UHMWPE纤维树脂复合材料的研究

论文摘要

高性能纤维树脂基复合材料以其优异的力学性能和方便舒适的特点成为个体防护装备的主流材料。这类材料利用柔软的纤维和适量树脂基体进行复合,经压制形成板材或片材使用。高性能树脂基复合材料技术将以开发高强度、高刚性、高湿热环境下使用的多功能性为重点。树脂基体的性质,在复合材料中的含量,与纤维形成的界面层性质以及复合方式都将直接影响到复合材料的最终性质。它必须能使复合材料最大限度吸收外界侵彻的冲击能量,起到防弹、防刺和防震的作用。由于单独使用某一种树脂基体很难满足一些特殊领域对纤维树脂复合材料综合性能的要求。因此,在新型的树脂基体或对常规的树脂进行改性研究的基础上,考察树脂体系和纤维复合后的综合性能具有重要意义。个体防护领域中,防刺材料的发展相对防弹材料的发展较晚,后者要求材料能防御高速子弹或碎片的冲击;前者则要求材料能保护人体免受刺刀、匕首等尖锐物体的伤害,这两者均要求保证穿戴的轻便舒适。纤维树脂复合材料符合这些防护特点:高速弹击后,可以通过弹头变形、纤维断裂、及纤维的层间分层等方式将能量分散或消耗掉;受到刀、匕首等锐器破坏时,可以通过拉伸和剪切破坏吸能。因此,纤维复合材料是防护材料的首选。本论文选择超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维作为硬质防弹复合材料及软质防刺复合材料用纤维,主要研究了适用于UHMWPE纤维复合材料的改性树脂基体与纤维复合后的力学性能,剪切增厚体系的流变性能和机理,以及UHMWPE布与剪切增厚流体复合后的防刺性能。主要研究内容及结论如下:本文首先系统地考察了苯乙烯类热塑性树脂（SBC）基体及其与超高分子量聚乙烯纤维复合后材料的力学性能,研究了不同配比下力学性能的变化规律。结果表明,弹性体苯乙烯‐乙烯‐丙烯‐苯乙烯（SEPS）能较好地分散在聚苯乙烯（PS）基体中,且随着体系中SEPS含量的增加,其颗粒粒径逐渐增大,PS/SEPS复合材料的冲击强度逐渐增大。对于UHMWPE纤维/SBC复合材料,随着上胶量的增大,剥离强度和抗弯强度都呈上升的趋势。但在几种SBC树脂中,SEBS制备的复合材料抗弯强度相对较高,SEEPS其次,而SEPS制备的复合材料抗弯强度相对较低。本文还考察了SBC热塑性树脂和热固性树脂（VER）复合体系及其与超高分子量聚乙烯纤维复合材料的力学性能。研究了热固性树脂的复合方式及配比对力学性能的影响规律。结果表明,带有两个不饱和双键的VER树脂与PS共同形成了化学交联网络。对于UHMWPE纤维/SBC/VER复合材料,加入VER树脂能明显提高复合材料在整个温度区间上的储能模量,增强复合材料的刚性,抗弯强度明显增强。且复合材料的拉伸强度较大,达到0.3GPa左右。但随着VER含量的增加,剥离强度呈下降的趋势。综合实验结果和作为防弹材料性能上的要求,可以确定在SBC树脂中添加20wt%VER树脂的复合材料能获得较为满意的综合防护性能。本文最后研究了剪切增厚流体（STF）的性质和机理及与超高分子量聚乙烯纤维织物复合后的防刺性能。结果表明,亲水型的二氧化硅‐PEG200分散体系出现剪切增厚现象,而疏水型二氧化硅‐PEG200分散体系则无此现象。对于亲水型纳米二氧化硅LM150-PEG200分散体系,在低应力作用下,体系呈“剪切变稀”的特性;随着剪切应力增大到一临界点,体系出现“剪切增厚”的现象。另外,当二氧化硅的质量分数达到一定值,明显的剪切增厚现象才会出现。而且,随着二氧化硅质量分数的增大,临界剪切应力也会越大。亲水型纳米二氧化硅在不同分散体系中的流变性能的趋势基本一致。“粒子簇”生成机理很好地解释了该现象。通过考察一个循环中动态粘度随剪切应力变化出现的滞后环表明该过程中有能量耗散。防刺实验及其微观形貌表明在树脂含量一定的条件下,随着复合材料中STF体系的二氧化硅含量越高,刀刺穿后露出的刀尖长度越小,防刺性能越好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 序言
• 1.1 引言
• 1.2 UHMWPE 纤维
• 1.3 适合于UHMWPE 纤维的树脂
• 1.3.1 苯乙烯类弹性体
• 1.3.2 乙烯基酯树脂
• 1.4 防刺复合材料
• 1.4.1 剪切增厚流体
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 UHMWPE/SBC/VER 复合材料
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 主要设备及仪器
• 2.2.3 试样制备
• 2.2.4 性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 树脂基体的DSC 分析
• 2.3.2 树脂基体的SEM 分析
• 2.3.3 树脂基体及UHMWPE 纤维的DMA 分析
• 2.3.4 树脂基体的冲击性能
• 2.3.5 树脂基体的AFM 分析
• 2.3.6 树脂基体的TGA 分析
• 2.3.7 复合材料的拉伸性能
• 2.3.8 复合材料的剥离强度
• 2.3.9 复合材料的抗弯强度
• 2.4 本章小结
• 第三章 UHMWPE/STF 复合材料
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原材料
• 3.2.2 主要设备及仪器
• 3.2.3 试样制备
• 3.2.4 性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 红外测试
• 3.3.2 TEM 分析
• 3.3.3 TGA 分析
• 3.3.4 流变性能
• 3.3.5 防刺性能
• 3.3.6 SEM 分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 全文总结
• 参考文献
• 已发表和准备发表的论文
• 致谢