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纳米粒子改性高强高模聚乙烯纤维的研制

栾秀娜  
【摘要】: 超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维具有许多卓越的性能,被广泛地应用在工业及一些特殊领域。但UHMWPE纤维还存在很多不足之处,从而限制了纤维在复合材料领域中的应用,所以对UHMWPE纤维进行改性成为必要。 近年来,纳米材料的新用途不断被开发出来,用纳米材料对复合材料进行改性成为研究的热点。本课题借鉴纳米材料可增强增韧塑料的思想,将纳米材料应用到UHMWPE纤维中,对UHMWPE纤维进行改性。 本论文首先研究了纳米粒子的表面处理工艺,确定了最佳的偶联剂种类和用量。实验表明经过3wt%钛酸酯偶联剂处理的纳米粒子的分散性最佳,处理后纳米粒子在UHMWPE纤维基体中的平均尺寸为50nm左右,基本没有大的团聚体存在。 将经表面处理后的纳米粒子分散在矿物油中,然后加入UHMWPE粉末和抗氧剂,经高温溶胀、溶解后制得分散有纳米粒子的UHMWPE溶液。实验表明,纳米粒子的加入对溶液粘度和UHMWPE的结晶性能均有影响,由于纳米粒子和PE大分子及溶剂间有强烈的相互作用,使溶液粘度及粘流活化能均随纳米粒子的加入量的增加而增加。纳米粒子和抗氧剂的添加对UHMWPE的结晶形态都没有影响,但加入抗氧剂后UHMWPE的结晶度变大,晶粒尺寸变小,而纳米粒子的加入使UHMWPE的结晶度变小,晶粒尺寸变大。 由于相分离而使UHMWPE冻胶纤维中存在着疏松的网络结构,经萃取后会在纤维中形成许多贯穿的纳米或微米级的微孔,使纳米粒子能扩散进入纤维中。本论文将纳米粒子分散在萃取剂中,用此复合萃取剂对UHMWPE冻胶纤维进行萃取,制成了纳米粒子均匀分散的UHMWPE纤维。与溶解阶段加入纳米粒子相比,在萃取阶段加入纳米粒子,由于UHMWPE冻胶纤维内微孔尺寸的限制,纤维内没有较大尺寸的纳米粒子团聚体存在。无论纤维中溶剂存在与否,将UHMWPE冻胶纤维置于分散有纳米粒子的萃取液中一定时间,纳米粒子均可扩散进入UHMWPE冻胶纤 维,且冻胶纤维对纳米粒子有较强的吸附作用。纳米粒子的加入使 UHM队于E冻胶纤维的萃取除油速率变慢,超声可加快纳米粒子扩散进入纤 维的速度,同样,超声可加速纤维中溶剂的萃取去除。 采用萃取加入的方式制成了纳米粒子均匀分散的UHM认甲E干冻胶纤 维,然后经过多级热拉伸,制成纳米粒子改性UHM从甲E纤维。研究了拉 伸过程中纤维的结构和性能的变化,及纳米粒子的加入对纤维结构性能的 影响,讨论了纳米粒子对Ul.D才W甲E纤维的改性机理。结果表明:①随拉 伸的进行,UHM筋胭E纤维的力学性能、结晶度、取向度均大大提高,而晶 粒尺寸逐渐变小。②用纳米粒子改性后,纤维强度基本不变,模量大大提 高,断裂伸长有所减小。⑧纳米粒子的加入对纤维的取向度、结晶度基本 没有影响,而纤维的晶粒尺寸大大降低。④改性后,纤维的平衡熔点和熔 融再结晶温度有较大提高,同时,纤维热力学性能得到较大改善。 本论文的创新点在于: ①寻求到一种全新的在萃取阶段加入纳米粒子的方法,制得了纳米粒 子均匀分散的UHM认TE纤维。 ②纳米粒子对1几孙才认甲E纤维改性后,在纤维力学强度基本不变的情 况下,使纤维的模量大大增加,并大大改善了纤维的热性能和热力学性能。


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