类竹节状超高分子量聚乙烯纤维复合增强体制备及其复合材料强化机制研究

Fiber morphology design has attracted increased attention in the field of composite technology. In terms of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber composite, however, there is no published effort on the microscopic fiber shape and morphology design. Therefore, the understanding of the potential strengthening effect of these special-shaped fibers and its interfacial mechanism is still lacking. In this project, the preparation of the bamboo-shaped fibers will be achieved by liquid phase oxidation of the fiber surface followed by melt crystal growth technology. In the oxidation process, the oxygen-containing groups are introduced on the fiber surface which may promote the crystal growth. Polymer crystals grow on the fiber surface with variable morphology, density and size, and these parameters can be controlled by different growing condition. In the study, the formation mechanism of bamboo-shaped ultra-high molecular weight polyethylene fiber reinforcement and the strengthening mechanism of its composites will also be revealed. The study should extend the design idea of bionic fibers and promote the development of its preparation process, and enrich the interface theory of composites.

纤维形态设计在纤维增强复合材料研究中日益受到重视。对于超高分子量聚乙烯纤维而言，却在微观层面上缺乏对纤维形态的创新性设计，导致相应的异形界面复合材料研究处于空白。本项目采用复合表面改性技术制备一种新型的类竹节状超高分子量聚乙烯纤维增强体，这种纤维形态设计思想及复合改性技术具有原创性，可为异形界面超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料的研究提供素材。本研究结合液相氧化改性和熔体晶体生长技术，利用氧化处理可引入含氧官能团促进晶体生长的优势，在纤维表面生长出形貌可变、疏密可控、尺寸可调的聚合物晶体，与超高分子量聚乙烯纤维组成复合结构，并揭示该结构的形成机理，进而扩展仿生纤维的设计思路，促进其制备工艺的开发。制备类竹节状超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料，在材料界面中引入形状、尺寸因素，考察微观界面结构对复合材料机械性能的影响，揭示该类异形增强体的强化机理，丰富并完善复合材料界面层理论。

纤维形态设计在纤维增强复合材料研究中日益受到重视。对于超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维而言，在微观层面上缺乏对纤维形态的创新性设计，导致相应的异形界面复合材料研究处于空白。本项目在国家自然科学基金（批准号：51203080）的资助下，围绕着纤维形态设计及复合材料界面强化等重要问题，在类竹节状UHMWPE纤维复合增强体制备及其树脂基复合材料强化机理方面展开研究，超额完成了研究计划，取得了一系列有特色的创新性成果。.液相氧化改性可有效增加UHMWPE纤维表面的含量官能团及粗糙度。铬酸氧化的工艺为：按照重铬酸钾、水及浓硫酸的质量比为7:12:150配制铬酸溶液，将UHMWPE纤维放入35℃的铬酸溶液中氧化5min；高锰酸钾氧化的工艺为：按照高锰酸钾与浓硝酸的质量比为1:30配制高锰酸钾溶液，在室温下将UHMWPE纤维放入上述溶液中氧化1min。.采用液相氧化改性与溶液晶体生长相结合的方法制备了类竹节状UHMWPE纤维复合增强体，并通过热处理提高其力学强度。与高锰酸钾氧化相比，铬酸氧化更有利于在UHMWPE纤维表面生长聚合物晶体。类竹节状UHMWPE纤维复合增强体的制备工艺是：将铬酸氧化的UHMWPE纤维在结晶性聚合物与溶剂的质量比为4:80、结晶温度为92℃的溶液中结晶20h，然后将复合增强体在95℃真空环境中退火30min。.将原始纤维、铬酸氧化、高锰酸钾氧化及类竹节状UHMWPE纤维放入环氧树脂中制备复合材料并考察材料的力学性能。结合实验数据，通过理论计算比较了类竹节状纤维与平直纤维在复合材料界面处产生的不同效果，即类竹节状纤维能够明显改变纤维轴向应力分布不均的情况，利用纤维表面晶体在复合材料内部均匀化界面应力的作用，使界面处不易形成局部应力过大，可避免过早形成临界裂纹。我们在理论上证明了类竹节状短纤维增强体能够使复合材料的承载较少的依赖界面粘结，可通过短纤维增强体特殊的结构来提高材料的性能。.本研究结合液相氧化改性和溶液晶体生长技术，利用氧化处理可引入含氧官能团促进晶体生长的优势，在纤维表面生长聚合物晶体，与UHMWPE纤维组成复合结构，扩展了仿生纤维的设计思路，促进其制备工艺的开发。制备类竹节状UHMWPE纤维增强树脂基复合材料，在材料界面处引入形状因素，考察微观界面结构对复合材料力学性能的影响，揭示该类异形增强体的强化机理，丰富并完善复合材料界面层理论。