等离子体处理后UHMWPE纤维与LDPE复合材料的性能.pdf

第2 8 卷第9 期 2 咖年9 月 纺织学报 J o 啪d0 f1 h t i l eR e s e a r c h V o J 2 8N o9 s e D2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 9 0 0 5 7 0 4 等离子体处理后U I m W P E 纤维 与L D P E 复合材料的性能 姜生 ( 南通纺织职业技术学院纺染系，江苏南通2 2 6 0 0 7 ) 摘要为了改善超高分子量聚乙烯纤维的界面性能，对其进行介质阻挡放电氲等离子体处理以进行表面改性。 将等离子处理前后的超高分子量聚乙烯纤维分别与低密度聚乙烯基体制成相同体积比的复合材料对试样进行 纵、横向拉伸性能的测试探讨经等离子体处理前后复合材料的界面性能。测试结果表明：经氩等离子体处理后纤 维的黏舍性能得到了较为显著的提高。 美键词超高分子量聚乙烯纤维；等离子体处理；表面改性；复台材料；界面性能 中囤分类号：呻3 2 7 1 1 ；T 0 3 1 66 7文献标识码：A P 叩r t i e so fp l a s m at r e a t e dU H M W P E ，L D P Ec o m p o s i t e s J I A N GS h e n g ( 毋邮mo ，7 胁如砌咖啦，讹咖昭池口咖槲m 聊妇yc 。f 垤e ，咖昭五。咿2 2 6 0 0 7 ，帆砒) A b s t r a c II no r d e r t oi m p r o v eu l t m h i g hm o l 咖l a rw e i g h p o l y e t h y l e n e ( u H M w P E ) 胁e r si I l t e 南c i a l p r o p e 击e s ，s u r f a c em o d m c a t i o no fU H M W P Ef i b e 瑁w 鹊d o n eb ya r g o np l a s n l am e t l l o do fd i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ，T h ew 唧一w i s e 粕d6 l l i n g - 诵s et e n s d ep r o p e r t i e s0 ft l l et r e a t e da n du n t r e a t e dU H M W P E ，【D P Ew e r e c o 呷a m dw i t ht 1 1 0 s e 0 fL D P Ec o m p o s i t e0 f8 a m ev o l u m ef m c t i o nr e s p e c t i v e l y I tw a 8f “n dt l l a ta d h e s i v e p 。叩e 啊“t m a t e dU H M W P Em 町w 聃e n h a c e ds i g n i 矗c 锄t l y ，a n di t si n t e 出c ep m p e n yw 聃s t l J d i e d K e yw o r d su h m h i g l lr 1 e c I l l a rw e i 曲tp 0 1 ”山y l e n e6 b e r ； p l 船m at f e a t m e n t ； s u d h c en l o d i 6 c a t i o n ； c o m p i t e ；i n t e r f 且c i a lP m p e n y 超高分子量聚乙烯( u H M w P E ) 纤维具有非极性 的亚甲基线性长链结构，具有其他纤维所无法比拟 的抗冲击性、耐化学腐蚀性，与生物相容性好，不吸 水，耐低温性和电绝缘性优良。由凝胶法结合超倍 拉伸技术而得的u H M w P E 纤维，形成了高度结晶、 高度取向，从而赋予其高强、高模、高耐磨性能等优 点。又由于u H M w P E 纤维的密度特别小( 仅为 O 9 7 c m 3 ) ，所以纤维比强度、比模量特别大，这在 复合材料的应用领域是相当重要的。u H M w P E 纤 维熔点低( 1 4 5 左右) ，其加工温度一般在1 3 5 以 下。纤维材料及复合材料加工时对温度的敏感性大； 纤维表面没有任何活性点，且经高倍拉伸作用纤维 表面相当光滑，故纤维难与树脂形成化学结合；另 外，高度取向、高度结晶进一步加剧了纤维的各向异 性，使得由纤维横向形成的复合材料在较小的负荷 作用下就会产生失效。如何提高纤维与各种树脂的 界面黏合性能就成了u H M w P E 纤维复合材料生产 过程中关注的主要问题。 本文在文献 2 3 的基础上对经等离子体处理 前后的u H M w P E 纤维与L D P E 复合材料的性能进 行研究，从而分析低温常压氩等离子体处理对 u H M w P E 纤维界面性能的改善情况。 1 试验 1 1 原料与仪器 超高分子量聚乙烯纤维，纤维规格 1 8 6 7t e x ，2 0 0 f ，密度O 9 7g ，c 矗，熔体流动温度 收稿日期：2 0 0 6 一1 0 0 8修回日期：2 0 0 6 一1 2 2 8 基金项目：江苏省指导性自然科学基金项目( J 2 0 0 5 2 ) 作者筒介：姜生( 1 9 7 l ) ，男讲师，博士生。主要研究方向为纺织新原料和复合材料。E m 止I ：j i 8 n g s h e n 萨4 3 7 1 2 6c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 纺织学报第2 8 卷 1 4 9 ，浙江宁波大成新材料股份有限公司生产；经 常压低温氩等离子体最优工艺处理的超高分子量聚 乙烯纤维；L D P E 薄膜，厚度O 0 5m m ，密度 O9 2g ，c m j ，熔体流动温度1 0 5 ；平板硫化机压力 0 5M P a ，可模压的最大尺寸5 0 0m m ×5 0 0m m ，电 加压方式，由上海大中华橡胶机械公司生产；强力测 试装置为s a n s 电子多功能试验机c M T 5 2 0 4 ，甘肃三 水三思有限公司生产，最大拉伸力2 0k N ，精度等级 0 5 级；K h 一1 0 0 0 型三维视频显微镜，美国科枧达公 司生产。 1 2 样品制备 首先在不锈钢芯板的两面贴上聚四氟乙烯防黏 布，以防止在热压过程中基体与芯板发生黏合，保证 样品成形良好；其次在两面的聚四氟乙烯防黏布上 覆盖若干层聚乙烯薄膜，然后在芯板上用手工方法 缠绕纤维，在缠绕过程中纤维要保持较大的张力，以 使纤维紧贴于芯板上，防止纤维在热压中产生过分 的收缩，同时也可防止纤维在热压过程中由于基体 的流动而发牛原有位置的变动，造成复合材料某些 区域的纤维体积比火，某些区域的纤维体积比小的 情况，同时纤维张力要力求均匀，以保证复合材料在 单一方向上性能均匀；纤维缠绕后再在其上覆上一 定数量的薄膜，最后在薄膜外再覆上聚四氟乙烯防 黏布，用2 块压板压住，如图1 所示。然后按各自的 工艺要求“。1 ( 见表1 ) 与聚乙烯薄膜在平板硫化机 l 完成模压成型，取出冷却后从中间割开，再在两纤 维面中加入L D P E 至规定的体积比，再模压形成复 合材料。 圉1 半成品制备示意图 F i g 1S c h e m a t i ed i 8 9 r a mo fh a l 6 n i s h e dp 。州u c tp r e p a m t i o n 表lU H M w P E ，L D P E 模压成型工艺 T a b 1 M 呷l d i | gp r o c e s so fU l n 柙，P E ，【D P E 蚰m p 蚺i t e s 1 3 测试方法 参照G B ，T3 3 5 4 1 9 9 9 定向纤维增强塑料拉伸 性能试验方法和G 刚T1 4 4 6 1 9 8 3 纤维增强塑料 拉伸性能试验方法确定拉伸试样尺寸，见表2 。 表2 拉伸试样尺寸 T a b 2 S j z eo fs t r e t c ht e s ts p e c i m e m m m 2 结果与分析 2 1 复合材料纵向拉伸 拉伸速度为2m m ，m j n ，氩等离子体处理前后的 u H M w P E 纤维与L D P E 复合材料的纵向拉伸应 力一应变曲线如图2 所示。 图2 纤维复合材料纵向拉仲应力一应变曲线 F i g2k 。g l h w j s es ”s t r a i nc u r v e so f6 b e r 。o 口o ：l 【e s 由图2 可知，未处理纤维制成的复合材料在起 始阶段曲线上有一曲折存在，这一曲折的应力高于 基体材料的应力，说明负荷已通过基体传递给纤维， 是由少量的缺陷纤维发生断裂而形成的，但经等离 子体处理过的纤维制成的复合材料则没有这种现 象，说明处理后纤维由于粗糙度和刻蚀浅坑的存 在”。，弥补了这一不足。随着负荷的增加，2 种复 合材料在负荷作用下，基体将受到的作用力传递给 纤维，这时由于纤维成了承受负荷的主体，界面并未 发生作用，所以2 条曲线完全吻合，且复合材料在这 一阶段呈现符合虎克定律的弹性形变。当负荷增加 到一定程度时，此时复合材料达到屈服点，界面开始 起作用，未处理纤维制成的复合材料由于界面黏合 性能差，造成纤维与基体的脱黏、分层和劈裂，继而 纤维束中的部分纤维断裂，负荷全部集中在未断裂 的纤维上，复合材料迅速破坏；由等离子体处理后纤 维制成的复合材料的表面其黏结性能得到了一定的 改善。从拉伸曲线上可以看出复合材料是当负荷达 到一定时复合材料在瞬时解体破坏，但处理前的要 比处理后的应力值小约1 0 ；同时利用拉伸测试数 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第9 期姜生：等离子体处理后u H M w P E 纤维与L D P E 复合材料的性能 。5 9 · 据计算可得：未处理纤维复合材料的纵向断裂比功 为1 0 8G P a ，而处理后纤维复合材料的纵向断裂比 功为1 7 4 4G P a ，这说明处理后纤维的界面黏结性能 得到了改善。图3 是由处理前后纤维制成的复合材 料的纵向拉伸破坏断口显微照片。 图3处理前后U H M W P E L D P E 纵向拉伸 破坏断口显微照片 F i g 3L o n g i t u d i n a lt e n s i o nf a i l u r ef h c t u r em i c r 0 铲印h o fu H M w P E ，L D P E ( a ) a n dt r e a t e du H M w P E ，L D P E ( b ) 从图3 ( a ) 中可以看出，未处理纤维所制成的复 合材料在拉伸中主要表现为基体破坏、界面分层和 纵向的劈裂，断开处纤维与基体完全分离，说明纤维 与基体L D P E 的黏合性能差，当负荷达一定值时，基 体受到的作用力不能及时地向纤维传递造成这种断 裂特征。从图3 ( b ) 中看出，由等离子体处理后纤维 制成的复合材料主要表现为纤维的断裂破坏，断口 中也有部分纤维从基体中抽出的情况，但要比前者 少得多，这主要是由于处理后纤维与基体所形成的 黏合性能有所改善所致。 2 2 复合材料横向拉伸与分析 拉伸速度为2m 耐m i n ，由等离子体处理前后纤 维做成的复合材料横向拉伸均表现为韧性断裂特 征，拉伸曲线相仿，强度较低，伸长较大，屈服后会有 一段平台，也就是负荷基本不变，伸长持续增加，拉 伸过程中均未出现类似于基体材料拉伸中的“细颈” 现象。氩等离子体处理前后u H M w P E 纤维与L D P E 复合材料的横向拉伸应力一应变曲线如图4 所示。 图4 纤维复合材料横向拉伸应力一应变曲线 F i g 4 C m s s w i s es t r e s s s t r a i nc u n r e so ff i b e rc o m p o s i t e s 从图4 可以看到：不管处理与否，在拉伸的起始 段复合材料基本上是由基体在起作用，所以这部分 曲线是相互重叠的；随负荷的增加，基体将受到的作 用力传递给纤维与基体的界面时，界面和基体共同 承担负荷，由于处理前、后纤维与基体界面黏结强度 的差异，2 条曲线出现了分离，各自经一段屈服后的 平台。当持续拉伸，从图4 和基体L D P E 拉伸应力一 应变曲线图5 ( 图5 中的应力是在不考虑L D P E 在拉 伸过程中产生细颈时假想的应力，真实的应力远大 于图中的值) 中可以看出，复合材料的横向拉应力均 比基体的断裂应力小时，复合材料均发生了破坏，说 明不管处理与否，所制成的复合材料横向拉伸破坏 是由纤维基体的界面强度所决定的，且黏结强度远 小于基体强度。等离子体处理后纤维复合材料的拉 伸应力比未处理的大。同时利用拉伸测试数据计算 可得：未处理纤维复合材料的横向断裂比功为 1 1 2 3 9M P a ，而处理后纤维复合材料的横向断裂比 功为1 5 8 9 5M P a ，说明等离子体处理改善了纤维的 界面黏结性能。 图5L D P E 拉伸应力一应变曲线 F i g 5 S f r e s s s m 打nc u n ，e s0 fU ) P Ec o m p o s i t e s 图6 是纤维复合材料的横向拉伸破坏断口显微 照片。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 6 0 · 纺织学报第2 8 卷 与基体的脱黏，从而断裂应力均比基体的破坏应力 低，但处理后纤维的复合材料断口的部分黏连表明 处理后纤维的黏结性能得到了改善。 3 结论 u H M w P E 纤维在未经处理前由于其本身的特 点纤维增强材料中纤维与基体的黏合性能很差，无 法形成良好的界面，影响了这种高性能纤维在复台 材料中的应用。经等离子体处理后纤维表面形成浅 坑及纤维表面粗糙度增加，从而使纤维增强复合材 料的性能得到了较大的改善，说明常压介质阻挡放 电氩等离子体处理纤维是改善纤维界面性能的一种 有效的方法，可以使u H M w P E 纤维获得更好的 应用。 参考文献： 1 蔡忠龙，冼杏娟超高模聚乙烯纤维增强复合材 料 M 北京：科学出版社，1 9 9 7 2 姜生，晏雄，唐晓亮，等介质阻挡放电氩等离子体处 图6 处理前后u H M w P E ，L D P E 横向拉 理超高相对分子量聚乙烯纤维 J - 东华大学学报：自 伸破坏断口显微照片 然科学版，2 0 0 5 ( 6 ) ：1 1 5 1 1 8 F i E 6c 阳。s w 豳k 。i 。如，l u r eh a c l 呲m m g 阻n h 3 姜生，晏雄，蔡永东·常压氩等离子体改善超高分子量 dL 蒜w P E ，皿P E ( a ) a n d a t e du H M w P E ，L 赢( b ) 聚乙烯纤维界面性能的研究 J 纺织学报。，2 0 0 6 ，2 7 圈6 ( a ) 中复合材料的拉伸断口纤维与基体基 4 张慧萍，庄兴明，晏雄聚乙烯自增强复合材料的制备 本是完全分离的；图6 ( b ) 中的断口则是部分纤维完 及力学性能 J ·高分子材料科学与工程，2 0 0 4 ( ”： 竺璧妻：篓妻i 登茳慧篓妻黄芝氅篓竺竺塞 ， 誓菜# 阿，肌复合材料的制备与界面性能的研 前后纤维复合材料的横向拉伸破坏主要表现为纤维 芜 毛 ：二菇：东霉凳莩j 2 二；：孟 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark