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《福州大学》 2005年
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Kevlar纤维增强尼龙6复合材料界面层的设计及其结构性能研究

郑玉婴  
【摘要】:材料各个层次的结构确定了其存在形式,从而确定材料在一定外界条件下的表现,也就确定了它的性能。复合材料的综合性能不仅与增强相、基体相有关,更与两相间的界面有着重要的关系。界面是复合材料极为重要的微结构,它作为增强纤维与基体连接的“纽带”,对复合材料的物理、化学及力学性能有着至关重要的影响。然而纤维/基体树脂的界面一直是纤维增强树脂基复合材料的薄弱环节,因此提高界面结合一直是复合材料研究的热点,具有重要的意义。 本文采用化学方法对Kevlar纤维(KF)进行表面改性,设计不同表面化学性质的KF,并利用改性前后的Kevlar纤维作为增强纤维制备尼龙6/Kevlar纤维(PA6/KF)复合材料,进而设计不同界面性质的PA6/KF复合材料。采用X光光电子能谱分析、红外光谱分析、差示扫描量热法、环境扫描电子显微镜及偏光显微镜等实验手段研究了改性前后KF的表面形貌和化学组成,并进一步探讨了KF表面改性对PA6/KF复合材料的结晶行为、熔融行为、界面结晶效应、力学性能与破坏形态等的影响。 论文选用了两条路线对KF进行改性:采用水解方法,在KF表面引入活性基团-COOH和-NH_2,然后分别对其进行酰氯化、异氰酸酯化改性,并用己内酰胺封端稳定,实现了在KF表面阴离子接枝PA6。 结果表明,用己内酰胺封端稳定化后,使KF表面的接枝聚合物与基体PA6树脂为同类聚合物,二者有充分的相容性。而且极性基团-COOH和-NH_2经酰氯化、异氰酸酯化改性,并用己内酰胺封端稳定化后,可以作为己内酰胺阴离子聚合的助催化剂,通过引发己内酰胺阴离子聚合,实现KF表面的阴离子接枝PA6。酰氯化改性后KF的接枝率较异氰酸酯化的高。 PA6的等温结晶过程主要为成核作用控制,KF的加入对基体PA6起到了异相成核作用,提高结晶速率,其中未改性KF的成核作用较为显著,异氰酸酯改性KF次之;非等温结晶过程中,KF的加入提高了基体结晶的起始温度T_(onset)~c,减小其总结晶时间t_(total);KF的加入同时使PA6的熔融行为发生显著变化;PA6与许多结晶性聚合物一样,在不受阻碍,没有外力的作用下能形成完整的球晶,KF可以诱发横晶的生长,其诱发横晶的能力随着结晶温度T_c的升高而增强,在相同条件下改性KF所诱发横晶的密度及完整程度明显高于未改性的KF。 未改性KF增强PA6复合材料的拉伸破坏呈界面脱粘破坏形态,而改性KF增强PA6复合材料呈部分非界面脱粘破坏,其拉伸强度得到大大提高,弯曲强度和弯曲模量也得到提高,冲击强度反而有所下降。本工作丰富了复合材料的界面层优化设计理论。
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