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本文首先采用溶液纺丝的方法制备了具有串晶(shish-kebab)结构的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纳米纤维,通过改变纺丝液的浓度和纺丝时间等过程参数来改变纳米纤维的微观形貌和结晶结构,进而推断shish-kebab的形成机理;其次,通过热压成型的方法制备出UHMWPE纳米纤维增强LLDPE基复合材料,再对其进行力学性能、二维广角X射线散射(2D-WAXD)、二维小角X射线散射(2D-SAXS)和差示扫描量热仪(DSC)等测试,研究微观结构与力学性能的关系,并找出UHMWPE纳米纤维对复合材料的增强机理。
本课题的研究工作和研究结果表明:
1.采用溶液纺丝的方法,在适宜的纺丝条件下均能得到UHMWPE的纳米纤维,纤维直径在100nm左右,并且纤维的内部结晶结构为shish-kebab晶;纺丝液浓度对纳米纤维的结晶结构有较大影响,当溶液浓度为0.001wt%时,纤维的结晶结构呈现出一种新奇的内部相连的shish-kebab结构,这种晶体结构在以前的文献中还未见报道,并且我们发现,不论是减小或增大纺丝液浓度,纤维大多都呈现传统的shish-kebab结构;纺丝时间对纳米纤维的结晶结构也具有较大影响,当纺丝时间超过或等于5min时,能够得到UHMWPE的纳米纤维,并且随着纺丝时间的延长,纳米纤维的直径增大,其内部结晶结构也由多重shish-kebab转变为传统的shish-kebab结构;在纺丝过程中,由于UHMWPE的分子链非常长,分子链段在剪切力的作用下沿着流动方向取向形成shish,继而再诱导那些无规的分子链在其上附生结晶形成kebab。
2.仅质量分数为0.8wt%的UHMWPE纳米纤维的引入,却使复合材料的力学性能得到了显著提高,其中屈服强度提高了90%,拉伸强度提高了22%,拉伸模量提高了40%;虽然UHMWPE纳米纤维的引入对复合材料基体的分子链取向和片晶取向均没有产生影响,但却使基体的结晶度、晶区厚度、长周期和晶体完善程度增大,同时在纤维与基体的界面处还形成了界面横晶结构,这均促进了复合材料力学性能的提高。最后我们发现,UHMWPE纳米纤维在复合材料中也可作为异相成核剂,加快基体的结晶速率。