够进行氧化自聚合反应，将其与纤维表面接触并通过反应使得其表面覆盖一层聚合物，以这种方式将极性基团加入纤维表面,且经反应生成的聚合物层还能在纤维加工时产生额外的功能性作用^[23,24]。向媛^[3]报道了一种简单的表面化学处理，经过强氧化剂和H离子共同处理2分钟后,表面亲水性明显增加，粘度增加，大大增加了其与环氧树脂的粘结强度。李瑞培^[1]等通过液相氧化法改性UHMWPE，以此提升了其表面粗糙度并且增强其与树脂之间界面的粘结强度。赵晗^[19]等利用相对温和的低温水热法成功地在UHMWPE纤维表面生长了均匀致密的ZnO纳米棒阵列。并用氧化锌纳米棒改性UHMWPE，使UHMWPE织物的防穿刺性能提高20％，且ZnO纳米棒能与树脂形成机械啮合结构，提高树脂和UHMWPE的界面强度^[22,23]。

3.辐射接枝法

辐射接枝改性是利用例如高能电子束、Y 射线、紫外光、X射线等辐射源对纤维表面进行作用，使纤维表面出现活性点，在活性点出引发单体发生聚合反应,将此反应形成的聚合物层作为接枝基体材料,进一步改善纤维表面粘接性能^[26]。这种改性方法根据进行的反应，可分成共辐射接枝聚合和预辐射枝聚合。反应过程需要进行除氧、加热^[7]。

4.电晕放电处理

通过击穿现象，进一步产生等离子和臭氧等物质，以此方式在UHMWPE纤维表面进行反应,在纤维表面出现大量的极性基团，进而使得纤维表面的粗糙度不断增加，以此改善UHMWPE纤维与基体界面的粘结性能。电晕放电处理改性的缺点在于其改性效果难以保持,几乎无法在工业上进行连续化生产,而且改性方法与前几个相比较为复杂。

1.3 环氧树脂及固化剂的选择

1.3.1 环氧树脂

环氧树脂是指分子中含有多个环氧基的一类有机高分子化合物，主要是以脂肪族、脂环族或者芳香族段为主链的高分子预聚体。但由于其存在活泼的环氧基团，所以可以通过特定的化学试剂，与预聚体反应生成不溶不熔的热固性高分子。环氧树脂通常是在呈液体的状态下，经常温或加热进行固化，制成工业所需产品，从而达到最终的使用价值。但是EP树脂本身劣势也很明显，其耐气候性不好，且成品较脆，韧性不佳，但可以调整树脂与固化剂的配比与品种，改变其缺点。

1.3.2 固化剂及固化剂的选择

EP树脂通常只作为预处理原料，本身应用特性不佳，只有在加入特定的固化剂后，通过反应连接树脂分子使其变成不溶不熔的热固性材料，才拥有诸多优良的性能，使其具备多种多样的使用价值。除一般常用的显在型固化剂外，还有一种潜伏性固化剂在近几年被广泛的研究和开发。

请支付后下载全文，论文总字数：15557字