近年来，纤维增强复合材料在汽车工业、航空航天和军事等领域得到了广泛应用，其需求量更是呈指数增长。超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE Fiber）作为三大高性能纤维之一，具有高比强度的优点，是作为轻量化复合材料增强体的理想材料。然而该纤维也存在相对模量较低、抗蠕变性差、与基体树脂界面粘接强度低等缺点，从而限制了其在复合材料中的应用。近日，南京工业大学通过在UHMWPE纤维表面共沉积PDA/POSS 过渡层来有效改善纤维与树脂的界面结合强度，并结合适度电晕交联，从而提高UHMWPE纤维复合材料的机械强度。文章发表于期刊《Polymer》，论文标题为“A novel PDA/POSS transition layer on the surface of UHMWPE fibers by co-depositing to improve the mechanical properties of composites”。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维的表面处理是超高分子量聚乙烯纤维复合材料应用的关键技术之一。该研究在电晕预处理的UHMWPE纤维织物表面共沉积聚多巴胺（PDA）和多面体低聚硅倍半氧烷（POSS），形成界面过渡层，使纤维与树脂基体之间的载荷分布均匀高效，显著提高了UHMWPE纤维复合材料的韧性和刚性。 多面体低聚硅倍半氧烷（POSS），作为一种纳米结构的有机-无机杂化材料，能显著改善有机聚合物的热性能和机械性能。该研究采用三烷氧基硅烷（APTES 或 GPTMS）水解缩合形成 POSS，同时盐酸多巴胺氧化自聚形成 PDA，它们共同沉积在超高分子量聚乙烯纤维织物的表面形成界面过渡层。相较于未处理的UHMWPE纤维，采用该研究处理后的UHMWPE纤维与基体树脂的界面强度（IFSS）提高了近1倍，复合材料的抗冲击性能提高了72%，达到 218.6 kJ/m2，抗弯模量提升143%，至7.8 GPa，其中抗冲击性能是同等体积含量碳纤维（T300， 70 Vol.%）的2.7倍。图1 超高分子量聚乙烯纤维的粘合强度（a）、超高分子量PE纤维/环氧树脂复合材料的IFSS（b）、超高高分子量聚乙烯光纤织物/环氧复合材料的冲击强度（c）、光纤织物复合材料的弯曲性能（d）。
该研究也对UHMWPE纤维复合材料的增强机理进行了探讨，研究表明：UHMWPE纤维增强复合材料的失效主要归因于基体树脂断裂的能量吸收、界面损伤和基体树脂与纤维之间的相对滑动、纤维屈服变形和纤维断裂，这与刚性碳纤维复合材料的屈服破坏有一定的区别。该研究通过在UHMWPE纤维表面共沉积新型 PDA/POSS 过渡层来有效改善纤维与树脂的界面结合强度，通过系统的实验和理论研究，验证了该方案的可行性。这一研究为UHMWPE纤维在复合材料领域的应用提供了一定的研究基础。Yu Zhang,Zhaoyuan Jing,Guodong Jiang,Fanmin Kong,Xiaolian Wu,Yanhua Bao,Sheng Cui,Yucai Shen(2024).A novel PDA/POSS transition layer on the surface of UHMWPE fibers by co-depositing to improve the mechanical properties of composites. 2024：127856.https://doi.org/10.1016/j.polymer.2024.127856☟ 文献求助可添加QQ群：640676531，540731372投稿邮箱：mech_of_comps@yeah.net
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