UHMWPEF-CF復(fù)合界面膠黏特性及應(yīng)用研究.pdf

1、為減少超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPEF)防彈復(fù)合材料因背凸對(duì)人體造成的非貫穿損傷，可將高剛性的碳纖維(CF)與之結(jié)合，將防彈裝甲設(shè)計(jì)成為UHMWPEF/CF層間混雜復(fù)合結(jié)構(gòu)。但因UHMWPEF化學(xué)惰性強(qiáng)，對(duì)樹脂的選擇性大，導(dǎo)致UHMWPEF/CF裝甲材料復(fù)合層間難以實(shí)現(xiàn)良好的粘接。為解決該復(fù)合層界面粘接的難題，本課題從復(fù)合層間膠黏劑改性和UHMWPEF表面處理兩方面著手，對(duì)樹脂改性反應(yīng)影響因素、改性反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、改性樹脂固化、纖維表面

2、處理工藝及復(fù)合材料的膠黏特性等進(jìn)行了研究。
　　本文采用甲基丙烯酸(MAA)對(duì)E-51環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，制備了環(huán)氧甲基丙烯酸酯樹脂。以體系酸值表征改性反應(yīng)程度，研究了樹脂改性過程中催化劑種類及用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)程度的影響，發(fā)現(xiàn)等質(zhì)量的三乙胺(TEA)催化效果優(yōu)于N，N-二甲基苯胺(DEBA)，且在一定范圍內(nèi)增加催化劑用量、提高反應(yīng)溫度，均可加快反應(yīng)速率。在0.6％TEA催化下，研究了MAA改性環(huán)氧樹脂的改性反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，

3、發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，且其反應(yīng)活化能E=26.92kJ/mol，頻率因子A=1.786s-1。
　　此外，通過改性前后的樹脂紅外光譜(FTIR)分析，驗(yàn)證了改性反應(yīng)機(jī)理，證明了在上述改性工藝下對(duì)樹脂進(jìn)行改性，主反應(yīng)具有較高的選擇性。通過不同反應(yīng)程度改性樹脂外觀及黏度的對(duì)比，發(fā)現(xiàn):通過改性樹脂分子中引入共軛的酯基與異丙烯基，從而使樹脂顯色，且隨反應(yīng)程度提高，樹脂顏色加深;樹脂改性后分子量增加，極性增加，從而導(dǎo)致黏度增加。采用1％過氧

4、化苯甲酰(BPO)為引發(fā)劑，對(duì)不同反應(yīng)程度改性樹脂的凝膠性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明:同一改性樹脂的凝膠時(shí)間隨著溫度升高逐漸縮短，但凝膠時(shí)間的變化速度沒有明顯的規(guī)律;相同催化劑作用下的改性樹脂，在同一溫度下的凝膠時(shí)間隨酸值減小逐漸縮短。
　　以1％BPO作引發(fā)劑，采用差示掃描量熱法(DSC)對(duì)改性樹脂固化過程進(jìn)行分析，將以改性樹脂作膠黏劑的復(fù)合材料制備工藝確定為:1％BPO作引發(fā)劑，80℃/15min/0.5MPa→120℃/1h/1M

5、Pa。通過改性，樹脂固化溫度與UHMWPEF復(fù)合材料成型溫度匹配度提高。此外，研究了該改性樹脂的固化動(dòng)力學(xué)，得到其固化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型。采用該動(dòng)力學(xué)模型分析了不同升溫速率下的固化過程，可以發(fā)現(xiàn):相同升溫速率下，隨固化度的增加，體系的固化速率先增大后減小;隨升溫速率增大，樹脂體系的最大固化速率增大，且向固化度增大的方向移動(dòng)。
　　按照確定的固化工藝制備了以改性樹脂作層間膠黏劑的UHMWPEF/CF單向布復(fù)合層，通過T剝離強(qiáng)度測(cè)定及剝

6、離面微觀形貌分析發(fā)現(xiàn):改性樹脂酸值為24.1 mgKOH/g時(shí)，改性樹脂的粘接強(qiáng)度提升最大，相比于未改性樹脂復(fù)合試樣，T剝離強(qiáng)度提高了近20％。因此，將樹脂改性工藝確定為:0.6％TEA催化，110℃下反應(yīng)2h。
　　為進(jìn)一步改善復(fù)合層間粘接效果，本文通過液相氧化法對(duì)UHMWPEF進(jìn)行了表面處理。首先，通過多組液相氧化處理工藝下纖維的表面微觀形貌掃描電子顯微鏡(SEM)分析優(yōu)選出三種工藝，在三種工藝下對(duì)纖維進(jìn)行表面處理后，纖維表面

7、刻蝕程度80℃/5min＞25℃/1h＞60℃/30min;纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)改善60℃/30min＞25℃/1h＞80℃/5min;纖維單絲強(qiáng)力60℃/30min＞80℃/5min＞25℃/1h。
　　僅從纖維表面物理化學(xué)結(jié)構(gòu)難以優(yōu)選出最佳工藝，因此對(duì)不同處理工藝下纖維的應(yīng)用性能展開研究。在UHMWPEF/單向CF復(fù)合層中，T剝離強(qiáng)度80℃/5min＞60℃/30min＞25℃/1h;而UHMWPEF/CF平紋布復(fù)合層中，T剝離強(qiáng)