超高分子量聚乙烯纤维增强环氧树脂复合材料的性能研究

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纤维增强复合材料因其优越的性能,广泛的应用于航空航天、军事防御、体育用品等众多领域。其中超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强复合材料因其优异的高比强度、高比模量等性能,在军事防护领域占据主导地位。但由于纤维表面平滑、无功能基团,导致其与树脂基体的界面粘结性差,使得复合材料在使用过程中易出现纤维脱胶和树脂基体开裂等问题,严重限制了其应用。本文通过在两者的界面处形成“桥联”作用、分子间作用和化学键合效应三种途径,来改善纤维与树脂基体之间的界面强度,进而提高纤维增强复合材料整体的性能。在单宁酸-金属Na+络合改性UHMWPE纤维基础上,采用单宁酸共混改性环氧树脂,增强环氧树脂机械性能,并在树脂基体中引入羟基基团。通过纤维表面的单宁酸与树脂基体中的单宁酸在界面处形成“桥联”作用。当单宁酸在树脂基体中的负载量达到1 wt%时,界面剪切强度达到最大值2.22 MPa,相较于原始提高了64.8%,也使纤维增强复合材料的机械性能得到改善。在单宁酸-金属Na+络合改性UHMWPE纤维基础上,采用单宁酸和聚乙烯亚胺功能化的多壁碳纳米管共混改性环氧树脂,成功在树脂基体中引入氨基和羟基官能团。通过纤维表面的羟基与树脂基体中羟基、氨基在界面处产生强氢键作用,提高了纤维与树脂基体界面间的分子间作用力。当M-MWCNTs在树脂基体中的负载量为0.1 wt%时,界面剪切强度达到最大值2.68 MPa,较原始相比提高了67.8%。采用K2S2O8/Ag NO3体系氧化改性UHMWPE纤维,使纤维表面产生大量羧基,后利用酯化反应,在羧基化纤维表面引入环氧基团。当使用胺类固化剂时,氨基与纤维表面的环氧基在界面处通过化学键合紧密结合。通过控制反应时间来改变纤维表面环氧基团的含量,当反应时间为16 h时,界面剪切强度达到最大值3.16 MPa,较原始相比提升了98.1%,显著提高了纤维增强复合材料的性能。
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