超高分子量聚乙烯纖維復合材料用基體研究進展 zundG3-Emergency-car foil台中雷射切割雕刻代工－黃乃禮焦點新聞熱搜

    摘要：本文從熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩方面對超高分子量聚乙烯纖維復合材料用樹脂基體進行了綜述，著重介紹了環氧樹脂、乙烯基酯樹脂、聚乙烯樹脂等體系的特點及新研究進展，敘述了研究過程中存在和急需解決的問題，并對超高分子量聚乙烯纖維復合材料用樹脂基體的發展趨勢進行了展望。
1 引言
    超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維也稱超高模量聚乙烯（UHMPE）纖維，是繼碳纖維、芳綸纖維之后出現的第三代高性能纖維，它是由分子量超百萬（現已發展到400~500萬）的聚乙烯通過凝膠紡絲后，經高倍拉伸而形成的一種纖維，這種纖維密度低、質量輕〔密度為0.97g/cm3〕，由于纖維經高倍拉伸作用，其結晶度和軸向取向度都很高（結晶度高達99%，軸向取向度達95%以上），從而使纖維的初始模量高達100 GPa，軸向拉伸強度高達3~7GPa,而且纖維具有良好的耐化學性能、耐磨性、耐沖擊性能，吸水率很小，與生物的相容性能好等優點。UHMWPE纖維增強復合材料軸向拉伸比強度和比模量高，能量吸收性能優異，抗濕性和抗化學腐蝕性能良好，耐磨性能優越，電絕緣和耐紫外光性能良好，這是現有其它高性能纖維的復合材料所無法比擬的。UHMWPE纖維增強復合材料被廣泛應用于建筑、醫學、運動、航空航天等許多重要領域。
2 超高分子量聚乙烯纖維復合材料用基體
    復合材料是由增強材料和基體材料兩部分組成的。其中，復合材料基體材料包括三大類：金屬基、高分子樹脂基、陶瓷基。超高分子量聚乙烯纖維復合材料只使用高分子樹脂基體。高分子樹脂在纖維復合材料中的作用主要是提供適當的界面結合強度，避免纖維在拉伸、沖擊等外力作用下產生滑移，充分發揮纖維的增強特性。樹脂基體的性質和含量，特別是與纖維形成的界面層性質，直接影響到復合材料的終力學性質。
    UHMWPE纖維在熔點（150℃）以上處于高彈態，熔體延展性差，受力易斷裂，受熱后收縮較大，對纖維性能影響很大；UHMWPE纖維表面的化學惰性特別突出，表面活性低，與基體樹脂的浸潤性和粘結性均不好，導致復合材料層間剪切強度(ILSS)低。由于UHMWPE纖維具有上述不足之處，所以復合材料用基體樹脂必需具備以下基本條件：①能改善界面的相容性、粘接性，對纖維具有良好的浸潤性；②固化溫度一般不能高于120℃；③滿足UHMWPE纖維復合材料作為結構材料、介電材料、防彈材料等方面的性能要求。現將基本滿足以上條件的基體樹脂根據其熱行為分為熱固性和熱塑性樹脂兩大類分別予以介紹。
2.1 熱固性樹脂[-page-]
    熱固性樹脂加熱后產生化學變化，逐漸硬化成型，再受熱既不軟化，也不溶解，它的優點是耐熱性高，受壓不易變形，具有可設計性，是早被廣泛應用于復合材料的基體。
2.1.1 環氧樹脂（EPR）
    環氧樹脂（EPR）是纖維增強高性能復合材料的主要基體樹脂，也是UHMWPE纖維增強復合材料的重要基體。EPR具有優異的粘接性、機械強度、電絕緣性、耐腐蝕性，可在120℃條件下長期使用。但是由于EPR交聯網絡結構的特點，固化后質脆，耐沖擊和應力開裂的能力較差，導致其復合材料的斷裂韌性難以滿足工程技術的要求，從而限制了復合材料在某些領域的應用，而且EPR的線膨脹系數與纖維相差大，對纖維的浸潤性不夠好，EPR在濕熱條件下力學性能會下降，不能長期使用。AndreoPoulos等人發現在濕熱條件下，以EPR樹脂為基體的UHMWPE纖維增強復合材料的彎曲強度和ILSS都有不同程度的下降。因此在UHMWPE纖維增強復合材料中使用EPR時往往需經過改性，如在EPR中加入增韌成分，以提高EPR及其復合材料的韌性。常見增韌改性方法有熱塑性樹脂增韌、橡膠增韌及互穿網絡（IPN）結構聚合物增韌。S.P.Lin等人提出用聚氨酯（PU）改性EPR，形成PU/EPR互穿網絡結構作為UHMWPE纖維增強復合材料的基體，結果表明以PU/EPR互穿網絡結構為基體的UHMWPE復合材料比以EPR為基體的復合材料在流變性、彎曲強度和剪切強度等許多方面都有了明顯的改善。
    由于UHMWPE纖維的熔點低，若采用傳統的EPR工藝，固化溫度為140~150℃，此時纖維產生嚴重收縮。蔡忠龍等采用一種特殊的樹脂體系，它以EPR為主，加入酚羥基丙烷的甘油連氣基醚以及固化劑，在125℃下固化。在這種樹脂體系復合成的UHMWPE纖維增強復合材料的力學性能中，由纖維優越的拉伸性能控制的縱向拉伸強度和模量較高，但是復合材料的橫向拉伸、彎曲和層間剪切性能因受纖維壓縮性能低和界面粘結弱的影響都不甚理想。
2.1.2 乙烯基酯樹脂（VER）
    乙烯基酯樹脂（VER）是EPR與不飽和一元酸加成反應的產物，它兼具EPR的粘接性和不飽和聚酯樹脂（UPR）的工藝性，且由于乙烯基酯中含有羥基，而經基對UHMWPE纖維有很好的浸潤性，所以VER與UHMWPE纖維具有良好的粘接性。作為UHMWPE纖維復合材料基體研究得較成熟的是環氧甲基丙烯酸VER,環氧丙烯酸VER、異氰酸酯改性的VER。郎彥慶等將表面處理后的UHMWPE纖維與VFR復合，通過掃描電鏡觀察、紅外光譜漫反射分析、纖維浸潤性及復合材料的ILSS測定，結果顯示表面處理后的UHMWPE纖維與VER復合后具有較高的結合強度。Sung In Moon等用UHMWPE纖維來增強VER以制備復合材料。[-page-] 他們先以VER:DAP:BPO:丙酮＝100:20:1.2:1.5的比例制備樹脂混合物，通過手糊的方法將樹脂混合物均勻地涂在UHMWPE布上，然后在30℃將涂好的UHMWPE布放入真空烘箱中lOmin以除去丙酮，再在溫度為100℃、壓力為2.4MPa的條件下熱壓成型，制備復合材料標準樣品。另外，他們將UHMWPE纖維在相同條件下分別與VER和EPR復合，并比較了兩種樹脂與UHMWPE纖維之間的界面剪切強度，結果表明，由鄰苯二甲酸二丙烯酯固化的VER(端羧基丁腈橡膠改性）比由亞甲基二苯胺固化的雙酚A二縮水甘油醚型EPR具有更高的抗剪強度。提高VER的韌性，可采用橡膠類彈性體、熱塑性樹脂、剛性粒子等進行改性；PU改性VER，由于氨基甲酸酯的不飽和性可增強對纖維的浸潤性和層間粘接性，提高樹脂與纖維的相容性，從而提高制品強度。
2.1.3 酚醛樹脂（PFR）
    酚醛樹脂（PFR）是坦克裝甲防護早使用的樹脂基體材料之一。PFR具有機械強度高，性能穩定，堅硬耐磨、耐熱、阻燃、耐溶劑、吸濕率小及尺寸穩定性好等特點。但是PFR脆性大、韌性差、粘結力小，在防彈性能和其他綜合性能要求中，需對基體進行改性，以提高它的抗沖擊性、對纖維的粘接性以及耐熱、耐燒蝕性。研究表明：經聚酰胺改性的PFR的沖擊性和粘結性得到了明顯改善。硼酚醛、鑰酚醛、有機硅改性酚醛提高了PFR的耐熱耐燒蝕性。
2.1.4 碳氫樹脂（PHC）
    王耀先等采用合成的熱固性碳氫樹脂(PHC)作基體，UHMWPE纖維作增強材料，通過普通的成型工藝制得新型介電復合材料。由于所用纖維和基體都是非極性材料，結構相似，兩者具有良好的相容性，制得的復合材料界面粘結強度高、介電性能優異、綜合力學性能好、耐化學腐蝕性能優良、吸濕率極小，是一類理想的高性能透波復合材料。PHC基體室溫下為液體，具有與EPR相似的工藝性，對纖維浸潤性好，固化過程中無低分子副產物析出，可在常壓或低壓下成型，適合于多種成型工藝使用，可用于制作任意形狀和尺寸的產品，比熱塑性聚乙烯基體具有更好的成型工藝性和耐熱性，適于制備大尺寸、形狀復雜和尺寸精度要求較高的高性能寬頻高透波率復合材料結構件和壓力容器。
2.2 熱塑性樹脂
    目前熱塑性復合材料的發展非常迅速，已應用于要求重量輕、強度高、耐磨損領域中，如航空、機械、造船、建筑和電器工業等，改善了熱固性復合材料固有的延伸率低、吸濕、環境適應性差、加工周期長、難以回收等不足。但是，以熱塑性樹脂為基體的復合材料耐熱性較差、成型加工困難，這就大大限制了熱塑性樹脂及其復合材料的使用范圍。
2.2.1 聚乙烯樹脂（PE）[-page-]
    UHMWPE纖維與聚乙烯(PE)樹脂化學結構和結晶形態相似，成型時纖維表面會發生局部熔融，在基體和纖維表面之間會發生外延結晶或共結晶過程，因此這兩種材料界面相容性好，具有相對較好的粘接性，但是這類復合材料成型加工困難。
    PE樹脂可分為高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、線性低密度聚乙烯（LLDPE）及UHMWPE樹脂。其中，HDPE樹脂結晶度高，耐沖擊性差；LDPE樹脂結晶度低，斷裂伸長率高，但拉伸強度較低；LLDPE樹脂的沖擊強度、拉伸強度、斷裂伸長率及耐高低溫性能都優于HDPE樹脂和LDPE樹脂。采用分子結構類似的PE樹脂作為UHMWPE纖維的基體，可以得到“無界面”的復合材料，而且滿足回收再利用的現代環保要求。J.Maity等人研究了氟化的UHMWPE增強LDPE樹脂復合材料，并對其結構和性能進行了表征，結果表明所得復合材料為均相復合材料，材料結構缺陷減少，材料的結晶性和拉伸模量都較為理想。Linda Vaisman等人研究了澳化的UHMWPE纖維增強HDPE樹脂復合材料的結晶形態學和介電性能，研究表明由于基體在纖維表面會產生一層橫晶層，PE/PE復合材料會出現更加明顯的α松弛過程，并出現在HDPE及UHMWPE纖維不會出現的β松弛過程，并且PE/PE復合材料中，γ松弛過程變得較弱。Cohen等人對UHMWPE纖維增強UHMWPE樹脂復合材料進行了研究，他們先將UHMWPE樹脂涂布在UHMWPE纖維上，然后層壓成無緯片，后將其按所需的形狀裁剪，加壓加熱模壓成型后得到復合材料。這種復合材料與其它已知纖維增強復合材料的力學性能比較如表1。

    由表1可知，UHMWPE纖維/UHMWPE復合材料的力學性能較好，但是這種復合材料在實際應用中尚存在一些難點，主要是：①取向的UHMWPE纖維的熔融溫度（142℃）和未取向的UHMWPE樹脂的熔融溫度（138℃）相差很小，采用熔融結晶的方法在纖維上涂布樹脂可能會損壞纖維的力學性能；②UHMWPE樹脂密度高，分子量達到數百萬，因此在模壓過程中因粘度高、流動困難，難以加工；③未處理的UHMWPE纖維與UHMWPE樹脂的粘接性相對較差。[-page-]
2.2.2 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
    聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）透明度優良、耐老化性好，抗碎裂能力高，有良好的絕緣性和機械強度，對酸、堿、鹽有較強的耐腐蝕性能，易加工。UHMWPE纖維/PMMA復合材料具有良好的摩擦磨損性能。研究表明，隨著UHMWPE纖維體積百分含量的增加，UHMWPE纖維/PMMA復合材料的強度增大、磨損率逐漸減小。纖維體積含量為40%時，其磨損率僅為基體磨損率的50%左右。但當纖維含量討低時．纖維因拉伸或剪切而斷裂．增強效果并不明顯；纖維含量過高，材料內部出現不均勻和缺陷纖維磨損斷裂的碎片以及纖維從基體中脫離增多、破壞了復合材料和偶件之間形成的轉移膜從而導致磨損增加。
2.2.3 聚氨酯（PU）
    熱塑性聚氨酯（PU）中含有柔性的分子鏈，彎曲、沖擊等力學性能較好，吸收能力強，有較強的剝離強度和化學穩定性，以及優異的耐低溫性能，被認為是理想的防彈材料用基體。但由于PU屬于彈性體，高溫蠕變明顯，很難適應目前UHMWPE纖維復合材料作為結構材料使用時對綜合性能的較高要求。因此國內外學者對PU彈性體的改性作了大量研究，如納米粒子共混改性、聚合物共混改性、熔融共混改性。另外，互穿網絡（IPN）改性是使PU彈性體成為UHMWPE纖維復合材料用優良基體的一種較好的改性方法。采用PA、UPR、聚硅氧烷（PSO）、聚苯乙烯（PS)以及聚乙烯基毗咯烷酮(PVP)等對PU進行IPN改性均可達到理想的改性目的。
3 結語
    由于UHMWPE纖維表面呈化學惰性，與基體樹脂的界面粘結性差，導致復合材料的ILSS很低，這限制了其在高性能復合材料中的應用。在目前的研究報道中，所用樹脂基體與UHMWPE纖維的界面粘結性都不夠理想。為改善界面性能，解決的途徑均是從纖維入手，對纖維進行表面處理。雖然纖維表面處理的方法很多，但目前尚無有效的連續在線表面處理方法。纖維表面經處理后，ILSS雖然有所提高，但復合材料的拉伸強度卻明顯下降。因此提高基體樹脂與UHMWPE纖維之間的界面粘結性成為該類復合材料研究和生產過程中的重要問題。為了提高UHMWPE纖維與基體的界面粘結性，可換一個思路考慮。我們提出的思路是從研究樹脂基體著手，根據相似相溶原理和UHMWPE纖維的結構特點，合成一種結構與UHMWPE纖維相似、且與纖維表面有親液性的樹脂作基體，結構上的特點使樹脂對纖維具有良好的潤濕性，因而無須對纖維進行非常復雜而效果又不甚理想的表面處理。我們有理由相信該研究思路會成為UHMWPE纖維復合材料用樹脂基體的一個重要發展方向。

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