UHMWPEF-CF復合界面膠黏特性及應用研究.pdf

1、為減少超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPEF)防彈復合材料因背凸對人體造成的非貫穿損傷，可將高剛性的碳纖維(CF)與之結合，將防彈裝甲設計成為UHMWPEF/CF層間混雜復合結構。但因UHMWPEF化學惰性強，對樹脂的選擇性大，導致UHMWPEF/CF裝甲材料復合層間難以實現(xiàn)良好的粘接。為解決該復合層界面粘接的難題，本課題從復合層間膠黏劑改性和UHMWPEF表面處理兩方面著手，對樹脂改性反應影響因素、改性反應動力學、改性樹脂固化、纖維表面

2、處理工藝及復合材料的膠黏特性等進行了研究。
　　本文采用甲基丙烯酸(MAA)對E-51環(huán)氧樹脂進行改性，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程度，研究了樹脂改性過程中催化劑種類及用量、反應溫度、反應時間對反應程度的影響，發(fā)現(xiàn)等質量的三乙胺(TEA)催化效果優(yōu)于N，N-二甲基苯胺(DEBA)，且在一定范圍內增加催化劑用量、提高反應溫度，均可加快反應速率。在0.6％TEA催化下，研究了MAA改性環(huán)氧樹脂的改性反應動力學，

3、發(fā)現(xiàn)該反應為一級反應，且其反應活化能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，驗證了改性反應機理，證明了在上述改性工藝下對樹脂進行改性，主反應具有較高的選擇性。通過不同反應程度改性樹脂外觀及黏度的對比，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，從而導致黏度增加。采用1％過氧

4、化苯甲酰(BPO)為引發(fā)劑，對不同反應程度改性樹脂的凝膠性能進行研究，結果表明:同一改性樹脂的凝膠時間隨著溫度升高逐漸縮短，但凝膠時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)對改性樹脂固化過程進行分析，將以改性樹脂作膠黏劑的復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力學，得到其固化反應的動力學模型。采用該動力學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。
　　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單向布復合層，通過T剝離強度測定及剝

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，改性樹脂的粘接強度提升最大，相比于未改性樹脂復合試樣，T剝離強度提高了近20％。因此，將樹脂改性工藝確定為:0.6％TEA催化，110℃下反應2h。
　　為進一步改善復合層間粘接效果，本文通過液相氧化法對UHMWPEF進行了表面處理。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，在三種工藝下對纖維進行表面處理后，纖維表面

7、刻蝕程度80℃/5min＞25℃/1h＞60℃/30min;纖維表面化學結構改善60℃/30min＞25℃/1h＞80℃/5min;纖維單絲強力60℃/30min＞80℃/5min＞25℃/1h。
　　僅從纖維表面物理化學結構難以優(yōu)選出最佳工藝，因此對不同處理工藝下纖維的應用性能展開研究。在UHMWPEF/單向CF復合層中，T剝離強度80℃/5min＞60℃/30min＞25℃/1h;而UHMWPEF/CF平紋布復合層中，T剝離強