三维编织PE_UHMW纤维增强PMMA复合材料的力学性能研究.pdf
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1、三维编织PE2UHMW纤维增强PMMA复合材料的力学性能研究张玉朵,王玉林,黄 远,万怡灶3(天津大学材料科学与工程学院,天津300072)摘 要:采用真空浸渍法制备了三维编织超高相对分子质量聚乙烯(PE2UHMW3D)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合材料,重点研究了该复合材料的力学性能、纤维体积含量对复合材料力学性能的影响以及吸湿前后力学性能的对比。研究表明,PE2UHMW3D/PMMA复合材料具有较好的冲击强度。纤维经表面处理后,其弯曲强度、弯曲模量、横向和纵向剪切强度均有不同程度的提高,冲击强度略有下降。随着纤维体积含量的增加,横向剪切强度增加,纵向剪切和弯曲强度增加到一定程度反而下降
2、。吸湿平衡后的力学性能有所下降。关 键 词:三维编织超高相对分子质量聚乙烯纤维;复合材料;力学性能中图分类号:TQ325.7、TQ327.1 文献标识码:B 文章编号:10019278(2004)12003304Study on the Mechanical Properties of Three2dimensionallyBraided PE2UHMW Fiber Reinforced PMMA CompositesZHANG Yu2duo,WANG Yu2lin,HUANG Yuan,WAN Yi2zao3(School of Materials Science and Engineeri
3、ng,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:Three2dimensionally(3D)braided PE2UHMW fiber reinforced PMMA(PE2UHMW3D/PMMA)composites were prepared via vacuum impregnation.The composites possessed excellent impactstrengths.The surface treatment of the fiber increased the modulus,bending and she
4、ar strengths,how2ever,slightly decreased the impact strength.With increasing of fiber volume fraction,the transverseshear strength increased and the longitudinal shear and bending strengths exhibited maxima.Moisturesaturation had a negative effect on the mechanical properties.Key words:three2dimensi
5、onally braided PE2UHMW fiber;composite;mechanical property 超高相对分子质量聚乙烯(PE2UHMW)纤维是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的一种高性能有机纤维,具有低密度、高模量、高强度的特点,其复合材料表现出较好的力学性能。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是一种热塑性树脂,长链高分子,具有很多优良的性能,如化学稳定性和耐候性好,物理力学性能较均衡,且轻质高韧等。由于PE2UHMW纤维较低的玻璃化转变温度(-125)及熔点(约145),在复合材料的制备中收稿日期:20040903天津市科技发展计划项目(013111711),天津市自然科学基金项目
6、资助(013604211)3 联系人限制了如环氧618(固化温度150)等一些固化温度较高的树脂的应用,而PMMA是甲基丙烯酸甲酯(MMA)本体聚合的产物,聚合温度低(不超过100),而且具有良好的生物相容性。因此,本研究选用PM2MA基体制备三维编织PE2UHMW纤维增强PMMA(PE2UHMW3D/PMMA)复合材料。同时,复合材料在储存和使用时不免会处于湿热环境中,影响其力学性能。近些年来,国内外对于碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等增强环氧树脂基复合材料吸湿性能的研究很多14,然而,对于三维编织超高相对分子质量聚乙烯纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的力学性能和吸湿性能的研究还未见报道。为此,
7、笔者对PE2UHMW3D/PMMA复合材料的力学性能进行第18卷 第12期中 国 塑 料Vol.18,No.122004年12月CHINA PLASTICSDec.,2004了深入研究,并对比了其吸湿前后的力学性能。1 实验材料及方法1.1 主要实验材料甲基丙烯酸甲酯(MMA),分析纯,天津市河东区红岩试剂厂;过氧化苯甲酰(BPO),分析纯,沈阳市新西制药厂;PE2UHMW纤 维,密 度0197g/cm3,强 度36157 cN/dtex,规格440 dtex/100 f,湖南升鑫高新材料股份有限公司;三维四向PE2UHMW纤维编织体,南京玻璃纤维研究院;浓硫酸(H2SO4),分析纯,天津市化
8、学试剂五厂;重铬酸钾(K2Cr2O7),分析纯,天津市百世化工公司化学试剂厂;-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,Sigma2Aldrich公司;PBS模拟体液组分:NaCl,分析纯,Na2HPO4,分析纯,KHPO4,分析纯,天津大学科威公司;KCl,分析纯,天津市芳庄化学试剂厂。1.2 主要实验仪器设备电热恒温培养箱,HH.B11 420,天津实验仪器厂;电热真空干燥箱,DZG2401,天津天宇机电有限公司;电热干燥箱,FN2022A,长沙仪器仪表厂;旋片真空泵,2XZ,临海市精工真空设备厂;分析天平,TG328A,上海天平仪器厂;拉力试验机,LJ25000,广州试验仪器厂;简支梁摆式冲击试
9、验机,UT/10/40,广州试验仪器厂;扫描电子显微镜,XL30ESEM,PHILIPS公司;X射线光电子能谱仪,PHI1600,美国Perkin Elmer公司。1.3 复合材料的制备工艺(1)纤维表面处理:采用铬酸溶液氧化和偶联处理相结合的处理方法,即将K2Cr2O7、H2O、浓H2SO4按一定比例配成铬酸溶液进行液态氧化处理;用硅烷偶联剂进行偶联处理。(2)聚甲基丙烯酸甲酯的本体预聚:将MMA与BPO按所需比例混合,水浴加热,于90左右保温15 min,冷却至室温,真空脱泡。(3)复合材料的制备:采用真空浸渍法。1.4 吸湿实验吸湿介质为PBS模拟体液,试样尺寸为(60122)mm,每组
10、5个。参照国标GB335782,在电热干燥箱中干燥至恒重(质量变化 1 mg)放入PBS模拟体液中,每隔一定时间取出试样,用滤纸吸去表面浮液,用分析天平称量,称量后立即放回模拟体液中。1.5 分析与测试采用 扫 描 电 子 显 微 镜 分 别 对 处 理 前 后 的PE2UHMW纤维表面进行观察,采用X射线光电子能谱仪分别对处理前后的PE2UHMW纤维表面官能团进行XPS分析。剪切强度按GB335582测定,弯曲强度和弯曲模量按GB934188测定,冲击强度测定按GB104393进行。所有数据均为35次试验值的平均值。2 结果与讨论2.1PE2UHMW3D/PMMA复合材料的力学性能PE2UH
11、MW纤维经简单的清洁处理后,制备了纤维体积含量为29.2%的PE2UHMW3D/PMMA复合材料,其力学性能如表1所示。与混合定律预测值相比,PE2UHMW3D/PMMA复合材料的弯曲强度和弯曲模量明显偏低。这是由于PE2UHMW纤维的化学组成只含有亚甲基非极性基团,无化学活性,表面能很低,故纤维与树脂之间既难以产生化学键结合,也难以产生较强的分子间相互作用力,纤维不易被树脂浸润。此外,由于纤维直径较粗、比表面积小、表面光滑、也不利于纤维与树脂间的黏结5,故而,纤维与树脂的黏结成为PE2UHMW纤维制备树脂基复合材料的一个技术难点6,7,也是影响复合材料力学性能的根本所在。因此,必须对纤维进行
12、适当的表面处理,才能充分发挥其优点,使复合材料获得较高的力学性能。表1PE2UHMW3D/PMMA复合材料的力学性能Tab.1Mechanical properties of PE2UHMW3D/PMMA composites材 料弯曲强度/MPa弯曲模量/GPa横向剪切强度/MPa纵向剪切强度/MPa冲击强度/kJm-2PE2UHMW3D/PMMA 88.68.8183.951.8126.82.2 纤维的表面处理及其对纤维表面状态的影响纤维处理前后的SEM照片如图1所示。由图1中可以看出,(a)处理前,纤维表面比较光滑;(b)经铬酸溶液氧化处理后,纤维表面受刻蚀呈纹状,显出微丝的轮廓,表面粗
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