經編間隔織物增強軟質聚氨酯復合材料的壓縮性能

王棟棟，龍海如

(東華大學，上海 201620)

經編間隔織物增強軟質聚氨酯復合材料的壓縮性能

王棟棟，龍海如*

(東華大學，上海 201620)

采用一步法發泡工藝制備了6種經編間隔織物增強軟質聚氨酯復合材料，并進行壓縮性能測試，探討了織物表面結構、聚氨酯泡沫中的含水量對復合材料壓縮性能的影響。試驗結果表明：織物表面結構緊密(含有更多間隔絲)的復合材料壓縮性能較好；但隨著含水量的增加，材料的抗壓能力下降；含水量少的材料雖然耐壓，但手感較硬，舒適性差。

經編間隔織物；軟質聚氨酯泡沫；壓縮性能

經編間隔織物是指在前后針床上單獨編織的兩個表面，通過間隔紗連接而形成的三維立體結構織物[1]。與傳統的二維織物、夾層結構的材料等相比，經編間隔織物可一次性編織且兩表面不會發生脫層現象，具有良好的透氣性、力學性能等，被應用于許多領域[2-4]。近年來，許多研究者對該材料的性能進行了研究，指出織物的厚度、間隔絲的直徑、排列方式等影響著織物的壓縮性能[5-6]。但是間隔絲易“失穩”的特點限制了該材料的應用。

軟質聚氨酯泡沫是由多元醇、異氰酸酯及其他助劑反應制備而成的高分子聚合物[7]，其優良的彈性被廣泛應用于墊材、功能面料、運動裝備等領域。研究人員對聚氨酯泡沫性能做了大量的分析，如配方中水分含量、表面活性劑、催化劑、交聯劑的變化來改變泡沫的泡孔結構，進而影響聚氨酯泡沫的性能[8-11]。

經編間隔織物常與聚氨酯泡沫的性能對比，但以間隔織物為增強體、聚氨酯為基體組成的材料研究較少。利用軟質聚氨酯泡沫優良的彈性，減緩間隔絲易“失穩”的現象，制備一種新的材料(經編間隔織物增強軟質聚氨酯泡沫復合材料)，并對材料的壓縮性能進行測試。

1 試驗部分

1.1 經編間隔織物

試驗選用了在機號為E20的雙針床拉舍爾經編機上編織的4種不同結構參數的經編間隔織物，采用150 dtex的滌綸復絲編織兩表面，采用直徑為0.05 mm的滌綸單絲編織間隔層，其表面組織及具體參數如圖1和表1所示。

圖1中A、B為經緞組織，從圖1中可以看出B的縱密要大于A；C為經平組織。由表1可知，表面結構緊密的織物SF5和SF6含有更多的間隔絲。

1.2 復合材料制備

采用一步法發泡工藝在室溫下制備經編間隔織物增強軟質聚氨酯復合材料。按配方稱取一定量的多元醇、水、表面活性劑、催化劑等，攪拌2～3 min配成A料。稱取一定量的異氰酸酯為B料，將B料倒入裝有A料的杯中，高速攪拌4 s后倒入模具中，并迅速將織物置于模具中后快速合模，使聚氨酯泡沫均勻地填充在織物中，熟化15 min后開模。

此外，為探究聚氨酯配方中不同含水量對材料性能的影響，制備了含有1份、1.5份以及2份水的經編間隔織物增強軟質聚氨酯復合材料，具體參數見表2。

1.3 性能測試

壓縮性能按照GB/T 8168-2008進行測試。

2 結果與討論

2.1 典型復合材料分析

以復合材料C6的應力-應變曲線為代表分析材料在不同壓縮階段的壓縮行為，并與相同厚度下的純聚氨酯的壓縮行為進行對比。它們的壓縮應力-應變曲線如圖2所示。

由圖2可知，復合材料C6在整個壓縮過程中的壓縮強度明顯大于聚氨酯的壓縮強度，這說明經編間隔織物對復合材料壓縮性能起到了增強作用。材料的整個壓縮過程可分為3個階段。第Ⅰ階段，應力隨應變的增大迅速上升，聚氨酯泡沫和間隔絲同時承力，間隔絲由于被泡沫包覆使其抗彎性能得以提高。材料在第Ⅱ階段呈現出“小應力，大變形”，該階段材料的變形主要包括間隔絲的彎曲和聚氨酯泡沫的變形甚至破裂。當應力超過材料所能承受范圍時，材料發生快速致密化進入第Ⅲ階段。

表1 經編間隔織物的基本參數

表2 復合材料及聚氨酯的基本參數

注：C3～C6表示聚氨酯配方中含有1.5份的水，C6(1)和C6(2)表示分別含有1份和2份水。

對于材料的壓縮性能，通常以屈服階段中上屈服點的強度以及屈服階段所占的范圍來評價抗壓性能、能量吸收的好壞。抗壓性能可以通過材料在壓縮階段所做功W來表征：

(1)

能量吸收效果可采用能量吸收率E來表征：

(2)

圖3是C6的壓縮及能量吸收曲線。在Ⅰ階段，C6能量吸收隨應變的增大而增加，并且能量吸收率在位于上屈服點時達到最大；進入Ⅲ階段，C6的能量吸收隨應變的增大出現下降的趨勢。圖中的陰影部分表示C6從Ⅰ階段至Ⅱ階段所做的功。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 間隔織物表面結構對復合材料壓縮性能的影響

復合材料C3～C6的壓縮應力-應變及能量吸收曲線如圖4和圖5所示，表3為材料壓縮過程中的相對指標。可以發現C5與C6的壓縮強度要大于C4與C3，并且所有材料從初始階段到屈服階段的應變均超過50%。

由表1可知，間隔織物SF3與SF6、SF4與SF5的厚度十分接近，但SF5和SF6的表面結構較SF3、SF4緊密(SF5與SF6的縱密要大于SF3與SF4)，更重要的是，表面結構緊密的間隔織物中含有更多的間隔絲。與聚氨酯復合后，表面結構緊密的復合材料C6和C5的硬度大于C3和C4的硬度。在壓縮過程中，含間隔絲較多的材料(較硬的材料)可承受更多的壓力，而聚氨酯泡沫對間隔絲的包覆作用，又進一步提高了間隔絲的抗彎性能，從而材料具有更好的抗壓性能。從表3中可知，C5和C6的壓縮評價指標均要優于C4和C3。

材料編號總壓縮功/J能量吸收率初始階段到屈服階段應變/%應力/MPa壓縮功/JC321.450.24550.620.47711.74C422.990.25051.250.51413.09C527.020.26852.950.60616.99C627.360.26350.830.59516.14

2.2.2 聚氨酯配方中含水量對復合材料壓縮性能的影響

不同含水量的復合材料的壓縮曲線如圖7所示。從圖中觀察到：含1份水的復合材料C6(1)壓縮性能要好于含有1.5份水及2份水的復合材料。

從表2可知，含有1份水的復合材料C6(1)的密度為0.377g/cm3，硬度為72，要大于含有1.5份及2份水的復合材料的密度及硬度。材料的密度和硬度隨著含水量的增加而下降，聚氨酯泡沫的泡孔卻隨著含水量的增加而增大甚至發生破裂，如圖6所示。

泡沫泡孔增大，材料硬度下降導致材料在壓縮過程中易于變形，并且泡沫對間隔絲的支撐作用也進一步減弱，使得含水量較多的復合材料容易被壓陷，抗壓縮能力變差。含1份水的復合材料C6(1)的密度、硬度大，抵抗壓縮的能力好，但由于材料較硬，手感較差，其舒適性不如含水量較多的材料。

3 結論

(1)經編間隔織物作為增強體，提高了復合材料的壓縮性能。所有復合材料從初始階段到屈服階段的應變均超過50%，這說明所制得的復合材料的抗壓能力較理想。

(2)聚氨酯泡沫對間隔絲的包覆作用影響材料的壓縮性能，表面結構緊密(含有更多間隔絲)的復合材料具有較好的抗壓縮性能。

(3)含水量的增加會導致材料抗壓能力的下降，但含水量少的復合材料硬度偏大，手感及舒適度差，在選擇聚氨酯配方時，需綜合考慮。

[1]LiuYP，HuH.Compressionbehaviorofwarp-knittedspacerfabricsforcushioningapplications[J].TextileResearchJournal, 2011，82(1):1-10.

[2]ChenS，LongHR.Mechanicalpropertiesof3d-structurecompositesbasedonwarp-knittedspacerfabrics[J].AutexResearchJournal，2015，15(2):127-137.

[3]ZhiC，LongHR.Compressivepropertiesofsyntacticfoamreinforcedbywarp-knittedspacerfabric[J].CellularPolymers，2015，34(4):173-188.

[4]LiuYP，HuH，LongHR，etal.Impactcompressivebehaviorofwarp-knittedspacerfabricsforprotectiveapplications[J].TextileResearchJournal, 2012，82(8):773-788.

[5]GuoXF，LongHR.Investigationontheimpactandcompression-after-impactpropertiesofwarp-knittedspacerfabrics[J].TextileResearchJournal, 2013，83(9):904-916.

[6]VelosaJC，RanaS，FangueiroR，etal.Mechanicalbehaviorofnovelsandwichcompositepanelsbasedon3D-knittedspacerfabrics[J].JournalofReinforcedPlasticsandComposites,2012，31(2):95-05.

[7] 徐培林，張淑琴.聚氨酯材料手冊[M].北京：化學工業出版社，2011.

[8]Qian-ShuLu,Lan-HuiSun.Optimizationonthethermalandtensileinfluencingfactorsofpolyurethane-basedpolyesterfabriccomposites[J].Composites:PartA,2010,41(8):997-1 005.

[9] 王 娜，周冬杰，顧 堯.發泡工藝對高回彈聚氨酯泡沫塑料發泡速率及泡孔結構的影響[J].上海塑料, 2012，160(4):31-36.

[10]王 娜，顧 堯.發泡工藝對高回彈聚氨酯泡沫塑料力學性能的影響[J].上海塑料,2013，161(1):13-18.

[11]ThirumalM,DipakK,NikhilS,etal.EffectofFoamDensityonthePropertiesofWaterBlownRigidPolyurethaneFoam[J].JournalofAppliedPolymerScience,2008，108(3):1 810-1 817.

Compression Properties of Warp-knitted Spacer Fabric Reinforced Flexible Polyurethane Composites

WANG Dong-dong, LONG Hai-ru*

(Donghua University, Shanghai 201620, China)

Six kinds of warp knitted spacer fabric reinforced flexible polyurethane composites were prepared by one-step foaming process. Compression test was carried out to investigate the effects of fabric surface structure, water content of polyurethane foam on the compression properties of composites. The results showed that composites with denser surface structure (containing more spacer yarns) had good compression performance. However, the compressive capacity decreased with the increase of water content of PU. Composite with lower water content had a better compression, but the hand-feeling was poor.

warp-knitted spacer fabric; flexible polyurethane foam; compression properties

2016-09-28

王棟棟(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：針織復合材料，E-mail：george_dongdong.wang@outlook.com。

*通信作者：龍海如，男，教授，E-mail：hrlong@dhu.edu.cn。

TS187

A

1673-0356(2016)11-0021-04