聚丙烯/纤维复合材料界面结晶及力学性能

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纤维增强聚合物复合材料由于其优异的综合性能而受到广泛的关注和研究,它的力学及物理性能不仅由基体和增强纤维本身的性质所决定,复合材料的界面结晶形态也对其有很大影响,因此,调控基体与纤维的界面相结构一直是研究的热点。在半结晶性聚合物基纤维增强复合材料中,横晶是一种常见的界面结晶结构,并且横晶对界面粘结强度的影响也被广泛研究。在我们之前的研究中,通过改变纤维牵引速率引入不同剪切应力的方法,来调控等规聚丙烯(iPP)/玻璃纤维(GF)单纤维复合材料的界面结晶形态,由偏光显微镜观察发现,在等温结晶的条件下,界面剪切应力对后期的等温结晶形貌有很大的影响。然而关于剪切诱导iPP结晶,特别是诱导iPP产生β横晶的机理以及横晶对力学性能的影响还是悬而未决的问题,需要更加坚实的论据对其进一步的讨论。因此本文的重要研究工作是:首先,借助本课题组搭建的一台改进型的纤维熔体牵引装置,研究剪切对诱导界面结晶特别是β晶结晶的影响,同时利用不同分子量的iPP基体为对象,研究剪切条件下的iPP的结晶动力学;其次,通过改变纤维牵引速率引入不同剪切应力的方法,制备具有α球晶、α横晶和β横晶三种界面结晶形态的iPP/GF单纤维复合材料,并且利用单纤维断裂试验和拉伸断裂试验方法,研究结晶形态特别是晶型对界面剪切强度及力学性能的影响。  本论文主要的研究结果如下:  (1)在一定温度下,通过改变纤维牵引速度引入不同的剪切应力,然后等温结晶,在偏光显微镜下观察晶体的生长情况,进而对其动力学进行分析。同时,也研究了在剪切条件下,基体分子量对iPP结晶形态的影响。结果表明:随着剪切应力的增加,三种分子量的iPP都依次得到α球晶、α横晶、β横晶等结晶形态。然而不同分子量的iPP对剪切应力的响应程度不同,也就是,相对于低分子量的聚丙烯,高分子量的聚丙烯更易诱导β晶的生成。β晶的生长速率随着iPP基体分子量的增加逐渐降低,同时,随着结晶温度的升高,β晶的生长速率也逐渐降低。  (2)通过剪切诱导界面结晶方法,制备了界面为α球晶、α横晶和β横晶三种结晶形态的iPP/GF单纤维复合材料,研究了三种界面结晶形态的取向结构;利用单纤断裂试验方法,测试了iPP/GF单纤复合材料的界面剪切强度(IFSS)和拉伸强度(σ),探讨了界面结晶结构对IFSS和拉伸性能的影响。结果表明:界面剪切促进了界面结晶层分子链的取向,并且剪切越强分子链取向程度越大,而这些取向的分子链最终导致了界面结晶形态的不同。随着横晶厚度的增加,界面剪切强度增大,而且界面剪切强度不仅受横晶的影响而且晶型也对其有显著的影响。对于界面为α球晶、α横晶和β横晶的复合材料试样,界面剪切强度依次增大,并且含有β横晶的单纤维复合材料获得的界面剪切强度最大。相对于无定型结构,横晶结构提高了复合材料的拉伸强度,同时,β横晶结构比α横晶结构对复合材料拉伸强度的促进更加明显,且β横晶能有效阻止裂纹扩展。
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