高强聚乙烯纤维增强复合材料界面地研究-多官能团化合物在界面中的化学键合作用.pdfVIP

高强聚乙烯纤维增强复合材料界面的研究 ——多官能团化合物在界面中的化学键合作用 余木火顾利霞 (中国纺织大学材料学院上海200051) 摘要本文介绍丁用重铬酸钾氧化后的聚乙烯纤维表面上的羧基为反应点，引入多 官能团的胺类醇类化合物。用FTlR光谱、官能团定量分析法，证明了氧化反应和多官能团 化合物在纤维表面的存在。用纤维段在异丙醇水溶液中的沉降百分数，证明丁纤维表面润湿 性的显著改变，同时用这一实验证明了纤维表面极性的不均匀性。这种表面不均匀性可能是 单纤复合材料法测定界面粘台强度结果分散性较大的原因之一。用徽脱法测定了纤维与环 氧树脂的界面粘合性，结果证明在纤维表面引入多胺化合物(胺类环氧固化剂)，可与环氧树 脂形成化学键合点，从而太大提高界面粘合强度。这是一种设计复合材料界面化学键合结构 简便易行的方法。 1引言 高强聚乙烯纤维是继碳纤维、芳纶之后出现的第三代高性能纤维。它不仅是目前高 性能纤维中，比模量、比强度最高的纤维，并且具有耐磨性好、耐冲击性好、耐化学药 品好、不吸水、生物相容性好、电性能好和比重轻等优点；同时由于原料聚乙烯易得，若 大规模应用，其生产成本可望较低；特别是熔体纺丝和原液纺丝技术的应用，更有望大 大降低其生产成本。因此高强聚乙烯纤维增强复合材料是一种在很多领域具有极强竞争 力品种。 然而，由于高强聚乙烯纤维本身由单的亚甲基组成，使得纤维表面不仅没有任何反 应活性点，不能与树脂形成化学键合，而且亚甲基的非极性，加上高倍位伸成形的高度 结晶、高度取向的光滑表面．其表面能极低，不易被树脂润湿，又无粗糙的表面以供形 成机械啮合点。因此高强聚乙烯纤维增强复合材料的界面粘合性成为该复合材料生产过 程中的首要问题。自80年代至今，已有许多研究小组在这方面开展过研究，提出的方法 有：化学氧化法，化学接枝法，辐射接枝法，臭氧氧化法““]。其中等离子体处理法能达 到最好的效果，但其层间剪切强度(1LSS)值仍比碳纤维增强复合材料的水平要低得多， 并且由于等离子体处理设备工业化生产的困难，目前多数工业化的商品只是经过简单的 电晕处理。我们课题组经过系统地研究[6。]，表明严格地控制聚乙烯纤维的氧化条件，能 使纤维强度不会损失太明显；同时可以在纤维表面引入适当的官能团，提高纤维表面的 润湿性、粗糙度和化学键合点，从而改善高强聚乙烯纤维与环氧树脂的粘合性，但界面 粘合强度提高的程度只有2～4倍。若要加深氧化程度，纤维的强度会有很大的损失，这 必将损害复合材料在纤维轴方向上的性能。因此如何既要改善纤维的表面性能，又要保 965 持纤维的强度，一直是纤维增强复合材料界面工作者追求的目标。玻璃纤维用偶联剂进 行表面处理是一个很成功的例子。偶联剂分子与玻璃纤维表面的羟基反应形成化学键合， 而偶联剂分二于：上所带的官能团，如氨基等基团可以与基体树脂起化学键合反应。因此偶 联剂的一端与纤维表面键合，而另一端与基体树脂键合。那么在其它增强纤维，如碳纤 维、芳纶和聚乙烯纤维上能否也有类似的化学键合结构的设计呢?下面是我们在氧化聚 乙烯纤维的表面引入多功能团化合物作为这种桥键分子的实验结果。 2实验部分 将氧化后的HSPE纤维与PCI；的乙醚溶液，在60℃恒温槽中反应20分钟，反应完 后将纤维快速移到乙醚中清洗5分钟，直接将纤维移入反应液中在60℃下反应5小时。 反应液分别：白二乙烯三胺和季戊四醇的DMF溶液。 反应后的纤维用沉降法测定润湿性的变化，用FTIR光谱表征表面官能团的变化，用 亚甲基蓝吸附法测定表面官能团含量的变化，用微粘法(Microbound)测定单纤维与环氧 树脂基体问的界面剪切强度，并测纤维的单丝强力。这些操作详见文献E6～73。 3结果与讨论 高强聚乙烯纤维经重铬酸钾氧化后，由于主链的断裂并进一步氧化成羰基化合物，其 中有很大～部分为羧基官能团，用PCI；很容易将这种表面羧基转化成活性很高的酰氯， 然后与多官艏团的胺类或醇化台物反应，就可将多胺或多醇化合物引入纤维的表厨。这 一过程可用下列方程式表示： PE—COOH P