熱固型環(huán)氧樹脂對UHMWPE短纖紗織物的復(fù)合滲透研究

黃 強(qiáng)，宋新惠

(1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇蘇州 215006)

超高分子量聚乙烯纖維，英文縮寫UHMWPE，是一種強(qiáng)度與碳纖維、芳綸纖維不相上下的高性能纖維，同時(shí)具有密度小( 密度為0.97 g/cm3) 、耐化學(xué)腐蝕、耐沖擊、不吸水、耐低溫、抗紫外線等優(yōu)越性能。因此UHMWPE纖維是用于制備高強(qiáng)復(fù)合材料很好的增強(qiáng)材料。UHMWPE纖維因其優(yōu)異性能和增強(qiáng)優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用在眾多領(lǐng)域[1-4]。但是UHMWPE纖維存在熱變形溫度低、易燃、耐蠕變性能差、表面硬度低、纖維表面活性低等缺點(diǎn)，這些性能缺陷在一定程度上限制了UHMWPE纖維的應(yīng)用及發(fā)展[5-8]。

UHMWPE在化學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)不活潑。高度對稱的非極性亞甲基形成的線性長鏈結(jié)構(gòu)，使得纖維具有很高的結(jié)晶度和取向度，缺乏極性基團(tuán)，且纖維分子間沒有較強(qiáng)的分子間作用力，在生產(chǎn)中經(jīng)高倍拉伸形成的高度結(jié)晶和高度取向?qū)е卤砻婀饣?，纖維表面呈化學(xué)惰性和疏水性，難以與樹脂形成化學(xué)結(jié)合。這些因素的共同作用使纖維的表面能很小，用作復(fù)合材料的增強(qiáng)材料時(shí)難以與基體樹脂形成良好的界面粘接。所以，纖維與樹脂難浸潤就成為了UHMWPE纖維在復(fù)合材料制造中最大的問題。此外，還存在著熔體流動(dòng)速率(MFR)極低(接近于0)、熔點(diǎn)高(190 ℃～210 ℃)、表面硬度低、熱變形溫度低、彎曲強(qiáng)度和耐蠕變性較差、抗磨粒磨損能力低等不利于制成復(fù)合材料的性能缺點(diǎn)。將其作為污水處理材料時(shí)，還存在吸水性差、易帶靜電、抗污染性能差等缺點(diǎn)[9-10]。

相關(guān)文獻(xiàn)提出了對UHMWPE纖維表面進(jìn)行物理和化學(xué)改良處理。溶脹結(jié)晶法、電暈改質(zhì)處理、填充共混等物理方法主要是將UHMWPE纖維與其他一種或多種物料通過機(jī)械方式進(jìn)行共混，使纖維表面產(chǎn)生凹凸不平的表面粗糙效應(yīng)，以此來增加纖維與樹脂之間的力學(xué)嚙合能力，并增大纖維表面與樹脂相結(jié)合的實(shí)際接觸面積，從而提高了纖維與樹脂基體的粘結(jié)強(qiáng)度[11-12]。

化學(xué)處理是為了讓纖維表面產(chǎn)生能與樹脂基體發(fā)生反應(yīng)的活性基團(tuán)，主要包括了化學(xué)交聯(lián)和輻射交聯(lián)兩種。其中化學(xué)交聯(lián)是采用引發(fā)劑直接引發(fā)單體在纖維表面的接枝，而輻射交聯(lián)是通過輻射引發(fā)纖維表面的第二單體進(jìn)行接枝聚合，并產(chǎn)生能夠與基體緊密結(jié)合的緩沖層，從而改善纖維與基體界面的粘結(jié)性。常見的化學(xué)處理方法主要有硅烷偶聯(lián)劑交聯(lián)、酸腐蝕交聯(lián)、過氧化物交聯(lián)、輻射接枝處理、等離子處理等[13-16]。

本文以UHMWPE短纖維紗機(jī)織物為增強(qiáng)材料，對其作一種或二種改性處理，采用真空滲透制成熱固型環(huán)氧樹脂/UHMWPE復(fù)合板，通過體積占比和質(zhì)量占比測算，研究樹脂對增強(qiáng)材料的滲透性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料制備

1.1.1 UHMWPE紗織物制備

選用線密度1.21 dtex、長度38 mm的UHMWPE短纖維制成的紗線作經(jīng)緯，按表1所示規(guī)格在小型劍桿試樣織機(jī)上制成平紋組織機(jī)織物。

表1 UHMWPE紗織物及其改性方案

按表1對織物進(jìn)行改性處理。處理前，先采用丙酮+超聲處理3～5 h(每隔1 h翻樣一次)，蒸餾水清洗，70 ℃烘燥10 h。平均清除雜質(zhì)0.55%，經(jīng)向收縮1.50%，緯向收縮1.12%。

(1)H2O2氧化改性：按質(zhì)量比H2O2∶水=50∶50配置溶液，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% ，密度按 1.11 g/cm3計(jì)。樣布置于溶液中超聲振蕩3 h(每隔 30 min翻樣一次)，水洗5～10次，70 ℃烘燥10 h。

(2)H2O2氧化+偶聯(lián)劑接合改性：先按上述方法對樣品氧化改性，再選用KH550偶聯(lián)劑和乙醇(C2H5OH)，按質(zhì)量比偶聯(lián)劑∶乙醇=5∶95配置混合溶液，其中KH550偶聯(lián)劑密度按0.946 g/m3計(jì)、乙醇密度0.789 g/m3計(jì)。樣布置于溶液中超聲振蕩3 h(每隔30 min翻樣一次)，水洗5～10次，然后70 ℃烘燥10 h。

(3)電暈改性：電暈電壓15 kV，樣品正反面各電暈6次。

1.1.2 復(fù)合板條樣制備

(1)選用熱固型環(huán)氧樹脂，按質(zhì)量比為100∶27配置環(huán)氧樹脂/固化劑混合液?；旌弦赫{(diào)勻，靜置 5 min以上，無氣泡。

(2)將上述織物剪成方向、大小相同的樣品。將4塊同號(hào)樣品對齊、上下疊合。

(3)采用真空吸液法，使混合液緩慢、充分滲入疊合樣品中。一次滲透試驗(yàn)控制在45～60 min。

(4)完成滲透后，在樣布上方放置一塊20～ 30 cm見方的鋼板，再加重力砝碼20～40 kg，時(shí)間12 h。

(5)揭去樣品表面的分離布，重新覆上四氟乙烯薄膜和鋼板，熱壓機(jī)軋壓，壓力20 MP，溫度50 ℃，時(shí)間3～5 h。

(6)將復(fù)合板切割成120 mm×15 mm的條樣，并在給濕研磨機(jī)上將四邊磨平。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)復(fù)合板面密度Ps測算：制備復(fù)合板之前，先測量并按公式(1)計(jì)算織物樣品的面密度Ps，g/cm2，樣號(hào)X1-4、X2的電暈處理有時(shí)效性，織物樣品的Ps按改性前計(jì)算。

(1)

式中：M1為樣品質(zhì)量，g；l1、b1分別樣品長、寬尺寸，cm。

(2)復(fù)合板條樣面積S、體積V測算：測取復(fù)合板條樣長度l2、寬度b2、厚度h2，測試次數(shù)為3～5，取平均值，分別按公式(2)、公式(3)計(jì)算條樣面積S，cm2和體積V，cm3。

S=l2×b2

(2)

V=l2×b2×h2

(3)

式中：l2、b2、h2分別為復(fù)合板條樣長度、寬度和厚度，cm。

(3)復(fù)合板條樣中UHMWPE纖維質(zhì)量M′與體積V′計(jì)算：按公式(4)計(jì)算條樣中UHMWPE纖維的質(zhì)量M′,g。按公式(5)計(jì)算條樣中UHMWPE纖維所占體積V′,cm3。

M′=Ps×S

(4)

式中：Ps為復(fù)合板面密度g/cm2;S為復(fù)合板條樣面積,cm2。

(5)

式中：G′為樣品質(zhì)量,g;Pv為UHMWPE纖維的單位體積質(zhì)量，按0.97g/cm3計(jì)。

(4)復(fù)合板中環(huán)氧樹脂體積占比εv、質(zhì)量占比εM測算：按公式(6)計(jì)算復(fù)合板中UHMWPE纖維的體積占比εV。測量條樣質(zhì)量M，測試次數(shù)為3～5，取平均值，按公式(7)計(jì)算復(fù)合板中UHMWPE纖維的質(zhì)量占比εM。

(6)

式中：V′為復(fù)合板條樣中UHMWPE纖維體積,cm3；V為復(fù)合板條樣體積,cm3。

(7)

式中：M′為復(fù)合板條樣中UHMWPE纖維質(zhì)量，g；M復(fù)合板條樣質(zhì)量,g。

2 結(jié)果與討論

織物樣品經(jīng)處理制成復(fù)合板條樣后相關(guān)測試與計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

2.1 不同化學(xué)改性處理對UHMWPE織物的影響分析

從表2中UHMWPE織物面密度Ps值可以看出：

(1)H2O2氧化改性：Ps值由X1-1的0.0708 g/cm2下降為X1-2的0.0676 g/cm2，下降率為4.52%，說明氧化處理對纖維產(chǎn)生了一定的腐蝕作用;

(2)H2O2氧化+K550偶聯(lián)劑接合改性：Ps值由X1-1的0.0708 g/cm2上升為X1-3的0.0717 g/cm2，若氧化部分的下降率按4.52%計(jì)，接合率為6.07%，說明先氧化后接合偶聯(lián)劑產(chǎn)生了一定接合效果。

2.2 不同改性處理對環(huán)氧樹脂體積占比的影響分析

從表2中復(fù)合板的環(huán)氧樹脂體積占比εV值可以看出：

(1)H2O2氧化改性：εV值由X1-1的56.28%上升為X1-2的58.00%，上升率為3.09%，說明H2O2氧化對提高樹脂體積滲透有一定效果。

(2)H2O2氧化+K550偶聯(lián)劑接合改性：εV值由X1-1的56.28%上升為X1-3的59.00%，上升率為4.87%，與單獨(dú)用H2O2氧化的3.09%相比，滲透效果比較明顯。

(3)電暈改性：比較X1-1的εV值56.28%和X1-4的56.56%，基本接近，說明通過電暈提高樹脂體積滲透的效果不明顯。

2.3 不同改性處理對環(huán)氧樹脂質(zhì)量占比的影響分析

從表2中復(fù)合板的環(huán)氧樹脂體積占比εM值可以看出：

(1)H2O2氧化改性：εM值由X1-1的58.68%上升為X1-2的62.37%，上升率為6.29%，說明H2O2氧化達(dá)到提高樹脂質(zhì)量滲透有較明顯效果。

(2)H2O2氧化+K550偶聯(lián)劑接合改性：εM值由X1-1的58.68%上升為X1-3的62.16%，上升率為5.93%，與單獨(dú)用H2O2氧化相比，反而下降了，說明偶聯(lián)劑接合并不能提高樹脂的質(zhì)量滲透。

(3)電暈改性：比較X1-1的εM值58.68%和X1-4的59.85%，基本接近，說明通過電暈提高樹脂質(zhì)量滲透的效果不明顯。

2.4 織物增厚對樹脂滲透的影響

復(fù)合板條樣X1-1的Ps、εM和εM分別為 0.0708 g/cm2、56.26%和58.68%，復(fù)合板條樣X2的Ps、εV和εM分別為0.1283 g/cm2、46.45%和45.90%，X2條樣增厚了81.21%，但體積滲透率和質(zhì)量滲透率分別下降了17.44%和21.78%，顯然UHMWPE織物增強(qiáng)層的增厚，顯著降低了樹脂的滲透。

3 結(jié)論

(1)采用H2O2對UHMWPE織物有一定的氧化腐蝕作用，一定程度上有利于偶聯(lián)劑的接合；

(2)H2O2氧化+K550偶聯(lián)劑接合改性對樹脂的體積滲透效果最為顯著，但質(zhì)量滲透不如直接H2O2氧化改性；

(3)電暈改性不能提高環(huán)氧樹脂對UHMWPE織物的滲透；

(4)織物增厚反而降低樹脂的滲透，因此理論上采用多層薄型UHMWPE織物更有利于樹脂的滲透。

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