聚丙烯纤维表面结构调控及其增强复合材料的性能研究

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聚丙烯(PP)纤维是五大合成纤维之一,由于其质轻、高强及耐腐蚀的特性而广泛地应用于建筑、工程等领域。但是PP纤维的亲水性较差,表面无极性基团,表面能较低,与亲水性基体材料的相容性以及在其中的分散性不佳,限制了PP纤维在增强复合材料中的应用。因此,赋予PP纤维表面亲水性,增加表面的粗糙度,提高其与基体粘结性,改善其在基体材料中的分散性,是提高其复合材料加工性和使用性的技术趋势。本文以羟基化聚丙烯(PPOH)、马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)为改性原料,添加含量为10wt%的四种不同分子量、功能基团含量的PPOH和PP-g-MAH通过熔融共混纺丝的方法制备改性PP纤维,并加入水泥制备了纤维增强复合材料。具体研究内容和结论如下:(1)改性PP共混纤维的制备与性能研究:添加PP-g-MAH和羟基插入率低于2mol%PPOH的共混物零剪切粘度(η0)均低于纯PP,流动性增强易于纺丝加工;而共混10wt%插入率为3.5mol%的PPOH-2的共混物零剪切粘度相较于PP提升了18.1倍,羟基间的强相互作用使共混物体系流动性下降,纺丝加工较为困难。热重分析仪(TG)和差示扫描量热法(DSC)的结果表明共混物的初始分解温度与熔点变化不大,而共混物的结晶度与PP相比均有所下降。PP-g-MAH和PPOH共混单丝纤维的扫描电镜(SEM)照片表明,共混纤维PPOH-2 10%、PPOH-3 10%的表面积有所增加;结合共混纤维表面形貌及共混物DSC分析研究共混原料相容性,表明PPOH-1、PPOH-4、PP-g-MAH与PP的相容性良好,PPOH-2与PP的相容性较差,PPOH-3与PP部分相容。PP-g-MAH和PPOH共混全拉伸丝(FDY)的DSC测试表明PPOH-1 10%FDY及PP-g-MAH 10%FDY的结晶度分别降低19.8%和23.5%,声速法测得PPOH-1 10%FDY及PP-g-MAH10%FDY的取向度均降低,取向因子分别为0.76和0.72;复丝的SEM照片表明两种亲水共混纤维表面光滑,在拉伸过程中未发生相分离。(2)改性PP纤维增强复合材料的制备及性能研究:PPOH-1 10%及PP-g-MAH 10%复丝的断裂强度分别为4.35c N/dtex和4.05c N/dtex,低于市售建筑用聚丙烯纤维强度7.05%和13.5%。接触角(CA)测试结果表明PPOH-1 10%FDY的接触角为86°,较PP纤维降低26.5%,在水中具有良好的分散性。改性PP纤维与水泥基体粘结强度结果表明,极性与不同表面形貌共存纤维与水泥基体的粘结效果更好,PPOH-3 10%的单丝粘结强度较纯PP提高44.1%。复合材料的弯曲机械性能结果表明极性聚合物的添加可以提高复合材料的抗折性能,PPOH-1 10%复丝复合材料的抗折强度为3.53MPa,较纯PP纤维提升62.7%。
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