江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院/針織技術(shù)教育部工程研究中心馬丕波教授課題組為解決高性能纖維與樹脂基體界面結(jié)合性能，基于界面相微觀結(jié)構(gòu)，針對(duì)高性能纖維表面極性較低，表面形態(tài)較為光滑等問題，設(shè)計(jì)了扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)紗線和“固-柔”纖維功能化界面層結(jié)構(gòu)，通過相互協(xié)同作用增強(qiáng)界面性能，提升高性能纖維紡織結(jié)構(gòu)與樹脂之間基體結(jié)合強(qiáng)度。這項(xiàng)研究利用物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵效應(yīng)的協(xié)同策略提高了超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）與柔性樹脂之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了高效率、可規(guī)模化生產(chǎn)的高性能纖維界面性能處理方法。相關(guān)成果以“Synergistically improving interface behavior by designing physical twisting structure and “rigid-flexible” interface layer on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber surface” 為論文標(biāo)題在線發(fā)表在Top期刊《Thin-walled Structure》。江南大學(xué)針織中心2021級(jí)博士研究生趙紫昱為論文第一作者；江南大學(xué)針織中心馬丕波教授為論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(52373058，11972172)、江蘇省研究生科研實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃(KYCX22_2337)資助。論文全文鏈接為：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.111805
文章概述
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維因具有諸多優(yōu)異性能，如高強(qiáng)度、低密度、高抗沖擊性和出色的耐化學(xué)性等，使其在防彈軍事，航空航天，生物醫(yī)用材料，海洋工程等方面廣泛應(yīng)用。在生產(chǎn)中超高分子量聚乙烯分子鏈得到完全延伸和排列，具有極高的結(jié)晶度和非常高的大分子取向性，使得纖維具有非常高的強(qiáng)度和模量。然而，高取向度的UHMWPE纖維結(jié)晶度高，不易被聚合物基體滲透且浸潤性較差，導(dǎo)致UHMWPE復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度較低，從而限制了其復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。
本項(xiàng)工作中，研究人員設(shè)計(jì)了一種扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)紗線和“剛-柔”纖維功能化界面層結(jié)構(gòu)，通過物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵效應(yīng)的協(xié)同策略，完成了高性能纖維與樹脂基體之間界面強(qiáng)度的提高。分析了改性前后纖維的表面粗糙度和表面自由能，并闡明了界面增強(qiáng)機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與未改性的UHWMPE纖維相比，改性后的T - UHWMPE纖維的界面剪切強(qiáng)度提高了218%。這種結(jié)合物理扭曲結(jié)構(gòu)和“剛-柔”界面層的界面改性方法，將為制備具有高界面結(jié)合強(qiáng)度的高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供有益的參考價(jià)值。
圖1 超高分子量聚乙烯纖維表面改性流程圖
圖2 改性超高分子量聚乙烯纖維XPS能譜分析
圖3 超高分子量聚乙烯纖維界面性能
圖4 超高分子量聚乙烯纖維界面增強(qiáng)機(jī)理