三维编织PE_UHMW纤维增强PMMA复合材料的力学性能研究.pdf 4页

第18卷第12期中国塑料Vol.18,No.122004年12月CHINAPLASTICSDec.,2004三维编织PE2UHMW纤维增强PMMA复合材料的力学性能研究3张玉朵,王玉林,黄远,万怡灶(天津大学材料科学与工程学院,天津300072)摘要:采用真空浸渍法制备了三维编织超高相对分子质量聚乙烯(PE2UHMW3D)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合材料,重点研究了该复合材料的力学性能、纤维体积含量对复合材料力学性能的影响以及吸湿前后力学性能的对比。研究表明,PE2UHMW3D/PMMA复合材料具有较好的冲击强度。纤维经表面处理后,其弯曲强度、弯曲模量、横向和纵向剪切强度均有不同程度的提高,冲击强度略有下降。随着纤维体积含量的增加,横向剪切强度增加,纵向剪切和弯曲强度增加到一定程度反而下降。吸湿平衡后的力学性能有所下降。关键词:三维编织超高相对分子质量聚乙烯纤维;复合材料;力学性能中图分类号:TQ325.7、TQ327.1文献标识码:B文章编号:1001O9278(2004)12O0033O04StudyontheMechanicalPropertiesofThree2dimensionallyBraidedPE2UHMWFiberReinforcedPMMAComposites3ZHANGYu2duo,WANGYu2lin,HUANGYuan,WANYi2zao(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Three2dimensionally(3D)braidedPE2UHMWfiberreinforcedPMMA(PE2UHMW3D/PMMA)compositeswerepreparedviavacuumimpregnation.Thecompositespossessedexcellentimpactstrengths.Thesurfacetreatmentofthefiberincreasedthemodulus,bendingandshearstrengths,how2ever,slightlydecreasedtheimpactstrength.Withincreasingoffibervolumefraction,thetransverseshearstrengthincreasedandthelongitudinalshearandbendingstrengthsexhibitedmaxima.Moisturesaturationhadanegativeeffectonthemechanicalproperties.Keywords:three2dimensionallybraidedPE2UHMWfiber;composite;mechanicalproperty超高相对分子质量聚乙烯(PE2UHMW)纤维是继限制了如环氧618(固化温度150℃)等一些固化温度碳纤维、芳纶纤维之后出现的一种高性能有机纤维,具较高的树脂的应用,而PMMA是甲基丙烯酸甲酯有低密度、高模量、高强度的特点,其复合材料表现出(MMA)本体聚合的产物,聚合温度低(不超过100℃),较好的力学性能。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是一种而且具有良好的生物相容性。因此,本研究选用PM2热塑性树脂,长链高分子,具有很多优良的性能,如化MA基体制备三维编织PE2UHMW纤维增强PMMA学稳定性和耐候性好,物理力学性能较均衡,且轻质高(PE2UHMW3D/PMMA)复合材料。韧等。同时,复合材料在储存和使用时不免会处于湿热由于PE2UHMW纤维较低的玻璃化转变温度环境中,影响其力学性能。近些年来,国内外对于碳纤(-125℃)及熔点(约145℃),在复合材料的制备中维、芳纶纤维、玻璃纤维等增强环氧树脂基复合材料吸[1～4]湿性能的研究很多,然而,对于三维编织超高相对收稿日期:2004O09O03分子质量聚乙烯纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯复合材料天津市科技发展计划项目(013111711),天津市自然科学基的力学性能和吸湿性能的研究还未见报道。为此,笔金项目资助(013604211)3联系人者对PE2UHMW3D/PMMA复合材料的力学性能进行 ·34·三维编织PE2UHMW纤维增强PMMA复合材料的力学性能研究了深入研究,并对比了其吸湿前后的力学性能。2)mm,每组5个。参照国标GB3357—82,在电热干燥箱中干燥至恒重(质量变化<1mg)放入PBS模拟体液1实验材料及方法中,每隔一定时间取出试样,用滤纸吸去表面浮液,用1.1主要实验材料分析天平称量,称量后立即放回模拟体液中。甲基丙烯酸甲酯(MMA),分析纯,天津市河东区1.5分析与测试红岩试剂厂;采用扫描电子显微镜分别对处理前后的过氧化苯甲酰(BPO),分析纯,沈阳市新西制药厂;PE2UHMW纤维表面进行观察,采用X射线光电子能3PE2UHMW纤维,密度0197g/cm,强度谱仪分别对处理前后的PE2UHMW纤维表面官能团36157cN/dtex,规格440dtex/100f,湖南升鑫高新材进行XPS分析。料股份有限公司;剪切强度按GB3355—82测定,弯曲强度和弯曲模三维四向PE2UHMW纤维编织体,南京玻璃纤维量按GB9341—88测定,冲击强度测定按GB1043—93研究院;进行。所有数据均为3～5次试验值的平均值。浓硫酸(H2SO4),分析纯,天津市化学试剂五厂;2结果与讨论重铬酸钾(K2Cr2O7),分析纯,天津市百世化工公司化学试剂厂;2.1PE2UHMW3D/PMMA复合材料的力学性能γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,Sigma2PE2UHMW纤维经简单的清洁处理后,制备了纤Aldrich公司;维体积含量为29.2%的PE2UHMW3D/PMMA复合材PBS模拟体液组分:NaCl,分析纯,Na2HPO4,分析料,其力学性能如表1所示。与混合定律预测值相比,纯,KHPO4,分析纯,天津大学科威公司;PE2UHMW3D/PMMA复合材料的弯曲强度和弯曲模KCl,分析纯,天津市芳庄化学试剂厂。量明显偏低。这是由于PE2UHMW纤维的化学组成1.2主要实验仪器设备只含有亚甲基非极性基团,无化学活性,表面能很低,电热恒温培养箱,HH.B11420,天津实验仪器厂;故纤维与树脂之间既难以产生化学键结合,也难以产电热真空干燥箱,DZG2401,天津天宇机电有限公生较强的分子间相互作用力,纤维不易被树脂浸润。司;此外,由于纤维直径较粗、比表面积小、表面光滑、也不[5]电热干燥箱,FN2022A,长沙仪器仪表厂;利于纤维与树脂间的黏结,故而,纤维与树脂的黏结旋片真空泵,2XZ,临海市精工真空设备厂;成为PE2UHMW纤维制备树脂基复合材料的一个技[6,7]分析天平,TG328A,上海天平仪器厂;术难点,也是影响复合材料力学性能的根本所在。拉力试验机,LJ25000,广州试验仪器厂;因此,必须对纤维进行适当的表面处理,才能充分发挥简支梁摆式冲击试验机,UT/10/40,广州试验仪其优点,使复合材料获得较高的力学性能。器厂;表1PE2UHMW3D/PMMA复合材料的力学性能扫描电子显微镜,XL30ESEM,PHILIPS公司;Tab.1MechanicalpropertiesofPE2UHMW3D/PMMAcompositesX射线光电子能谱仪,PHI1600,美国PerkinElmer弯曲强弯曲模横向剪切纵向剪切冲击强度材料度/MPa量/GPa强度/MPa强度/MPa-2/kJ·m公司。PE2UHMW3D/PMMA88.68.8183.951.8126.81.3复合材料的制备工艺(1)纤维表面处理:采用铬酸溶液氧化和偶联处理2.2纤维的表面处理及其对纤维表面状态的影响相结合的处理方法,即将K2Cr2O7、H2O、浓H2SO4按一纤维处理前后的SEM照片如图1所示。由图1定比例配成铬酸溶液进行液态氧化处理;用硅烷偶联中可以看出,(a)处理前,纤维表面比较光滑;(b)经铬剂进行偶联处理。酸溶液氧化处理后,纤维表面受刻蚀呈纹状,显出微丝(2)聚甲基丙烯酸甲酯的本体预聚:将MMA与的轮廓,表面粗糙度增加,表面积增大;(c)先经氧化处BPO按所需比例混合,水浴加热,于90℃左右保温理后再做偶联处理的纤维表面,其形貌较偶联处理前15min,冷却至室温,真空脱泡。无明显变化。(3)复合材料的制备:采用真空浸渍法。由XPS分析得到不同官能团含量如表2所示。从1.4吸湿实验表2中可以看出,纤维经过两步处理后,—C—C含量吸湿介质为PBS模拟体液,试样尺寸为(60×12×明显下降,—C—OH和—COOH等高反应活性的含氧 2004年12月中国塑料·35·(a)未处理(b)铬酸溶液氧化处理(c)先氧化处理后再偶联处理图1处理前后PE2UHMW纤维的SEM形貌Fig.1SEMmicrographsofuntreatedandtreatedPE2UHMWfiber基团明显增加。纤维表面碳氧比与纤维和树脂界面的[9]料的性能对比。可以看出,PE2UHMW3D/PMMA[8]黏结强度存在着线性下降的关系,纤维表面引入大复合材料的弯曲强度偏低,这是因为,在弯曲载荷作用量含氧极性基团可以改善纤维表面浸润性,增加与树下,材料一侧受拉应力,另一侧受压应力,而PE2UHMW脂中活性基团的化学键合,形成更牢固的界面,提高界长链分子间的结合力弱造成PE2UHMW纤维的压缩面黏结强度。强度较低,其轴向压缩强度只有拉伸强度的1/6～表2纤维处理前后表面官能团的相对含量%1/12[10]。值得一提的是,PE2UHMW3D/PMMA复合材Tab.2Thecontentsoffunctionalgroupsonsurfaceof料的冲击强度较高,这是由于PE2UHMW纤维是玻璃untreatedandtreatedfiber化温度低的热塑性纤维,韧性很好,在塑性变形过程中纤维状态—C—C—C—OH—COOH[11]能够吸收较多的能量。未处理96.72.80.4氧化处理85.59.05.5表4PE2UHMW3D/PMMA复合材料与K3D/PMMA氧化加偶联处理84.59.36.2复合材料的力学性能对比Tab.4Comparisonofmechanicalpropertiesbetween2.3纤维表面处理后复合材料的力学性能PE2UHMW3D/PMMAcompositesandK3D/PMMAcomposites纤维处理后PE2UHMW3D/PMMA复合材料的力-2材料弯曲强度/MPa冲击强度/kJ·m学性能列于表3。可以看出,纤维经两步处理后,复合PE2UHMW3D/PMMA121.4116.8材料的弯曲强度和剪切强度均有明显提高,而冲击强K3D/PMMA235.2114.2度略有下降。2.4纤维体积含量对复合材料力学性能的影响表3不同纤维状态下PE2UHMW3D/PMMA三维编织纤维增强复合材料具有优良的力学性复合材料的力学性能能,其影响因素主要包括:纤维束和基体的属性、纤维Tab.3MechanicalpropertiesofPE2UHMW3D/PMMA编织参数、纤维束的空间尺寸及纤维束中纤维的排布compositeswithdifferentfibers[12]密度、整体纤维体积含量等。纤维体积含量不同的弯曲强弯曲模横向剪切纵向剪切冲击强度纤维状态度/MPa量/GPa强度/MPa强度/MPa-2PE2UHMW3D/PMMA复合材料的力学性能见图2。由/kJ·m未处理88.68.8183.951.8126.8图可见,随纤维体积含量的增加,弯曲强度、弯曲模量、氧化处理93.415.4213.263.3118.7纵向剪切强度都呈上升趋势,大约在38%时出现极氧化加偶联处理121.417.9215.467.6116.8值,而后又下降;横向剪切强度则一直呈上升趋势。在纤维增强复合材料中,纤维是承载的主体,界面在一定范围内,随着纤维含量增加,承载纤维增上牢固的黏结使基体中的应力通过剪应力传递到纤维多,复合材料的力学性能明显增加,这符合复合材料的上,这种应力的传递能力与界面结合强度成正比。纤混合定律。但是,超过一定的范围之后,树脂对纤维的维表面处理使得界面结合改善,从而使弯曲和剪切性浸渍变得困难,加之PE2UHMW纤维本身的惰性,从能升高;但是,界面缺陷的减少使得裂纹沿界面扩展的而导致复合材料的力学性能下降。几率减小,以拔出功和摩擦功的形式吸收的外载能量2.5吸湿后复合材料的力学性能减少,因而冲击强度有所降低。复合材料在储存和使用过程中不可避免要与湿热表4是纤维体积含量为29.2%的PE2UHMW3D/环境相遇,其性能会出现不同程度的变化。超高相对PMMA复合材料与纤维体积含量为35%的三维编织分子质量聚乙烯(PE2UHMW)和聚甲基丙烯酸甲酯芳纶纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯(K3D/PMMA)复合材(PMMA)在临床的应用已有几十年的历史,其良好的 ·36·三维编织PE2UHMW纤维增强PMMA复合材料的力学性能研究●—弯曲模量□—弯曲强度●—纵向剪切强度□—横向剪切强度(a)弯曲性能(b)剪切性能图2PE2UHMW纤维体积含量对复合材料力学性能的影响Fig.2EffectofPE2UHMWfibervolumefractiononmechanicalpropertiesofthecomposites生物相容性毋庸置疑,但作为潜在的骨科植入材料,还参考文献:必须要考察其吸湿稳定性。表5为纤维体积含量为[1]WanYZ,WangYL,LouHL,etal.MoistureAbsorption32%的PE2UHMW3D/PMMA复合材料吸湿前和达到BehaviorofC3D/EPCompositeandEffectofExternalStress平衡吸湿后的力学性能对比。可以看出[J].Mater.Sci.Eng.,2002,326(2):324～329.,吸湿平衡后[2]KongAhMunS,AkayM,StanleyA.InfluenceofMoisture其各项力学性能都有不同程度的下降,其吸湿机理将ontheThermalandMechanicalPropertiesofAutoclavedand另文叙述。Oven2curedKevlar249/EpoxyLaminates[J].Compos.Sci.表5吸湿前后复合材料力学性能的变化Technol.,1997,57(5):565～571.Tab.5Effectofmoistureabsorptiononmechanical[3]BuehlerFU,SeferisJC.EffectofReinforcementandSol2propertiesofthecompositesventContentonMoistureAbsorptioninEpoxyComposite弯曲强弯曲模横向剪切强纵向剪切强冲击强度Materials[J].Compos.A:AppliedScienceandManufactur2度/MPa量/GPa度/MPa度/MPa-2/kJ·ming,2000,31(7):741～748.吸湿前135.020.6227.589.2108.4[4]LundgrenJE,GudmundsonP.MoistureAbsorptioninGlass2吸湿后132.715.7222.479.895.5fiber/EpoxyLaminateswithTransverseMatrixCracks[J].Compos.Sci.Technol.,1999,59(13):1983～1991.[5]施楣梧.超高相对分子质量聚乙烯纤维及其复合材料3结论[J].高科技纤维与应用,1997,3:17～19.(1)PE2UHMW纤维经过液态氧化处理和偶联处[6]Sun2inM,JyongsikJ.AStudyoftheImpactPropertiesof理后,表面粗糙度增加,并且活性含氧基团数目增加,Surface2modifiedUHMPE2fiber/VinylesterComposites[J].Compos.Sci.Technol.,1997,57:197～203.提高了与基体的界面结合强度。[7]Sun2inM,JyongsikJ.TheEffectoftheOxygen2plasma(2)PE2UHMW纤维经过表面处理后,TreatmentofUHMWPEFiberontheTransversePropertiesPE2UHMW3D/PMMA复合材料的弯曲强度、弯曲模ofUHMWPE2fiber/VinylesterComposites[J].Compos.Sci.量、横向和纵向剪切强度均有不同程度的提高,但冲击Technol.,1999,59:487～493.强度略有下降。[8]杨朝坤.三维编织复合材料力学性能的研究[J].材料工(3)PE2UHMW3D/PMMA复合材料具有较高的程,2002,7:33～36.冲击强度,可用于对冲击强度要求较高的场合。[9]王迎娜.三维编织芳纶纤维增强树脂基复合材料的性能(4)随着纤维体积含量的增加,PE2UHMW3D/研究与设计[D].天津:天津大学博士论文,2003.PMMA复合材料的弯曲强度、弯曲模量、纵向剪切强度[10]蔡忠龙,冼杏娟.超高模聚乙烯纤维增强复合材料[M].北京:科学出版社,1997.6～7.都呈上升趋势,增加到一定程度后反而下降;在本研究[11]王桦.超高相对分子质量聚乙烯纤维[J].四川纺织科中的纤维体积含量变化范围内横向剪切强度则一直呈技,2001,1:6～10.上升趋势。[12]ZhengMH.TheMechanicalPropertiesofCompositesRein2(5)PE2UHMW3D/PMMA复合材料吸湿平衡后forcedwithWovenandBraidedFabrics[J].Compos.Sci.的力学性能有所下降。Technol.,2000,60:479～498.