利用廢舊纖維制備非織造布蜂窩夾層復合材料及其性能研究

孫洪強 粘偉誠 王山英 許蘭濤 田雨勝 吳曉青

(1.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津，300387;2.福建鑫華股份有限公司，泉州，362241)

我國紡織廠每年產生的邊角料以及廢舊服裝的數量非常可觀，廢舊紡織品的回收再利用不僅可以節約大量資源，而且可以減輕紡織工業對環境的污染。非織造生產工藝可以使用各種紡織下腳料，傳統的利用廢舊纖維制造的非織造布主要用在過濾材料、鞋材、建筑內飾材料、土工材料、家紡材料、汽車內飾和箱包材料等方面。國內在開發利用纖維廢棄物方面起步較晚，只單純地做一些地毯、襯墊和包裝填充物等低檔紡織品［1-3］。

蜂窩夾層結構板具有質量輕、強度高、剛性好的特點。傳統制作蜂窩夾層結構材料一般是以玻璃鋼、鋁合金和 Nomex紙等為原料［4-8］，大多用在航空航天領域，以及火車、船舶等交通工具上。

目前國內外還沒有對用廢舊纖維非織造布制備蜂窩夾層復合材料方面的研究，如果對其進行深入的研究，則可以使其在室內裝飾工程和家具等方面更好地發揮作用。另外，該蜂窩夾層復合材料是由廢舊纖維加工而成的非織造布制備的，

實現了資源的回收利用，節約了資源，降低了成本，且原料豐富，能夠達到保護環境的目的。因此，開發一種以廢舊纖維非織造布為原料的蜂窩夾層復合材料具有重要意義。

本文以廢舊纖維非織造布為原料，制備了蜂窩夾層復合材料，研究了廢舊纖維非織造布面板的拉伸和彎曲性能以及不同蜂格邊長的蜂窩夾層復合材料的壓縮和彎曲性能。

1 非織造布蜂窩夾層復合材料的制備

1.1 模具設計

制備蜂窩夾層結構材料時，先要進行模具設計。本研究設計了蜂格邊長分別為15、20和30 mm的三種模具。圖1是蜂格邊長為15 mm的模具設計簡圖。

1.2 蜂窩夾層復合材料的制備

圖2是非織造布蜂窩夾層復合材料的制備流程。

1.2.1 蜂窩面板

采用兩層面密度為95.81 g/m2、厚度為0.48 mm的非織造布作為增強材料，選用乙烯基樹脂，通過真空輔助樹脂模塑成型(VARTM)工藝制得非織造布蜂窩面板。

圖1 蜂窩波紋板模具設計簡圖

圖2 非織造布蜂窩夾層復合材料制備流程

1.2.2 蜂窩芯子

(1)在制造好的芯模上涂脫模劑，完全干后再涂一次，如此重復2～3次;

(2)將裁剪好的非織造布稱重，然后平整地鋪放在塑料膜上;

(3)配制樹脂，添加固化劑，攪拌均勻;

(4)將樹脂均勻地涂刷到非織造布上，涂好后蓋上另一層塑料膜，然后用刮板反復刮幾次，讓塑料膜與涂有樹脂的非織造布緊密結合，并將其中的氣泡全部趕出;

(5)將上述非織造布放置到模具上，并將其壓制成半六角形，待其固化;

(6)將固化好的半六角形蜂窩芯片取下，裁剪打磨整齊，按所需的高度切割，再用膠黏劑將各波形條黏結，等膠黏劑固化后即成蜂窩芯子。

本試驗制備了蜂格邊長分別為15、20和30 mm的非織造布蜂窩芯子，如圖3所示。

圖3 不同規格的非織造布蜂窩芯子

1.2.3 蜂窩夾層復合材料

將面板與蜂窩芯子用膠黏劑黏結，制成非織造布蜂窩夾層復合材料，如圖4所示。

圖4 不同規格的非織造布蜂窩夾層復合材料

2 非織造布蜂窩夾層復合材料性能

2.1 蜂窩面板

面板的拉伸性能測試按標準 GB/T 1447—2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法進行，彎曲性能測試按標準GB/T 1449—2005纖維增強塑料彎曲性能試驗方法進行。

非織造布蜂窩面板的拉伸和彎曲性能測試結果見表1。

2.2 蜂窩夾層復合材料

平壓性能測試按標準GB/T 1453—2005進行，彎曲性能測試按標準GB/T 1456—2005進行。平壓的加載速度為0.5 mm/min，彎曲的加載速度為2 mm/min。

表1 非織造布蜂窩面板的拉伸和彎曲性能

2.2.1 平壓性能

表2是不同蜂格邊長的非織造布蜂窩夾層復合材料的平壓性能測試結果。

表2 非織造布蜂窩夾層復合材料的平壓性能

蜂格邊長/mm 平壓強度/MPa 芯子平壓模量/MPa 15 2.41 51.24 20 1.43 28.76 30 1.13 20.86

由表2可知:蜂格邊長為20和30 mm的蜂窩夾層復合材料與蜂格邊長為15 mm的蜂窩夾層復合材料相比，平壓強度分別降低了40.66%和53.11%，平壓模量分別降低了43.87%和59.29%，以15 mm蜂格邊長的蜂窩夾層復合材料的平壓性能最好;隨著蜂格邊長的增加，其平壓強度和芯子平壓模量都呈線性減小。這是由于上述幾種規格的蜂窩夾層復合材料的蜂格壁厚和蜂格高度相同，在相同面積下蜂格邊長越小，蜂窩芯子與面板的接觸面積越大，參與承載的蜂格越多，因而平壓性能越好。

圖5是蜂格邊長分別為15、20和30 mm的三種非織造布蜂窩夾層復合材料的平壓載荷—位移曲線，可以觀察到曲線均是在開始階段較平緩，然后斜率變大達到最大值，最后開始下降。這是因為在開始階段蜂窩與面板之間結構膠有一定厚度，先是膠層發生彈性失穩，然后隨著載荷的增加蜂窩芯內開始有響聲，雙層蜂窩壁內部發生脫膠，同時單層壁發生屈曲，逐漸蜂窩夾層復合材料失去了對變形的抵抗能力，所以壓力開始逐步下降。

圖5 平壓載荷—位移曲線

2.2.2 彎曲性能

表3是不同蜂格邊長的非織造布蜂窩夾層復合材料的彎曲性能測試結果。

表3 非織造布蜂窩夾層復合材料的彎曲性能

由表3可知，非織造布蜂窩夾層復合材料的彎曲性能受蜂格邊長的影響很大，蜂格邊長由15 mm增加到30 mm，其彎曲強度、芯子剪切應力和面板應力都呈現逐漸減小趨勢，其中以蜂格邊長為15 mm的蜂窩夾層復合材料的彎曲性能最佳。這是由于蜂格邊長大，單位面積內蜂窩芯子與膠的接觸面積小，使其黏結強度降低，導致面板與芯子之間有效的結合降低。

3 與用其他材料制成的蜂窩夾層結構材料的性能比較

傳統的蜂窩夾層結構材料一般采用玻璃鋼、Nomex紙和鋁合金等制成。采用廢舊纖維制備的非織造布蜂窩夾層復合材料的平壓性能與傳統的蜂窩夾層結構材料的平壓性能比較列于表4。

表4 幾種蜂窩夾層結構材料的平壓性能

由表4可知:

(1)廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復合材料的平壓強度較Nomex蜂窩、634環氧玻璃鋼蜂窩和618環氧玻璃鋼蜂窩低。最主要原因是廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復合材料是用不連續的短纖維制成的，在整體性能上較用連續長纖維制成的材料有一定的差距，而非織造布蜂窩的蜂格邊長遠比其他材料蜂窩的蜂格邊長要長，這也是導致平壓強度低的一個因素。

(2)廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復合材料比307聚酯玻璃鋼蜂窩夾層結構材料的平壓強度高。由于兩者的蜂格邊長相同，而前者的蜂壁厚度比后者大許多，蜂窩壁厚使蜂窩芯承載的面積大，因而抗壓強度高;廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復合材料比鋁蜂窩夾層結構材料的平壓強度也要高，前者蜂格邊長大但其蜂壁厚，而鋁合金材料本身的抗壓性能要比非織造布復合材料好，因此可以說明蜂壁厚度對蜂窩夾層復合材料的平壓強度有較大影響。

由上可見，在室內裝飾工程和對環保要求很嚴格的現代家具行業中，廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復合材料是一種可供選擇的性能良好的輕質板材，具有潛在的應用市場。

4 結論

(1)進行模具設計，制備非織造布蜂窩芯子;以廢舊纖維非織造布為增強材料，選用乙烯基樹脂，采用VARTM工藝制備面板;再將面板與制好的蜂窩芯子黏結，即可制備出廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復合材料。

(2)在蜂格邊長分別為15、20和30 mm的非織造布蜂窩夾層復合材料中，其平壓強度、芯子平壓模量、彎曲強度、芯子剪切應力和面板應力都呈現出隨蜂格邊長的增大而減小的趨勢，其中以蜂格邊長為15 mm的材料性能最佳。

(3)在輕質板材中，廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復合材料是一種性能很好的可供選擇的材料，在建筑行業、室內裝飾工程和家具行業等領域具有潛在的應用市場。

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