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材料科学与工程学院 本科毕业设计（论文）外文资料翻译

原 文 名 Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fibers/Epoxy Composites:Effect of Fiber Treatment on Properties

中文名称 超高分子量聚乙烯纤维/环氧复合材料：纤维处理对性能的影响

超高分子量聚乙烯纤维/环氧复合材料：纤维处理对性能的影响 摘要：研究了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维增强环氧树脂复合材料的性能，并研究了纤维表面处理的效果。结果表明，表面处理增加了粗糙度，含氧基团数（特别是-OH基团），结晶度，并且提高了UHMWPE纤维的润湿性。经处理的UHMWPE纤维/环氧树脂复合材料的冲击强度最大值达到92.6kJ/m，高于纯环氧树脂和原纤维复合材料。原2样和处理过的纤维复合材料的拉伸强度均低于纯环氧树脂。但是，拉伸模量显着增加。经处理的UHMWPE纤维/环氧复合材料的弯曲强度和模量分别为26.2％和26.0％，高于纯环氧树脂。两种复合材料的摩擦系数均增加。动态力学分析（DMA）结果表明，Tg处于较高温度，经处理的UHMWPE纤维/环氧树脂复合材料的tandelta;峰值降低表明处理过的纤维与树脂基体的粘合性优于原始纤维，符合扫描电子显微镜（SEM）分析。将经处理的UHMWPE纤维添加到环氧基质中提供了对分解的稳定作用。 关键词：UHMWPE纤维，环氧复合材料，性能，表面处理

介绍

纤维增强树脂复合材料在土木和建筑工程中的应用越来越广[1]。增强纤维提供承载效果，树脂基质有助于载荷传递到增强件。在许多树脂中，环氧树脂（EP）是广泛用于各种工程应用的热固性材料，因为它具有良好的热，物理，电气和机械性能[2]。然而，由于高度化学交联，它们固有的脆性本质严重限制了它们在许多应用中的用途[3]。 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维具有低密度，良好的物理和机械性能，在许多领域具有显着的潜在应用[4-6]，特别是作为复合材料中的填料。然而，由于结晶区域具有高结晶度和高度取向的长线性链，UHMWPE纤维极其惰性且与基质不具有良好的粘合性[7,8]。众所周知，增强纤维与周围基体之间的界面粘合对于从基体向纤维的力传递至关重要，并且还决定了损伤累积和传播的机制[9]，因此复合材料的性质密切相关。到界面的力量。为了改善UHMWPE纤维与树脂基质之间的弱界面粘合，通常使用两种方法。第一个是修改光纤，另一个是在矩阵上操作。UHMWPE的运营纤维包括物理和化学改性。物理方法包括氮等离子体[10]，激光烧蚀[11]等。改性UHMWPE纤维的化学方法包括磺化或酸处理[12,13]，接枝[14]等。 在各种表面处理方法中，用重铬酸钾对UHMWPE纤维进行化学改性是其有效性，低成本和相对良好的可操作性的众所周知的方法。纤维表面化学的重大变化之一是引入碳-氧键。这些极性基团增强了润湿性，并且存在与环氧树脂发生化学反应的可能位点，从而产生增强的粘附性[15]。此外，重铬酸钾可使表面粗糙并蚀刻纤维的无定形区域，从而改善润湿性[16]。粗糙度的增加也提供了环氧树脂基质和纤维之间机械互锁的位置。 在这项工作中，UHMWPE纤维用重铬酸钾处理了可增强其环氧树脂复合材料的界面性能。通过评价复合材料的性能，研究了纤维处理的效果。预计纤维化学处理可以改善UHMWPE纤维/环氧复合材料的性能。

试验

原料 本研究中的UHMWPE纤维由中国大成先进材料有限公司提供，长度为0.5厘米。纤维的密度和直径是0.97g/cm3和约40um。表1列出了UHMWPE纤维的机械性能。环氧树脂和其他化学试剂（分析级）分别购自江苏昆山南亚环氧树脂有限公司和国药化学试剂有限公司。 表1.UHMWPE纤维的机械性能

抗拉强度（GPa）	断裂伸长率（％）	断裂模数（GPa）
2.62plusmn;0.079	4.59plusmn;0.138	59.66plusmn;1.790

纤维表面处理 UHMWPE纤维用铬酸处理，该过程符合Ref.17。该溶液是K₂Cr₂O₇，H₂SO₄和H₂O（7：150：12）的化合物。 将UHMWPE纤维在35℃下浸入铬酸溶液中约5分钟，同时100kHz超声波工作。然后用蒸馏水冲洗几次。最后将处理过的纤维在真空烘箱中在室温下干燥12小时。 UHMWPE纤维/EP复合材料的制备 用0.3wt％UHMWPE纤维制备环氧复合材料[18]。首先将纤维在烧杯中加入丙酮中，并将混合物超声处理30分钟以分散UHMWPE纤维。将所需量的环氧树脂倒入烧杯中，并使用磁力搅拌器在35℃下与丙酮混合约30分钟。通过在约35℃下真空萃取5分钟除去丙酮，然后将固化剂（按重量比1：4）混合在溶液中。在将所有组分再混合30分钟后，然后将混合物置于真空条件下在70℃下烘箱中40分钟。 表征方法 傅立叶变换红外衰减全反射光谱（FTIR-ATR）用于分析UHMWPE纤维的表面组成变化。光谱在Nicolet6700FTIR光谱仪（Thermo Fisher Scientific Inc.）上获得。 使用扫描电子显微镜（SEM）（TM3000，Hitachi High-Technologies Co.，Ltd.）进行形态学观察。为了更清楚地观察并具有更好的导电性，在观察之前将样品的表面溅镀金。 用Nicolet 6700衍射仪（Bruker Corporation，Germany）进行X射线衍射研究。在40mA和40kV下使用Cu Kalpha;辐射（lambda;=1.5406A）。2theta;的操作参数范围为10°至50°，扫描速率为0.2秒/步。 接收和处理的静态接触角使用接触角测试仪（DSA 100，Kruuml;ssGmbH，Germany）在室温下获得UHMWPE纤维。乙二醇和水用作测试液体。测量读数并从结果中获得平均值。 使用GT-7045-HMH落锤冲击系统（中国台湾Gotech Testing Machines Inc.）进行冲击试验。尺寸为12.7times;60times;3.2mm的矩形试样，测试过程遵循ASTM-D256。测试了五个样本，然后报告平均值。所有冲击试验均在室温下进行。 在WDW-20万能试验机（Zwick Roell，Germany）上以10mm/min的十字头速度在室温下进行拉伸试验。测试方法符合BISFA-2004，涤纶长丝纱线的测试方法。哑铃形试样的宽度为10mm，厚度为3.5mm，标距长度为50mm。测试五个样品并对每个样品取平均值。 还在WDW-20万能试验机（Zwick Roell，Germany）上以10mm/min的十字头速度在室温下进行弯曲试验。测试标准是BISFA-2004，聚酯长丝纱线的测试方法。测试7个样品并对每个样品取平均值。尺寸为80times;15times;4mm的试样以三点弯曲加载，直至失效，支撑跨度为64mm。 使用DMA 1000动态测量系统（Metravib，France）使用10Hz的恒定频率进行动态机械分析。将样品以5℃min^-1的速率从-80加热至0℃。 使用Perkin Elmer TGA7仪器进行热重分析（TGA）。将环氧树脂及其复合材料置于铂坩埚中并在氮气氛下加热。加热速率为10℃/min从室温升到600℃。

结果和讨论

纤维表征 ATR-FTIR测试用于评估UHMWPE纤维的表面变化。图1显示了UHMWPE纤维在表面处理之前和之后的FTIR-ATR光谱。UHMWPE纤维的FTIR特征峰出现在波长2910-2850cm^-1和1464cm^-1的-CH₂伸缩振动和-CH₂不对称弯曲振动[19,20]。此外，在重铬酸钾处理的UHMWPE纤维光谱中观察到两个新的带，与图1中的原始UHMWPE纤维光谱相比。它们是在3348cm^-1附近的宽带对应于羟基（-OH）和带约1643cm^-1对应于氧基团。在我们以前的工作[21]中，XPS测量得到的光谱的O1s/C1s比率从0.030（原样纤维）增加到0.229（处理过的纤维），表明在处理过的纤维表面上引入了大量含O基团，主要是羟基。 2 2 图1.原样和处理过的UHMWPE纤维的FTIR-ATR光谱 图2.UHMWPE纤维的SEM照片;（a）原样纤维和（b）处理过的纤维 在表面处理前后，纤维表面的形态学变化如图2所示。相对光滑的表面，表面表面上沿轴有少量凹槽 图2(a)可以观察到接收光纤的处理故障。经过处理后，UHMWPE纤维的表面变得更加粗糙（如图2(b)所示）。凹槽就会越多，深度也会越深。在复合材料制造中会影响与树脂的粘附性能，导致比表面积的大幅度增加，从而为纤维和聚合物基质之间的各种相互作用提供更有利的条件。这将导致在界面区域中的高联锁性和粘附性。 图3.UHMWPE纤维的XRD图谱 图4.UHMWPE纤维的接触角 图3显示了原样和处理过的UHMWPE纤维的X射线衍射图。在约2theta;=21.5°和23.9°的两个样品的两个不同的衍射峰对应于 聚乙烯正交晶系的（110）和（200）面分别为。衍射峰具有微小的高角度运动，表明结晶区域受重铬酸钾处理的影响。处理后结晶度从94.2％增加到97.4％。 通过接触分析UHMWPE纤维的润湿性角度和结果总结在图4中。润湿性随重铬酸钾处理而增加。在重铬酸钾处理后，原始纤维与乙二醇的接触角为60.3°，降至52.7°。水接触角呈现类似的趋势并且减少10.8°。处理后UHMWPE纤维的润湿性显着提高，表明在FTIR中所示的重铬酸钾处理后，如纤维骨架[22]中引入了一些极性基团，如羟基和其他氧基基团。 UHMWPE纤维/EP复合材料的力学性能 为了研究UHMWPE纤维的增强和增韧效果，测试了冲击性能。从表2中可以发现，掺入UHMWPE纤维可明显改善冲击强度。经处理的UHMWPE纤维/环氧树脂复合材料达到最大值92.6kJ/m²，比纯环氧树脂高4.4％，这可归因于UHMWPE纤维。UHMWPE纤维提供了大的表面积，可与环氧基质相互作用，从而提高了冲击能量的吸收能力[23]。 UHMWPE纤维增强环氧复合材料的机械性能很大程度上取决于基体和纤维之间的载荷传递程度。已经通过拉伸测量评估了处理过的纤维对环氧聚合物的机械性能的直接影响。表3中列出了机械性能的平均值以进行比较。添加UHMWPE纤维会降低环氧复合材料的拉伸强度。然而，经处理的UHMWPE纤维/EP的复合材料平均拉伸强度达到59.46MPa，与原先的UHMWPE纤维-环氧体系相比增加了7.5％。与纯环氧树脂和原始纤维复合材料相比，杨氏模量分别显示出超过55％和52％的改进。断裂伸长率降低，这与纤维增强复合材料的一般现象一致[24]。 2 2 表2.EP和UHMWPE纤维/EP复合材料的冲击强度

样品	冲击强度（kJ/m）
纯环氧树脂	88.7
0.3wt％的UHMWPE纤维/环氧复合材料	剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[265102]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

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