超高分子量聚乙烯纤维的耐高温性能.pdf
《超高分子量聚乙烯纤维的耐高温性能.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《超高分子量聚乙烯纤维的耐高温性能.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 32 卷 第 3 期2024 年 3 月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.3Mar.2024DOI:10.19398j.att.202308020超高分子量聚乙烯纤维的耐高温性能薛淑云1,叶 伟2,王 征3,夏平原4,管永银5(1.扬州斯帕克实业有限公司,江苏扬州 225200;2.南通大学安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心,江苏南通 226019;3.中国人民解放军军事科学院国防工程研究院,北京 100036;4.江苏正道海洋科技有限公司,江苏南通 226300;5.新凤鸣集团湖州中石科技有限公司,浙江湖州 3130
2、00)摘 要:针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维熔点低、易蠕变的缺点,以复合材料热压加工环境为测试条件,通过分析不同热压温度和热压时间下的力学稳定性能,研究 UHMWPE 纤维的耐高温性能。采用差示扫描量热仪、热重分析仪、扫描电子显微镜、X 射线衍射仪、红外吸收光谱分析仪和力学性能测试仪等仪器设备,表征并分析了 UHMWPE 纤维的力学性能、热稳定性能和微观结构。结果表明:热压温度及时间对UHMWPE 纤维性能有着重要的影响。在 150 及以下热压处理时,纤维力学性能随着热压时间的增加而变化不大;在160 及以上热压处理时,长时间的热处理导致纤维力学性能下降明显,在160 处理40 s
3、时丝束断裂强力为 153 N,强力损失为 46.50%;当热压温度大于纤维熔点时,纤维强力出现急速下降,在 170 热压处理 10 s 时强力下降到了 121 N,强力损失达到了 57.80%。研究结果可为 UHMWPE 纤维复合材料的加工及应用提供参考。关键词:超高分子量聚乙烯纤维;热稳定性能;断裂强力;断裂伸长;高性能纤维中图分类号:TS102.6 文献标志码:A 文章编号:1009-265X(2024)03-0053-08收稿日期:20230817 网络出版日期:20231025作者简介:薛淑云(1980),女,江苏徐州人,工程师,主要从事为功能高分子材料方面的研究。通信作者:叶伟,E-
4、mail:yewei 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维具有低密度、高强度、耐低温、耐紫外线辐射和耐化学腐蚀等良好的物理化学性能,以及突出的抗冲击、抗切割等优异的使用性能1-2,是除碳纤维、芳纶等纤维材料之外又一种重要的可规模化生产的高性能纤维材料3。UHMWPE 纤维已经广泛应用于防弹防机械伤害用品、缆绳和渔网等产品中4-7。UHMWPE 纤维有着熔点低、易蠕变等缺陷,相对于芳纶和碳纤维,UHMWPE 纤维的耐热温度更低8-9。然而一些高性能纤维增强复合材料在加工过程中需要进行高温热压复合,这对 UHMWPE 纤维在高温下的可加工性提出了要求。国内外围绕 UHMWPE 纤维的热稳定性能开展
5、了较多的研究,主要集中在 3 个方面:一是纺丝生产过程中的温度对 UHMWPE 纤维成型后性能影响的研究,纺丝工艺中温度基本控制在 200 260 之间10-12;二是针对 UHMWPE 纤维复合制备工艺中温度对复合材料性能影响的研究,其中短切纤维增强树脂复合材料及多层织物复合方面的研究较多,在这些研究中温度主要集中在 145 及以下13-15;三是针对应用环境中的温度对于 UHMWPE 纤维性能影响研究,由于 UHMWPE 纤维的耐高温性能较差,开展研究所涉及的温度基本集中在纤维材料熔融温度及以下16-17。这些研究对于分析 UHMWPE纤维的热力学性能具有重要的意义。最近几年的研究显示,U
6、HMWPE 纤维与热塑性聚氨酯、聚氯乙烯等树脂复合,制备出了重量轻、强度高的轻质高强膜材18-19。但是在热压复合加工中 UHMWPE 纤维要承受短时间的高温热压工艺,这些工艺的加工环境温度较高,达到或超过材料的熔点,而对于热加工工艺中的短暂高温对纤维结构及力学性能影响的研究未见报道。为研究 UHMWPE 纤维在复合材料制备中的耐高温性能,本文以复合材料热压加工环境为条件,利用成型温度及成型时间的改变来考察 UHMWPE纤维结构、表面形貌及力学性能等在高温中的变化趋势,确定了适用于 UHMWPE 纤维加工的温度及时间范围,为纤维材料复合加工工艺的确定提供参考。1 实 验1.1 材料与仪器材料:
7、UHMWPE 纤维丝束(88.9 tex,江苏锵尼玛新材料股份有限公司)。仪器:NHG-500B 型热熔黏合机(上海佳田制造有限公司);Rigaku Ultima IV 型 X 射线衍射仪(日本理学);JSM-6510 型扫描电子显微镜(日本电子公司);Nicolet iS5 型傅里叶红外光谱仪(美国赛默飞公司);Q250 型热重分析仪(美国 TA 公司);5969 系列电子万能材料试验机(美国英斯特朗公司)。1.2 样品制备选用 88.9 tex 的 UHMWPE 纤维丝束,采用热熔黏合机对丝束进行热压处理,热压工艺分别为:在 130、140、150、160、165、170 和 180 温度
8、下分别热压 10 s,压力为 1.5 MPa,试样编号分别为130-10、140-10、150-10、160-10、165-10、170-10 和180-10;在 140、150、160 和 165 下分别热压20、30、40、50 s 和 60 s,压力为 1.5 MPa,试样编号分别为 140-20、140-30、140-40、140-50、140-60、150-20、150-30、150-40、150-50、150-60、160-20、160-30、160-40、160-50、160-60、165-20、165-30、165-40、165-50 和 165-60。1.3 性能测试纤维结构
9、测试(XRD):采用 X 射线衍射仪进行物相分析,测试为 Cu 靶 Ka 射线(=0.15418 nm),管电压为 40 kV,管电流为 200 mA,扫描范围为1050,扫描速率为 12()min,步长为 0.02。形貌表征(SEM):采用扫描电子显微镜观察活化前后纤维的表面形貌和微观结构,放大倍数分别为 500 倍和 1000 倍,电压为 5 kV。红外光谱吸收测试:采用傅立叶红外光谱仪测试纤维红外光谱吸收特征,室温下对样品进行测试,扫描范围 6004000 cm-1。热学性能测试:采用热重分析仪进行差示扫描量热法(DSC)和微商热重法(DTG)分析,其中:DSC测试气氛为 N2,温度范围
10、 30200,升温速率为10 min;DTG 测试气氛分别为空气和 N2,温度范围 30800,升温速率为 10 min。力学性能测试:采用电子万能材料试验机,根据 GBT 199752005高强化纤长丝拉伸性能试验方法测试热处理前后 UHMWPE 丝束断裂强力。并按照以下公式进行计算断裂强力损失率:r%=F1-F2F1100,式中:r 为断裂强力损失率,F1为原样 UHMWPE 纤维丝束断裂强力,F2为经过热压处理后 UHMWPE纤维丝束断裂强力。2 结果与讨论2.1 纤维热性能分析图 1 和图 2 分别为未经过热压处理的 UHMWPE纤维的 DSC 和 TGA 测试曲线。从图 1 可以看出
11、:UHMWPE 纤维在 127 时热流开始急速下降,在169 后热流开始趋于稳定,可见纤维最高熔点为169。从图 2 可以看出:在 N2的气氛中 UHMWPE纤维在 420 时热分解速度加快,在 506.9 时纤维完全分解;当在空气气氛中进行热分解测试时,由于有氧气等气体的存在,纤维在 329 就开始加快分解。图 1 UHMWPE 纤维的 DSC 曲线Fig.1 DSC heating curve of UHMWPE fibers45现代纺织技术第 32 卷 图 2 UHMWPE 纤维的 TG 和 DTG 图谱Fig.2 TGAand DTG thermograms of UHMWPE fib
12、ers2.2 纤维表面形貌分析图 3 和图 4 为 UHMWPE 纤维及丝束经过热压处理前后的表面形貌图。从图 3 可以看出:经过 160 处理时,纤维表面未发生明显的变化,当处理温度上升到 170 及以上时,纤维表面有熔融现象,导致纤维间的黏合。同时,UHMWPE 纤维经过 170 热处理时纱线中纤维之间开始黏合并产生了卷曲,当热处理温度升高到 180 时,黏合和卷曲的现象更为严重。这是因为 UHMWPE 纤维的熔融温度较低,当热加工温度超过熔融温度时,极易对纤维造成损伤,从而影响纤维的形貌及使用性能。2.3 纤维结构分析图 5 为 UHMWPE 纤维热处理前后的 XRD 图谱,在 20.5
13、6、21.78和 24.13处出现的衍射峰为UHMWPE 纤维的典型衍射峰20。从图 5(a)中可以看出:当热处理时间一定时,随着热处理温度的升高,XRD 分析曲线中衍射峰的高度和宽度总体趋于变低和变宽,这是由于 UHMWPE 纤维材料耐高温性能较差,在高温中纤维内部的结晶区容易遭到破坏,以及材料分子链的热运动加剧导致了分子链的断裂和分解16。图 5(b)中,当热处理温度较高时,热处理时间的增加会破坏 UHMWPE 纤维的晶体结构。图 3 热压处理前后 UHMWPE 纤维的扫描电镜图Fig.3 SEMimages of UHMWPE fibers before and after hot pr
14、essing treatment 55第 3 期薛淑云 等:超高分子量聚乙烯纤维的耐高温性能图 4 热压处理前后 UHMWPE 纤维丝束的形貌Fig.4 Morphology of UHMWPE fiber bundles before and after hot pressing treatment图 5 UHMWPE 纤维的 XRD 图谱Fig.5 XRD patterns of UHMWPE fibers2.4 红外吸收光谱分析图 6 为 UHMWPE 纤维热处理前后红外吸收光谱 图。在 715、733、1460、1473、2848 cm-1和2915 cm-1处出现了红外吸收峰,部分文
15、献中分析了纤维的结晶度对 UHMWPE 纤维红外吸收峰的位置及强度的影响,结晶度的差异导致纤维材料的红外吸收峰位移,因此纤维制备工艺的差异对 UHMWPE纤维的红外吸收峰有一定的影响21-22。其中在715 cm-1和 733 cm-1处分别是纤维结晶区内 CH2的平面摇摆和面内摇摆振动吸收峰;在 1460 cm-1和 1473 cm-1 处是纤维结晶区内 CH2对称变形振动吸收峰;在 2848 cm-1和 2915 cm-1处是纤维结晶区内 CH2伸缩振动吸收峰23。在经过不同条件的热处理后,UHMWPE 纤维内部结晶结构发生了一定程度的改变,因此不同试样的红外吸收峰强度也发生了变化。图 6
16、 UHMWPE 纤维的红外吸收光谱图谱Fig.6 IR spectra of UHMWPE fibers2.5 力学性能分析图 7 为 UHMWPE 纤维丝束经过不同条件下热处理后的断裂强力变化曲线。从图 7(a)中可以看出:试样分别在 130、140、150、160 和 165 温度65现代纺织技术第 32 卷下处理 10 s 时,UHMWPE 纤维丝束的断裂强力变化不大,原样强力为 286 N,经过 165 处理 10 s 后强力下降到 262 N,强力损失为 8.49%;当热处理温度上升到 170 及以上时,断裂强力出现了急速下降,热处理温度为 170 时强力下降到了 120 N,强力损
17、失为57.80%;当温度上升到180 时强力已经降到了 56.60 N,强力损失达到了 80.20%。同时,在图 4 的丝束形貌图中观察到在 170 热压处理时丝束已经开始了收缩卷曲,逐渐失去了使用性能,试样 UHMWPE 纤维的最高热熔温度为 169,因此热加工温度超过 169 时对纤维极易造成损伤,从而影响材料的各项性能。从图 7(b)中可以看出:在 150 及以下时,随着热处理温度的升高和处理时间的增加,丝束的断裂强力变化小,纤维力学性能损伤小;在 150 温度下处理 50 s 丝束强力反而有所上升,这可能是 UHMWPE 纤维在纺丝完成后还存在着部分结晶倾向,这些倾向往往都集中在结晶核
18、的表面,当 UHMWPE 纤维在经受热压复合时纤维内部晶核表面排列有序的链段向中心靠拢,促进了这些分子的结晶,同时也会弥补部分有 缺 陷 的 晶 体17;当 热 处 理 温 度 达 到 了160 及以上时,处理时间对于 UHMWPE 纤维丝束的力学性能影响较大,在 160 时热处理时间超过 30 s 后纤维断裂强力下降迅速,处理 40 s 时丝束断裂强力为 153 N,强力损失为 46.50%;当热处理温度为 165,热处理时间超过 20 s 后,纤维断裂强力就开始了迅速下降,处理 30 s 时丝束强力为 163 N,强力损失为 43%。可以得出热处理温度和热处理时间对于 UHMWPE 纤维的
19、断裂强力损失都有着重要的影响作用。图 7 热压温度和热压时间与纤维丝束断裂强力的关系Fig.7 Relationship between hot pressing temperature,hot pressing time and breaking strength of UHMWPE tows 图 8 为 UHMWPE 丝束经过热处理后的断裂伸长率变化曲线。图 8(a)中,当热处理温度低于170,丝束的断裂伸长率维持在 4%左右;当热处理温度大于 170,丝束的断裂伸长率急剧变大,由165 时的 3.88%上升到 180 时的 6.73%。图 8(b)中当热处理温度较低时,丝束的断裂伸长率随
20、着处理时间的变化基本保持稳定,热处理温度升高到 160 及以上时,断裂伸长率随着热处理时间的增加而变大;在 160 下热处理 30 s 后丝束断裂伸长率为 3.71%,而处理 60 s 后就增加到了13.20%;在 165 下处理 20 s 后丝束断裂伸长率为5.34%,而处理60 s 后伸长率达到了21.10%。可以得出当 UHMWPE 丝束经过热处理时,随着热处理温度和时间的增加,断裂强力降低,而断裂伸长率升高,这是热处理过程中的高温破坏了 UHMWPE 纤维的结晶区以及链段结构,影响了纤维的各项力学性能16。因此,UHMWPE 纤维在热加工工艺中需要考虑到温度和时间的因素。75第 3 期
21、薛淑云 等:超高分子量聚乙烯纤维的耐高温性能图 8 纤维丝束断裂伸长率与热压温度和热压时间的关系Fig.8 Relationship between hot pressing temperature,hot pressing time and elongation at break of UHMWPE tows3 结 论本文通过对 UHMWPE 纤维力学性能随热加工温度和时间变化的分析,研究了热压温度和热压时间对纤维结构、表面形貌结构、丝束力学性能等的影响,得到以下结论:a)UHMWPE 纤维的最高熔点为 169;在超过纤维最高熔点的温度进行热加工时,即使在很短的时间内都会导致纤维表面融化并使
22、纤维间产生黏结卷曲现象。b)在 UHMWPE 纤维的高熔点处及以上的温度进行加工时,热压温度及时间对纤维力学性能影响较大。在 160 处 理 40 s 时 强 力 损 失 了46.50%,在 165 处理 30 s 时强力损失达到了43%;当热处理温度上升到 170 及以上时,断裂强力出现了急速下降,在 170 处理 10 s 时强力损失了 57.80%,在 180 处理 10 s 时强力损失达到了 80.20%。c)UHMWPE 纤维丝束经过 160 及以上热压处理时,随着热压温度和时间的增加,断裂强力降低,而断裂伸长率升高。在 165 下处理 20 s 后丝束断裂伸长率为 5.34%,而处
23、理 60 s 后伸长率达到了 21.10%。UHMWPE 纤维对于加工环境中的温度有着严格的要求,本文研究所探索的热压温度及时间对于材料性能的影响为 UHMWPE 纤维在复合材料中的应用提供了有效的参考。参考文献:1 LIU Q,WANG L L,LUO Q,et al.Stab-resistance improve-ment of short carbon fiber reinforced UHMWPE knitted composites with plasmaoxidation treatmentJ.Journal of Industrial Textiles,2022,52:15280
24、8372211320.2 ZHU L,GAO W X,DIKIN D A,et al.Anti-ballistic performance of PPTAUHMWPE laminatesJ.Polymers,2023,15(10):2281.3 HAN G T,TAO X W,LI X B,et al.Study of the mechanical properties of ultra-high molecular weight polyethylene fiber ropeJ.Journal of Engineered Fibers and Fabrics,2016,11(1):15589
25、2501601100.4 LEI W,MIN M H,Shi J G,et al.Research progress and production status of ultra-high molecular weight polyethylene fiberJ.Material Sciences,2013,3(5):192-198.5 李志君.高性能 UHMWPE 纤维及其在天线罩上的应用前景J.高科技纤维与应用,2000,25(4):24-28.LI Zhijun.The high-powered UHMWPE fiber and it s applications foreground
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 超高 分子量 聚乙烯 纤维 耐高温 性能
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。