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溶液浸渍法制备超高分子量聚乙烯纤维增强复合带

作　者: 朱晓峰
导　师: 胡祖明
学　校: 东华大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 溶液浸渍法超高分子量聚乙烯纤维聚丙烯高密度聚乙烯复合带
分类号: TQ342.61
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科技的快速发展,人们对通信网络和信息传输的依赖性日益增加,采用受力结构件对光缆进行保护,以保证通信网络的长期畅通及可靠性是非常必要的。业界为此做了很多努力,包括发明了高强度纤维增强复合加强芯保护光缆。本论文选用具有高强高模轻质特性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维材料,并采用聚丙烯(PP)和高密度聚乙烯(HDPE)为树脂基体,溶解在十氢萘中制成浸渍溶液,利用自制复合带成型机对UHMWPE纤维进行加工,采用常压溶液浸渍和高压溶液浸渍加工工艺分别制成UHMWPE纤维增强复合材料。采用差示扫描量热法(DSC)、广角X-射线衍射法(WAXD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了复合带的热性能、结晶结构和表面形态；利用强力仪和动态力学热分析仪分析了复合带的力学性能,研究并确定最佳工艺条件。由于高温十氢萘对UHMWPE纤维表面的溶解刻蚀作用,随着十氢萘溶液温度的提高,纤维表面开始出现沟槽,界面模糊,粗糙程度变大。随热处理温度的升高,经十氢萘溶液处理过的UHMWPE纤维的熔点和结晶度先上升后下降；常压PP基复合带中UHMWPE纤维的熔点和结晶度随之先上升后下降,PP基体的熔点和结晶度随之降低；高压HDPE基复合带的熔点和结晶度也随之逐渐降低。经十氢萘溶液处理的UHMWPE纤维和复合带中纤维及基体的内部结晶结构没有发生变化,但是晶粒尺寸在逐渐减小。运用Weibull统计方法研究不同工艺条件下制备的复合带的统计应力和形状参数,用以表征复合带的断裂强度及其分散性,可由此得到最佳制备工艺条件。经纯十氢萘处理的UHMWPE纤维的统计应力和分布随处理温度的升高而减小,随卷绕速度的加快而增大。综合考虑复合带的统计应力和形状参数确定：常压溶液浸渍法制备PP基复合带时,PP/十氢萘溶液浓度为20%、热处理温度为125℃和卷绕速度为8mm/s下制备的复合带综合性能最佳；常压溶液浸渍法制备HDPE基复合带时,HDPE/十氢萘溶液浓度为5%、热处理温度为125℃和卷绕速度为8mm/s下制备的复合带综合性能最佳；而高压溶液浸渍法制备HDPE基复合带时,HDPE/十氢萘溶液浓度为8%、真空罐压力为50kPa、热处理温度为125℃和卷绕速度为400mm/s下制备的复合带综合性能最佳。在制备复合带的过程中,树脂基体将纤维束粘合在一起,避免了UHMWPE纤维束受拉伸时因单丝张力不匀而导致纤维强度的下降,使复合带的实际强度高于其理论强度。随着外加载荷水平的提高,复合带相应的蠕变量均随之增大,但总体伸长率保持在较低的水平,而且高压HDPE基复合带的抗蠕变性能优于常压PP基复合带。根据动态力学性能测试结果,当常压PP/十氢萘溶液浓度为20%、高压HDPE/十氢萘溶液浓度为8%时,复合带的粘接效果最好。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-26
  1.1 前言  13
  1.2 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维  13-14
  1.3 UHMWPE纤维增强复合材料的加工工艺  14-17
    1.3.1 溶液浸渍技术  14-15
    1.3.2 熔体浸渍技术  15-16
    1.3.3 粉末浸渍技术  16
    1.3.4 其他浸渍技术  16-17
  1.4 UHMWPE纤维表面改性技术  17-21
    1.4.1 界面胶接理论  17-18
    1.4.2 表面处理  18-21
  1.5 UHMWPE纤维增强复合材料树脂基体  21-24
    1.5.1 用于防弹的UHMWPE纤维复合材料基体  21-22
    1.5.2 用于受力结构件的UHMWPE纤维复合材料基体  22-23
    1.5.3 用于绳索的UHMWPE纤维复合材料基体  23-24
  1.6 本论文的意义和主要研究内容  24-26
第二章十氢萘处理UHMWE纤维结构性能的研究  26-38
  2.1 经十氢萘溶液处理的UHMWPE纤维的制备  26-27
    2.1.1 实验原料  26
    2.1.2 实验设备  26-27
    2.1.3 不同实验条件下纤维束的制备  27
  2.2 测试  27-28
    2.2.1 差示扫描量热法(DSC)测试  27
    2.2.2 广角X-射线衍射法(WAXD)测试  27
    2.2.3 强度测试  27-28
    2.2.4 扫描电子显微镜(SEM)测试  28
    2.2.5 单丝拔出测试  28
  2.3 结果与讨论  28-37
    2.3.1 十氢萘对UHMWPE纤维处理工艺的研究  28-32
    2.3.2 十氢萘处理对UHMWPE纤维热性能的影响  32-33
    2.3.3 十氢萘处理对UHMWPE纤维结晶性能的影响  33-35
    2.3.4 十氢萘处理对UHMWPE纤维表面微观结构的影响  35-37
  2.4 本章结论  37-38
第三章聚丙烯基UHMWPE纤维增强复合带的制备及性能研究  38-57
  3.1 PP基UHMWPE纤维增强复合带的制备  38-39
    3.1.1 实验原料  38
    3.1.2 PP/十氢萘溶液的制备  38
    3.1.3 常压法浸渍法制备PP基UHMWPE纤维增强复合带的实验设备  38
    3.1.4 不同实验条件下纤维束的制备  38-39
  3.2 测试  39
    3.2.1 差示扫描量热法(DSC)测试  39
    3.2.2 广角X-射线衍射法(WAXD)测试  39
    3.2.3 强度测试  39
    3.2.4 蠕变测试  39
    3.2.5 动态力学性能(DMA)测试  39
    3.2.6 扫描电子显微镜(SEM)测试  39
  3.3 结果与讨论  39-56
    3.3.1 常压法PP基UHMWPE纤维增强复合带制备工艺的研究  39-43
    3.3.2 复合带理论强度预测与实际强度分析  43-47
    3.3.3 常压法PP基UHMWPE纤维增强复合材料的热性能分析  47-50
    3.3.4 常压法PP基UHMWPE纤维增强复合材料的结晶性能分析  50-51
    3.3.5 蠕变性能研究  51-52
    3.3.6 复合带的动态力学性能研究  52-56
  3.4 本章结论  56-57
第四章高密度聚乙烯基UHMWPE纤维增强复合带的制备及性能研究  57-74
  4.1 HDPE基UHMWPE纤维增强复合带的制备  57-58
    4.1.1 实验原料  57
    4.1.2 HDPE/十氢萘溶液的制备  57
    4.1.3 常压法浸渍法制备HDPE基UHMWPE纤维增强复合带的实验设备  57
    4.1.4 高压法浸渍法制备HDPE基UHMWPE纤维增强复合带的实验设备  57-58
    4.1.5 不同实验条件下纤维束的制备  58
  4.2 测试  58-59
    4.2.1 差示扫描量热法(DSC)测试  58
    4.2.2 广角X-射线衍射法(WAXD)测试  58
    4.2.3 强度测试  58
    4.2.4 蠕变测试  58-59
    4.2.5 动态力学性能(DMA)测试  59
    4.2.6 扫描电子显微镜(SEM)测试  59
  4.3 结果与讨论  59-73
    4.3.1 常压法HDPE基UHMWPE纤维增强复合带工艺的研究  59-62
    4.3.2 高压法HDPE基UHMWPE纤维增强复合带工艺的研究  62-66
    4.3.3 复合带理论强度预测与实际强度分析  66-68
    4.3.4 高压法HDPE基UHMWPE纤维增强复合材料的热性能分析  68-69
    4.3.5 高压法HDPE基UHMWPE纤维增强复合材料的结晶性能分析  69-70
    4.3.6 蠕变性能研究  70-71
    4.3.7 复合带的动态力学性能研究  71-73
  4.4 本章结论  73-74
第五章全文结论  74-76
参考文献  76-81
致谢  81-82
硕士研究生在校期间发表相关论文  82

溶液浸渍法制备超高分子量聚乙烯纤维增强复合带

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