固体聚合物的表面张力研究
2004年第5期玻璃钢/复合材料7
固体聚合物的表面张力研究
孙慕瑾, 笪有仙
(中国科学院化学研究所, 北京 100080)
摘要: 由倾斜法及静滴法测定了聚合物纤维及板材的浸润临界表面张力。应用S. Wu 调和平均法测算其表面能及应用李联欢公式由聚合物本体性能Tg 计算其表面能, 结果表明测算的结果与实验值基本上一致, 说明计算的方法是可行的。
关键词:临界表面张力; 固体表面能; 玻璃转变温度(Tg )
中图分类号:063; O64711 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2004) 05-0007-03
1 前 言
固体总是通过它的表面与外界事物发生联系, 表面张力则是固体表面一个重要的热力学参量。它
是固体物质表面现象发生的根据, 因此对它的研究, 有一定的理论意义和实际应用价值。但目前尚无可靠的直接测定固体物质表面张力的方法, 这是因为固体聚合物不具有流动性, 所以现有的测定表面张力技术都不能使用。为了要得到这个重要的参量, 目前都只能采用一些间接的办法来测定固体聚合物的表面张力。本文拟用Zisman 张力γs 。能得到γc 和γs , 使其应用普遍性受到了局限。为此本文试图从聚合物的本体性能Tg 来测算固体聚合物的表面张力, 建立表面性能与本体性能间的关系, 使获得表面张力更为容易的普遍性。因为测定固体聚合物的本体性能Tg 方法很多, 而且容易得到, 尤其Tg 是聚合物的特征参数, 几乎所有的聚合物都已有定值, 因此从Tg 测算表面张力, 其应用就具有很大的普遍性和方便性。
212 测 试
各测试液的表面张力γ1及表面张力色散分量
d p γ1和表面张力极性分量γ1分量如表1所示。
d p
表1 各测试液的γ1, γ1, 和γ1数值
表面张力
γ1/mN ・m -1
水甘油溴代萘
[1**********]16
d
γ1/mN ・m -1
p
γ1/mN ・m -1
[***********]16
[**************]0
将芳纶纤维直接编成辫子, 在扭辫分析仪上测
定Tg , 其它聚合物配成溶液, 浸渍在玻璃纤维辫子上, 由扭辫分析仪测定Tg 。
3 结果与讨论
311 实验结果
(1) 固体聚合物的浸润临界表面张力
γ1, 用根据浸润临界表面张力的定义γc =lim θ
→0
KH 2903型多功能接触角测定仪倾斜法测定各测试
液对聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的接触角, 结果如表2和图1所示。
表2 各测试液在纤维表面上的接触角
测试液γ1/mN ・m -1
θ/度
cos θ
2 实验部分
211 材料及仪器
水
[1**********]6
甘油
[1**********]0
甲酰胺二碘甲烷
[1**********]8
[1**********]7
溴代萘
[1**********]597
材料有聚对苯二甲酰对苯二胺纤维, Φ为
μm , 上海合成纤维所生产; 聚甲基丙烯酸甲酯, 板12
材, 锦州化工厂生产; 甘油, 分析纯; 甲酰胺, 分析纯; 二碘甲烷, 分析纯; 溴代萘, 分析纯; 水, 二次蒸馏水。仪器采用KH 2903型多功能接触角测定仪和KH 2903型微机化扭辫分析仪。
θ=1处交 由图1实验线外推到θ=0, 即与cos
点, 对应的表面张力即纤维的浸润临界表面张力γc =4013mN/m 。
收稿日期:2003207215
作者简介:孙慕瑾(1931-) , 男, 研究员, 主要从事复合材料界面研究。
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8固体聚合物的表面张力研究
d p
γs =γs +γs
2004年9月
(3)
解得结果γs =41111mN/m 。
将水及甲酰胺对聚甲基丙烯酸甲酯的接触角以
d p d p
及二者的γ11, γ11, γ11, γ12, γ12, γ12的值代入调和平均方程式(1) 和(2) 中测算聚甲基丙烯酸甲酯的γ解得结果γs 。s =4013mN/m 。
(3) 由本体性能Tg 测算固体聚合物的表面张
图1 聚对苯二甲酰对苯二胺纤维表面上
θ关系各测试液的γ1与cos
力γs
李联欢(1) 根据内聚能密度与表面张力及Tg 的关系, 从理论上推导得到方程式(4) , 并从实验上证实了由式(4) 测算结果与实验测得结果基本上一致。
0188171γ(4) =(0103R T -115) (n
Tg 为固体聚合物玻璃化转变温度(0K ) ; V m 为
用KH 2903型多功能接触角测定仪静滴法测定
各种测试液在聚甲基丙烯酸甲酯表面上的触角, 结果如表3和图2所示。
表3 各种测试液在PMMA 表面上的接触角
测试液γ1/mN ・m -1
θ/度θ
cos
水
[1**********]4
甘油
[1**********]6
甲酰胺二碘甲烷
[1**********]3
[1**********]7
溴代萘
[1**********]3
结构单元克分子体积;n 为无量纲的自由度数; R 为
气体常数11987卡/克分子・度;
式(中除, 其它参量都可:为5730K , 查得n =36,V m =170,
甲酯的γs :由TBA 测得聚甲基丙烯酸甲酯的Tg 为3750K , 查得n =34, V m =8418,
式, 计算得到γs =41135mN/m 。312 讨 论
θ关系图2 PMMA 板材表面上各种测试液的γ1与cos
θ=1处交 由图2实验线外推到θ=0, 即与cos
点, 对应的测试液表面张力即为PMMA 的浸润临界表面张力γc =4110mN/m 。
(2) 调和平均法测算固体聚合物的表面张力γs 将水及甲酰胺对纤维的接触角以及二者的d p d p
γ11, γ11, γ11, γ12, γ12, γ12的值代入调和平均方程式(1) 和(2) 中测算聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的γs 。
d d d d
(1+cos θ) γ11=4[γ11γs /(γ11+γs )
p p p p
γ+γ11s /(γ11+γs ) ]
d d d d
(1+cos θ) γ12=4[γ12γs /(γ12+γs )
p
p
s /
p
p s )
实验测得与理论测算得到的聚合物表面能值列于表4。
表4 实验测得与理论测算得到的聚合物表面能值
聚合物芳纶纤维有机玻璃
实验测得的γm -1s /mN ・
40134110
调和平均方程计算的
γm -1s /mN ・
41114013
由Tg 计算的γm -1s /mN ・
4411041135
(1)
由结果可知, 实验值与测算值基本上一致, 因此对于一些未知表面张力的固体聚合物, 可以应用接触角测定仪, 测两个已知表面张力的测试液对它的接触角, 即可求得表面张力。如果不具备表面性能测试
设备, 也可以应用文献上的数据, 或自己测定聚合物
(2) +γ12γ(γ12+γ]
的本体性能Tg , 进而求得固体聚合物的表面张力。
STU DY ON SURFACE TENSION OF SOL ID POLYMER
SUN Mu 2jin , DA Y ou 2xian
(Institute of Chemistry , China Academy of Science , Beijing 100080, China )
Abstract :Wetting critical surface tension (γc ) of polymer fibre and plate are determined by inclination and
(下转第11页) FRP/CM 2004. No. 5
2004年第5期玻璃钢/复合材料11
示。虽然这样, 但弹头与复合材料却紧紧地嵌在一起的, 不能动弹, 从而起到了防弹的作用。可见, E J 120高强板玻璃纤维布确是一种不错的防弹材料。其最大优点价格便宜、易浸润、工艺性好和粘结力强。复合材料刚性、强度、韧性都不错。弹头在材料中被阻击开花且转了弯, 仍没产生分层现象。不过根据本文实弹射击结果看, 对于防卫微型冲锋枪射击, 板厚应设计为15～16mm 为宜。
No. 4高强度韧板为E J 120高强玻纤布与U HMPE 布压成的混杂复合材料。首先着弹的凸面
非常费劲。不过, 层内的U HMPE 纤维几乎没被树脂浸渍。故当弹头沿着这一硬→软→硬→软的介质前进时是很容易按照光学的折射原理而产生拐弯的。当转90°后弹头阻力面积增大, 不再前进而停下, 而剩余的动能和中弹后进入材料猛烈摩擦产生的热一下子在停下(驻弹) 的地方急剧释放, 使两侧材料迅速受热膨胀而分层并使外层(即底部) 的纤维也胀断。如欲使底层纤维保护好, 目前板厚111mm 是不够的, 要多铺设一些U HMPE 布。板厚设计在15～16mm 较合适。
处用了4层E J 120布, 以后全为U HMPE 布。射击后的破坏情况与No. 3板有点相似, 也是在凹面处弹头把U HMPE 布掀起一小鼓包, 小包顶部纤维被拉断而露一小孔。拉断的U HMPE 纤维由于没被胶浸润而松散地飘露着。经检查, 弹头留在板内, 所以孔是不通的; 而在驻弹的两侧沿厚度严重分层。后顺分层处把板撬开, 发现弹头也沿着弹孔水平转了90°, 弹头被完整地墩成一短靴状,Cu 皮只少许胀裂,Pb 芯完好地包在其中, 如图3(c ) 所示进, U HMPE 层后, , 约为5%, 与本文基体结合成吸收能量较好的体系。但U HMPE 布却是一种不易被树脂浸润的材料, 表层
4 结束语
在上述防弹复合材料中No. 2和No. 4是采用混杂复合材料技术制成的。其中尤以No. 2用强度、刚度好但脆性大和韧性良好的E 玻璃纤维混杂的防弹效果最好, 而且推广应用于防爆板方面也取得一定成绩。, 。因为混杂的, , 又、某些介质不适应时, 即毫无贡献。
参考文献
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涂抹树脂后在压机的压力下固化, 粘结力虽不像玻璃纤维布好, 但层与层粘合得还不错, 在撬开时感觉
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[3]王禹阶, 张长发, 陈博. 玻璃钢技术问答[M ].中国玻璃钢工业协
会,1981.
ANTI 2BU LL ET CARB ON FIBER REINFORCE D PLASTICS
L I Jia 2ju , ZHAN G Mao 2an
(Guangzhou K opou Co. , Ltd. , Guangzhou 510290, China )
Abstract :This paper mainly introduces using the hybrid technique of composites to solve the problem in anti bullet and explosion applications. Two kinds of effective bulletproof composites are reviewed. The hybrid tech 2nique of composites is the way to obtain new materials of anti 2bullet and impact resistance to high speed exploding object.
K ey w ords :composites ; hybrid technique ; bulletproof.
(上接第8页)
sessile drop methods. The surface energy is estimated by using S 1Wu πs harmonic mean method. The surface en 2ergy is calculated from glass transiation temperature (Tg ) by Lieng 2Huang Lee πs formula. The main unity be 2tween estimated and experimental values is indicated by the results. These values explaining the estimated method to be used is reliable.
K ey w ords :critical surface tension ;solid surface energy ;glass transition temperature (Tg )
FRP/CM 2004. No. 5