石墨烯改性超高分子量聚乙烯单丝及其渔网的应用

发布时间：2020-10-10 07:05

　　聚乙烯是当前渔业上使用最多的材料之一,在捕捞作业过程中,渔具材料会直接影响到渔具性能以至于影响渔获的产出。材料的力学性能、蠕变性能、抗老化性能直接影响到渔具的寿命。因此,渔具的生产不光要注重渔具的设计,渔具材料的选择也应该与时俱进。石墨烯由于具有高的拉伸模量和强度,并且具有较大的比表面积、质量轻、热导率和电导率高等优点,一直受材料学界的高度关注,因此石墨烯/聚合物复合材料具有良好的应用前景。但在渔用领域方面,石墨烯改性绳网材料少有研究及应用。本论文利用石墨烯(GR)与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料进行熔融纺丝制备改性单丝及其渔网,并对其热性能、力学性能、蠕变性能、抗老化性能、水动力性能等进行研究,结果如下:(1)采用熔融纺丝法制备了渔用UHMWPE/GR纳米复合纤维,研究了GR含量对UHMWPE纤维结构、热性能、力学性能与抗蠕变性能的影响。结果显示,GR在UHMWPE纤维基体中的以纳米级分散为主,当GR含量为1‰和3‰时,GR在UHMWPE纤维基体中分散均匀,与纯UHMWPE纤维相比,UHMWPE/GR纳米复合纤维的断裂强度和结节强度均有显著提高,而同时蠕变率下降。动态力学性能分析表明UHMWPE/GR纤维中纳米粒子和聚乙烯链段相互作用力增强,晶区附近受限的非晶区链段增多,α转变峰逐渐增强增宽。通过纳米改性技术引入石墨烯之后,可以显著提高超高分子量聚乙烯纤维的力学性能和抗蠕变性能,为实现渔用材料的高性能化提供了理论依据。(2)利用紫外老化试验研究了GR的引入对UHMWPE纤维抗老化性能的影响。红外分析结果显示,与纯UHMWPE纤维相比,UHMWPE/GR的羰基指数增加量从82%下降到了63%。从力学性能的结果来看,经过紫外老化试验后,UHMWPE、UHMWPE/GR复合纤维试样的强力保持率分别为33.6%、37.1%,UHMWPE/GR复合纤维具有更优异的耐老化性能。结果表明,在UHMWPE纤维中引入石墨烯,可以较为显著的提高超高分子量聚乙烯纤维的耐老化性能。(3)以UHMWPE纤维和UHMWPE/GR-3‰纳米复合纤维为基体,编制成渔网(60tex×2×3-25mm),研究了改性前后的UHMWPE渔网的力学性能和网片的水动力性能。结果表明,UHMWPE/GR复合纤维网片的水阻力低于纯UHMWPE网片的水阻力,GR改性渔网的力学性能也得到了显著改善。(4)采用熔融纺丝法制备超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、GR共混纤维(UHMWPE/HDPE/GR),研究了GR含量对UHMWPE/HDPE纤维结构、热性能、力学性能与抗蠕变性能的影响。结果显示,GR在UHMWPE/HDPE纤维基体中的分散基本均匀。与纯UHMWPE/HDPE纤维相比,适当含量的石墨烯引入可以大幅度提高其断裂强强力、结节强力和抗蠕变性能,但当石墨烯含量增至1%以上时,可能出现了团聚导致断裂强力和抗蠕变性能的下降。此外,石墨烯的加入可以有效提高UHMWPE/HDPE纤维的储能模量,体现为纤维刚性的增加,力学性能的增强。
【学位单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S971
【部分图文】：

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图 1-1 新型 UHMWPE 增养殖设施Fig.1-1 Newly UHMWPE farming facilities1.2.3 UHMWPE 改性研究进展在目前高分子纤维合成材料的发展情况下，研制另外一种高性能的新合成材料的难度十分大，所以研究者们就将目标放在了现有材料的改性上[25]。改性在目前的材料工业中所占的地位越来越重要，作用也越来越突出，优点如下：（1）改性是获得所需的特定属性的材料的成本较低的方法；（2）改性是在保证满足要求的情况下降低材料制造成本的有效方法。作为合成纤维新材料之一，UHMWPE纤维虽然拥有很多其他材料不具有的优点，但也存在一些缺陷，例如抗蠕变性差、熔体粘度大以及加工性能差等，与其他工程塑料相比还有表面硬度较低、抗磨粒磨损能力差和热变形温度低等缺点[9-11,26]。为了能使 UHMWPE 在渔业领域得到更加广泛的运用，突破其局限性，需要对其进行改性研究[27]。下面介绍渔用超高分子量聚乙烯纤维改性的相关国内外研究进展。

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(c)图 2-1 不同石墨烯含量的 UHMWPE/GR 复合纤维电镜照片Fig. 2-1 Transmission electron microscopy for nanocomposite monofilament with differentgraphene content2.3.2 UHMWPE/GR 复合纤维的热性能采用 DSC 对纯 UHMWPE 纤维和经过石墨烯改性的复合纤维进行热性能分析，图2-2给出了不同纳米石墨烯含量的 UHMWPE/GR 复合纤维的DSC 分析曲线，根据熔融峰面积计算得到的纤维样品中的聚乙烯结晶度见图 2-3。不同石墨烯含量的UHMWPE的熔点变化不大，这说明UHMWPE基体的片晶厚度不受石墨烯含量的影响。从结晶度变化曲线可以看到，石墨烯的加入可以提高UHMWPE 纤维的结晶度，进而提高改性后纳米复合纤维的刚性，其中石墨烯含量为 3‰的样品结晶度提高较为显著。在 DSC 热分析结果中可以明显看出，经过石墨烯改性后的 UHMWPE 复合纤维的结晶度有了显著提高，当石墨烯含量为 3‰时结晶度提高了 10.6%，这可能是由于石墨烯的引入造成了聚乙烯大分子

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5.3 结果与讨论5.3.1 UHMWPE/HDPE/GR 复合纤维的形态结构图5-1是UHMWPE/HDPE/GR纳米复合纤维的电镜图。未添加石墨烯的UHMWPE/HDPE的断面较为平整（图5-1a），石墨烯的加入改变了UHMWPE的形貌。由图5-1b可知，石墨烯在UHMWPE/HDPE纤维基体中达到了纳米级厚度分散，分散较为均匀。团聚石墨微片易导致纺丝过程中纤维形成应力集中点，熔体流动不稳定，喷头拉伸比下降，影响纤维的可纺性，并降低石墨烯的增强效果。UHMWPE/HDPE/GR-2%纳米复合纤维在纺丝过程中出现毛丝、断丝。因此，本文主要研究质量分数≤2％的石墨烯对纳米复合纤维的影响。

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