水性聚氨酯（WPU）在高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的應(yīng)用

      PU類(lèi)樹(shù)脂是最早被采用作為高性能纖維復(fù)合材料用樹(shù)脂基體的。由于PU中含有柔性分子鏈，故具有極好的抗彎、抗沖擊等力學(xué)性能，擊碎吸收能大，有較強(qiáng)的剝離強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的耐低溫性能，而被認(rèn)為是理想的高性能纖維材料基體。近些年來(lái)隨著原料和合成工藝的改進(jìn)， 水性聚氨酯的綜合性能得到顯著提高。與溶劑型膠粘劑體系相比， 水性聚氨酯以水為溶劑，膠液的含固量和粘度隨時(shí)間變化不明顯，有利于纖維預(yù)浸成型工藝控制。此外， 水性聚氨酯施膠過(guò)程中毒性揮發(fā)物少，對(duì)工作人員危害程度較小，具有突出的環(huán)保性，在高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中應(yīng)用十分廣泛。

      纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的高性能纖維主要為對(duì)位芳綸（ PPTA）和超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（ UHMWPE）纖維兩大類(lèi)。對(duì)位芳綸是由液晶紡絲方法紡制而成的一種新型特種纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、高韌性和耐高溫、耐酸堿、阻燃、不導(dǎo)電等優(yōu)良性能，其應(yīng)用非常廣泛，曾被稱(chēng)為“全能纖維”，據(jù)統(tǒng)計(jì)用于防彈衣、頭盔等約占7%～8%，航空材料、體育用材料約占40%，輪胎和膠帶骨架材料約占20%，而高強(qiáng)繩索等約占13%。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（ UHMWPE）纖維是以超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯為原料，采用凍膠紡絲方法而制得，該纖維不僅具有高模和高強(qiáng)的特性，其性能如耐疲勞性、耐摩擦性、耐高速?zèng)_擊性、耐光和耐化學(xué)腐蝕均優(yōu)于對(duì)位芳綸，主要應(yīng)用于防彈防護(hù)用品、高強(qiáng)繩索、輕質(zhì)復(fù)合材料及運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域。對(duì)位芳綸和超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維是應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)復(fù)合材料用纖維，并且從嚴(yán)格意義上來(lái)講，兩種纖維的應(yīng)用幾乎均需要纖維與樹(shù)脂基體進(jìn)行復(fù)合才能使用。

      在制備芳綸與橡膠的浸漬液時(shí)，采用兩種體系即環(huán)氧樹(shù)脂與Ionothane水溶液或與甲苯二異氰酸酯的浸漬液體系。 Ionothane是阿克蘇· 諾貝爾公司產(chǎn)品的商品名。這種產(chǎn)品是為響應(yīng)環(huán)保部門(mén)禁用有機(jī)溶劑的號(hào)召而開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種離子尿烷樹(shù)脂的水分散體。與甲苯異氰酸酯體系相比它有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)中的羥基在解封時(shí)與異氰酸酯反應(yīng)，在薄膜周?chē)纬蓾B透網(wǎng)絡(luò)；Ionothane為水溶性季銨基PU浸漬液環(huán)保無(wú)污染；浸漬后簾線(xiàn)強(qiáng)度特別是耐壓縮疲勞性高于合格水平。

      在芳綸生產(chǎn)中采用“雙浴法”浸漬工藝、以封閉TDI為浸漬液、控制浸漬過(guò)程中的熱處理時(shí)間和溫度可使芳綸簾線(xiàn)的抗斷裂強(qiáng)度保持率由60.4%提高到81.2%，可保證芳綸浸漬簾線(xiàn)良好的性能。

      研究了RFL組成及芳綸浸漬工藝對(duì)纖維與橡膠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)粘合性能的影響。采用雙浴法的浸漬工藝，即第一浴采用封端異氰酸酯混合液/環(huán)氧樹(shù)脂，第二浴采用間苯二酚-甲醛-膠乳。由于采用了己內(nèi)酰胺封端異氰酸酯，浸漬后在220 ℃會(huì)產(chǎn)生解封閉作用，釋放出活性的異氰酸根，增加與芳綸表面的相互作用，從而可有效地增加芳綸界面的粘合特性。

      傳統(tǒng)鋼制防彈材料的防護(hù)水平能滿(mǎn)足使用要求，不過(guò)其質(zhì)量和剛性嚴(yán)重降低了此類(lèi)材料在使用中的舒適性，而且還存在跳彈傷人的危險(xiǎn)。芳綸的發(fā)明在防彈復(fù)合材料的發(fā)展史上是一個(gè)巨大的進(jìn)步，采用芳綸織物制成的軟質(zhì)防彈背心在穿著舒適性上取得了革命性的突破，而UHMWPE纖維的出現(xiàn)又進(jìn)一步提高了軟質(zhì)防彈復(fù)合材料的防護(hù)性能。與芳綸相比， UHMWPE纖維具有更高的強(qiáng)度、模量、比強(qiáng)度、比模量及聲波傳遞速度。合肥恒天公司研究了WPU/UHMWPE纖維防彈復(fù)合材料無(wú)緯布預(yù)浸料的成型工藝，認(rèn)為WPU/UHMWPE纖維復(fù)合材料中含PU量對(duì)復(fù)合材料防彈性能的影響最為明顯，當(dāng)含PU量在24%附近時(shí)，復(fù)合材料防彈性能獲得最大值。隨著含PU量的增加，防彈性能迅速下降。認(rèn)為含PU量對(duì)防彈性能的影響原因，當(dāng)較低的含PU量時(shí)樹(shù)脂分散成膜不連續(xù)，與一些纖維不能形成良好的結(jié)合，纖維松散的狀態(tài)在彈擊過(guò)程中容易受壓而滑移使參與防彈的有效纖維數(shù)量減少和縫隙增大，從而導(dǎo)致防彈性能下降；樹(shù)脂過(guò)多則對(duì)界面改善無(wú)更多貢獻(xiàn)，反而對(duì)纖維產(chǎn)生過(guò)度約束，影響纖維的變形抗拉伸斷裂耗能，此外含PU量的增加意味著纖維含量的減少，同樣對(duì)防彈不利。只有樹(shù)脂量控制在23%～26%左右較為適合，靶板防彈性能在此區(qū)間波動(dòng)不大。

      以國(guó)產(chǎn)UHMWPE纖維為材料，采用8股編絞繩編絞工藝和復(fù)合技術(shù)，研制了適合大型抗風(fēng)浪養(yǎng)殖網(wǎng)箱技術(shù)和使用要求的UHMWPE纖維復(fù)合繩，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，繩索的平均抗斷裂強(qiáng)度為PA繩的3.7 倍、 PP繩的4倍。繩索經(jīng)氨酯基樹(shù)脂復(fù)合后斷裂強(qiáng)力平均提高8%，抗斷裂強(qiáng)度達(dá)9.89～13.2 cN/dtex，斷后延長(zhǎng)率為5.5%～9.1%。繩索抗拉伸疲勞性能加載循環(huán)2 400 次后的強(qiáng)力保持率仍達(dá)100%。高強(qiáng)度、低延長(zhǎng)和抗疲勞復(fù)合繩索的研究結(jié)果，可為養(yǎng)殖網(wǎng)箱等海洋工程配套設(shè)計(jì)、安全使用等提供技術(shù)依據(jù)。

      纖維的捻度及浸膠處理將影響UHMWPE纖維繩索的力學(xué)性能及耐摩擦磨損性能。的研究結(jié)果表明， UHMWPE纖維的抗斷裂強(qiáng)度隨著纖維捻度的增加而減小，纖維浸膠處理后的抗斷裂強(qiáng)度增大，當(dāng)UHMWPE纖維中改性氯丁膠粘劑或PU膠粘劑的含量為6%時(shí)，其抗斷裂強(qiáng)度分別增加17.2%或13.9%， 水性聚氨酯膠粘劑處理過(guò)的UHMWPE纖維的耐摩擦磨損性能最好。

      熱塑性PU是一類(lèi)性能優(yōu)良的彈性體水性聚氨酯樹(shù)脂。樹(shù)脂基體在防彈復(fù)合材料中的作用主要是提供適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度，避免纖維在彈丸沖擊下產(chǎn)生滑移，充分發(fā)揮纖維的高強(qiáng)高模特性。例如UHMWPE纖維由于大分子主鏈上沒(méi)有極性基團(tuán)，不能和基體產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合，故界面強(qiáng)度不高。不過(guò)由于界面脫粘也是彈丸沖擊下材料的一種吸能方式，所以這一特點(diǎn)對(duì)UHMWPE纖維復(fù)合材料的防彈性能反而有利。研究人員使用不同的基體樹(shù)脂研究了UHMWPE纖維復(fù)合材料的抗彈道沖擊性能。從防彈效果和實(shí)際應(yīng)用看，熱塑性基體樹(shù)脂較熱固性基體樹(shù)脂更為合適纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，熱塑性基體樹(shù)脂的模量低于熱固性基體樹(shù)脂，而低模量基體樹(shù)脂的阻尼性能優(yōu)于高模量的基體樹(shù)脂，有利于能量的吸收。

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