超高分子量聚乙烯纤维的表面改性及其复合材料性能研究

作     者：胡俊成 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯霞;韩永良

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超高分子量聚乙烯纤维 多巴胺 二次功能化 己二胺 聚乙烯亚胺 界面剪切强度 

摘      要：随着高性能复合材料的迅速发展,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。虽然UHMWPE纤维具有优异的性能,如高强度和刚度、耐化学性、质轻和低温下良好的机械性能,但是其表面呈惰性并且与极性聚合物（如环氧树脂）间的粘结性差,限制了其应用领域。因此本文采用多巴胺沉积以及二次功能化对UHMWPE纤维进行表面改性,以改善其界面粘结性能。首先采用多巴胺氧化自聚合反应对UHMWPE纤维进行表面改性,结果表明:多巴胺改性后的纤维表面涂覆一层均匀的聚多巴胺层,粗糙度增加。经过对多巴胺改性后的纤维进行超声处理发现聚多巴胺与纤维之间有一定的粘结强度。单丝断裂力测试结果表明多巴胺改性并没有对纤维自身的力学性能产生损害。当多巴胺浓度为2 mg/mL、反应时间为24 h的条件下,UHMWPE纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度最大为0.920 MPa,相比较于未改性的纤维提高了 28.31%。分别以小分子多氨基化合物己二胺（HMDA）和大分子多氨基化合物聚乙烯亚胺（PEI）为二次功能化单体,对多巴胺改性后的UHMWPE纤维进行二次功能化。通过FTIR和XPS分析证明了纤维表面聚多巴胺层上成功接枝了 HMDA和PEI并引入了活性官能团,从SEM图看出二次功能化改性后的纤维表面粗糙度明显增加。在HMDA浓度为10 mg/mL、反应时间为9 h的条件下,改性后的UHMWPE纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度最大为1.310 MPa,比未改性的UHMWPE纤维相比较提高了 82.71%;在PEI反应浓度为5 mg/mL、时间为24 h的条件下,改性后的UHMWPE纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度最大为1.185 MPa,比未改性的UHMWPE纤维相比较提高了 65.27%。相比较于未改性的UHMWPE纤维增强环氧树脂复合材料,多巴胺改性后的纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸断裂强力有所增加,经过二次功能化之后有了进一步提高。由复合材料的断裂截面可以发现纤维与树脂之间的界面性能得到改善,并且两相之间不易发生剥离现象。