硅橡膠填充復合經編間隔織物的抗壓縮疲勞性能

張曉會，許慧玲，馬丕波，蔣高明

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

研究與技術

硅橡膠填充復合經編間隔織物的抗壓縮疲勞性能

張曉會，許慧玲，馬丕波，蔣高明

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

以表面層采用網眼結構的經編間隔織物為增強體，將兩種組分的硅橡膠混合后填充到經編間隔織物的間隔層中，經固化后制成硅橡膠填充率不同的復合材料。利用萬能材料試驗機在不同壓縮條件下分別連續反復壓縮試樣3 000次，并根據實驗數據得到載荷和位移曲線圖，對比分析不同填充率的復合材料在不同壓縮條件下的抗壓縮疲勞性能。實驗結果表明，硅橡膠的填充率和壓縮實驗的壓縮率對經編間隔織物的抗壓疲勞性能有一定的影響。經編間隔織物本身具有較好的抗壓縮疲勞性能，但載荷能力較差。經硅橡膠復合后，材料的載荷能力明顯提高，變形量減少，緩彈性性能有所改善。

經編間隔織物；硅橡膠；填充率；壓縮率；緩彈性；抗壓縮疲勞性能

經編間隔織物是在雙針床拉舍爾經編機上生產的一種三維立體織物,它的一個特殊之處是具有結構多變的間隔層組織。與泡沫材料中的微小孔隙不同，經編間隔織物的間隔空間是由眾多單絲或紗線在沿垂直織物的方向上按一定規律支撐起來的大空間，間隔層的厚度最大可達60 cm。正是由于這種特殊結構，經編間隔織物擁有如抗壓彈性、透氣性、吸濕導濕性、吸音隔音性等多種優良性能，在制鞋、襯墊、汽車內飾、醫療保健、過濾材料等都有應用[1-3]。目前，陸振乾等[4]對硅橡膠填充經編間隔織物的抗沖擊性能進行研究，結果表明經編間隔織物復合了硅橡膠后，復合材料的剛度、載荷能力都有明顯增加，同時沖擊的峰值載荷降低，改善了間隔織物的緩彈性能；陳思等[5]對不同結構組織的經編間隔織物復合聚氨酯具有的壓縮性能研究，結果表明不同間隔絲粗細和間隔厚度的復合織物在不同應力條件下對能量的吸收也有不同。

經編間隔織物作增強體在產業用等領域有極大的發展潛力，但關于此類復合材料性能的研究相對較少。本文針對經編間隔織物的抗壓縮疲勞性能，參考了硅橡膠的性能及研究進展[6]，選用硅橡膠填充到間隔織物中制作成柔性復合材料[7]，使用萬能材料試驗機對材料進行不同條件下反復3 000次壓縮實驗。通過比較復合材料載荷和位移曲線圖，分析硅橡膠對經編間隔織物的抗壓縮疲勞性能及其他力學性能的影響，從而為經編間隔織物作增強體在不同領域的設計和應用提供參考。

1 試樣的制備和結構

實驗用經編間隔織物的表層紗線為180 tex/96f半光滌綸DTY，間隔絲為36 tex滌綸單絲。壓縮儀器選用萬能材料試驗機(揚州市源峰試驗機械廠)，編號為YF-900。

1.1 經編間隔織物

實驗中涉及到的經編間隔織物表面層為菱形結構，間隔絲呈交叉排列。織物的規格參數如表1所示，織物的實物示意如圖1所示。

表1 織物規格參數Tab.1 Specification parameters of fabrics

圖1 織物的實物示意Fig.1 Real photos of fabrics

1.1.1 墊紗組織

GB1:0-0-0-0/2-2-2-2/1-1-1-1/3-3-3-3/1-1-1-1/2-2-2-2//

GB2:1-0-0-0/0-1-1-1//

GB4:1-0-1-2/2-3-2- 1//

GB5:1-1-1-0/0-0-0-1//

GB6:0-0-0-0/2-2-2-2/1-1-1-1/3-3-3-3/1-1-1-1/2-2- 2- 2//

1.1.2 穿 經

GB1:1A,1*

GB2:2A

GB4:2B

GB5:2A

GB6:1*,1A

1.2 A、B雙組分硅橡膠

硅橡膠是一種性能優異的高分子材料，其分子主鏈中的硅氧鍵(Si—O)鍵能很高，所以材料具有很好的耐高、低溫性和化學穩定性，側鏈為有機基團又使其具有一般高分子化合物的韌性、高彈性和可塑性。硅橡膠一般用作涂層材料，在航空、航天等高科技領域及交通、石油、化工、醫療等方面有著廣泛的應用。

本實驗所用的A、B雙組分硅橡膠具有優良的電性能和化學穩定性，耐水、耐臭氧、耐氣候老化，無腐蝕性，具有生理惰性，無毒無味、線收縮率低等特點。實驗時，將A、B兩組分按質量1︰1混合均勻，常溫下20 min即可完成固化。

1.3 復合材料的制備

將經編間隔織物裁剪成一定規格(10 cm×10 cm)放入特制模具中，再將A、B組分硅橡膠按質量1︰1混合均勻，在真空條件下除去氣泡后緩慢倒入置有間隔織物的模具中。待硅橡膠完全填充到間隔織物中后用壓輥壓去多余的液體和氣泡，再用刮刀將織物表面的硅橡膠溶液涂抹均勻。固化20 min，成型脫模。實驗制備填充率為0、20%、30%、40%的復合經編間隔織物各三塊。填充后的復合材料如圖2所示。

不同填充率的復合經編織物所填充的雙組分硅橡膠質量的計算公式：

M=A×V×ρ

(1)

式中：M為需填充的雙組分硅橡膠的質量，g；A為填充率，%；V為經編間隔織物的體積，常數200 cm3；ρ為雙組分硅橡膠的密度，常數1.09 g/cm3。

圖2 填充后的復合材料Fig.2 Filled composite materials

2 實驗原理

實驗所用的儀器為5T萬能材料試驗機YF，壓腳為直徑14.8 cm的圓盤，壓腳的升降速度設定為100 mm/min，根據FZ/T 01051.1—1998《紡織材料和紡織制品壓縮性能 第1部分：耐久壓縮特性的測定》中的B——恒定變形法測試復合材料的壓縮性能。實驗開始前先設定好壓縮量，當壓腳下行時首先讀出輕壓厚度，即試樣在壓強作用下，其厚度方向上不發生明顯變形時測得的厚度。然后以此為依據，結合最大壓縮率即設定的材料壓縮變形量與材料原本厚度的比值百分率得到最大位移，當壓腳達到最大位移(設定的壓縮變形量)后，記錄此刻壓縮強度，然后達到松弛時再記錄松弛壓縮強度[8]。

與泡沫材料不同，經編間隔織物是一種各向異性材料。當受到垂直于厚度方向力的作用時，由間隔絲(紗)承受。在壓縮的過程中，應力與應變曲線基本可以分為3個階段：線性壓縮階段、屈服階段、崩潰階段[9]。其中間隔織物在第二階段由于復雜的受力可以吸收大量的能量，但由于經編間隔織物的阻尼效果和對能量吸收的能力有限，需要通過填充其他材料來增強間隔織物對能量的吸收。

填充選用的硅橡膠是一種超彈性材料，具有不可壓縮性和高延性[10]，且在高應變率下，硅橡膠不存在線性應變硬化階段，具有較強的應變率效應[11]。由于硅橡膠的不可壓縮性，使它在參與經編間隔織物變形過程中起到阻止或延緩材料塑性坍塌的作用。另外，在常溫下即使受到長時間的壓縮載荷作用，硅橡膠也能保持穩定的壓縮永久變形性能，即當載荷除去后，材料能夠回復到原來形態的能力保持穩定[12]。

在定位移壓縮3 000次后，材料的力學性能發生了一定的變化。實驗觀察了各個材料的載荷-位移曲線圖，又分別取材料整個壓縮過程前、中、后三個階段各200組在最大位移下的最大載荷值進行對比，分析材料在反復壓縮后的疲勞性能[13-14]。

3 復合材料的力學性能分析

復合材料的載荷能力與填充率的大小、壓縮率的大小有關。不同填充率和不同壓縮率下壓縮3 000次的最大載荷均值如圖3所示。由圖3可以看出，當壓縮率一定時，復合材料的填充率越大，則材料的平均載荷能力越大。說明硅橡膠填充間隔織物，對經編間隔織物載荷能力有明顯的增強作用。隨填充率的增大，兩種壓縮率下的平均載荷差值也明顯增大。說明一定范圍內，間隔織物中硅橡膠填充的越多，材料對能量的吸收能力越大。

圖3 不同填充率和不同壓縮率下壓縮3 000次的最大載荷均值Fig.3 The mean value of maximum loads with different filling ratio and different compression rates after 3 000 times of compression

3.1 不同填充率對材料的力學性能影響

材料在壓縮率為25%的壓縮過程中，各位移對應的最大和最小載荷基本都呈線性增長。此時材料還未被壓緊實，處于線性壓縮的階段，即織物的剛度有所減小，相對容易被壓縮。壓縮率為25%時壓縮3 000次載荷-位移對比如圖4所示，由對比可以看出，填充率越大，最大載荷和位移的線性曲線斜率越大。說明在一定壓縮變形條件下，硅橡膠的填充率越高，材料的載荷能力越大。其次各位移對應的最大和最小載荷之間的差值隨位移值的增大而反映出一種先增大后減小的變化趨勢，體現的是材料的緩彈性性能變化。對比填充率為0的純織物，在最大壓縮率為25%的條件下，材料的填充率越大，材料的緩彈性越好。

當壓縮率為50%的時候，材料被壓緊實，材料的壓縮剛度出現明顯增長，且此時材料仍可以認為處于線性壓縮階段。壓縮率為50%時壓縮3 000次載荷-位移對比如圖5所示，由對比可以看出，填充率越大，最大載荷的增長幅度越明顯。說明在一定壓縮變形條件下，硅橡膠的填充率越高，材料的壓縮剛度越大。同時觀察各位移對應的最大和最小載荷之間的差值，發現隨位移值的增大表現出先大幅度增大再變小的趨勢，即材料的載荷波動性更加明顯，這同樣反映了材料的緩彈性能。與填充率為0的純織物相比，填充硅橡膠的復合織物緩彈性能有了明顯的改善。但隨著填充率的增加，材料的緩彈性性能又有所減弱。這是由于間隔織物本身具有很好的彈性，當處于大壓縮率條件下，材料的載荷波動就越明顯，而硅橡膠對間隔織物緩彈性有改善作用。填充率較小或者壓縮率較小的復合材料，受力主要由間隔層承受，硅橡膠起改善織物緩彈性的作用。但在大壓縮率條件下經過多次壓縮之后，材料被壓緊實，此時受力主要轉移到硅橡膠上，填充率越高，則復合材料中分擔在硅橡膠上的力越多，硅橡膠本身具有不可壓縮性，材料的緩彈性就相對減弱。

壓縮率為25%和50%時壓縮3 000次后抽取600組(壓縮階段前、中、后各200組)數據的最大載荷變化曲線分別如圖6和圖7所示。由圖6、圖7可見，在25%和50%壓縮率狀態下，材料的載荷變化波動性都隨填充率的增加而增強，材料的載荷能力基本保持穩定。但在50%壓縮率的狀態下，復合材料填充率越高，載荷能力下降趨勢越明顯。這是由于在大壓縮率狀態下，填充率越高，材料的載荷能力越大，即材料受到力的作用越強，在反復壓縮多次后材料的抗疲勞性能下降幅度越明顯，但到一定程度后仍會保持穩定，因此復合材料同樣可以實現良好的耐疲勞穩定性。

圖4 壓縮率為25%時壓縮3 000次載荷-位移對比Fig.4 Load-displacement comparison diagram after 3 000 times of compression under the compression ratio of 25%

圖5 壓縮率為50%時壓縮3 000次載荷-位移對比Fig.5 Load-displacement comparison diagram after 3 000 times of compression under the compression ratio of 50%

圖6 壓縮率為25%時壓縮3 000次后抽取600組數據的最大載荷變化曲線Fig.6 The maximum load change curve of 600 groups of data after 3 000 times of compression under the compression ratio of 25%

圖7 壓縮率為50%時壓縮3 000次后抽取600組數據的最大載荷變化曲線Fig.7 The maximum load change curve of 600 groups of data after 3 000 times of compression under the compression ratio of 50%

3.2 不同壓縮率對材料的力學性能影響

相同填充率的復合材料在不同壓縮率條件下壓縮3 000次后縱向截面對比如圖8所示，各材料壓縮3 000次后厚度平均值和厚度損失量如表2所示，各材料壓縮3 000次后厚度平均值和厚度損失量對比如圖9所示。從圖8可以直觀地看到，在反復多次壓縮后，材料基本未發生形變，在小形變量的條件下，一定硅橡膠填充率的復合材料在增強載荷能力的前提下都能保持較好的耐疲勞性能，厚度損失量小；而在加大形變量之后，厚度損失量隨填充率的增大而明顯減少，即復合材料的抗壓縮疲勞性能良好，并隨填充率的增大而增強。

圖8 相同填充率的復合材料在不同壓縮率條件下壓縮3 000次后縱向截面對比Fig.8 Longitudinal cross-section figure of composites under the same filling rate and different compression ratio, after 3 000 times of compression

表2 各材料壓縮3 000次后厚度平均值和厚度損失量Tab.2 The average thickness and thickness loss of fabrics after compression of 3 000 times

圖9 各材料在不同壓縮率條件下壓縮3 000次后厚度損失量對比Fig.9 Thickness loss contrast of fabrics under different compression ratio after compression of 3 000 times

4 結 論

1)實驗所選用的經編間隔織物本身就具有較好的抗壓縮疲勞性能，但是織物的載荷能力較差，對能量的吸收有限。在填充復合了硅橡膠后，復合材料在間隔織物本身良好的性能基礎上增強了整體的載荷水平。

2)經編間隔織物本身緩彈性較差，在形變較大的情況下載荷波動劇烈，復合了硅橡膠后，復合材料的緩彈性能發生明顯改善。

3)硅橡膠填充率的高低和實驗壓縮形變量的大小都會影響復合材料的抗壓縮疲勞性能。在反復壓縮的過程中，材料的抗疲勞性能下降，載荷能力減弱。填充率越高，壓縮變形量增大，最初會出現相對的疲勞下降趨勢，但在到達一定階段后，終于達到穩定狀態，即復合材料的抗壓縮疲勞性能良好。

4)硅橡膠填充經編間隔織物，改善了材料的力學性能，這使得它在承載抗壓領域的應用大幅擴展。如代替聚氨酯作透氣環保的座椅襯墊，又或是作為抗壓透氣的運動鞋墊等都有較好的市場前景。

[1]蔣高明,李大俊.經編間隔織物的結構與性能[J].江南大學學報(自然科學版),2003,2(4):395-398. JIANG Gaoming, LI Dajun. The structure and properties of the warp-knitted spacer fabrics [J]. Journal of Jiangnan University(Natural Science Edition),2003,2(4):395-398.

[2]VICENTE Jaime Dura Brisa, FRANK Helbig, LOTHAR Kroll. Numerical characterization of the mechanical behavior of a vertical spacer yarn in thick warp knitted spacer fabrics [J]. Journal of Industrial Textiles,2015,45(1):101-117.

[3]LIU Yanping, HU Hong. Compressive mechanics of warp-knitted spacer fabrics. Part II:a dynamic model [J]. Textile Research Journal,2015,85(19):2020-2029.

[4]陸振乾,景曉穎.硅橡膠填充經編間隔織物的抗沖擊性能[J].紡織學報,2014,35(9):51-55. LU Zhenqian, JING Xiaoying. Impact property of silicone rubber filled warp knitted spacer fabrics [J]. Journal of Textile Research,2014,35(9):51-55.

[5]陳思,龍海如.經編間隔織物增強聚氨酯基復合材料的壓縮性能[J].東華大學學報(自然科學版),2015,41(3):282-287. CHEN Si, LONG Hairu. Compression behaviors of polyurethane-based composites reinforced with warp-knitted spacer fabrics [J]. Journal of Donghua University (Natural Science),2015,41(3):282-287.

[6]謝尊虎,曾凡偉,肖建斌.硅橡膠性能及其研究進展[J].特種橡膠制品,2011,32(2):69-71. XIE Zunhu, ZENG Fanwei, XIAO Jianbin. Properties and research progress of silicone rubber [J]. Special Purpose Rubber Products,2011,32(2):69-71.

[7]陸振乾,吳利偉,孫寶忠,等.經編間隔織物增強柔性復合材料沖擊性能[J].復合材料學報,2014,31(5):1306-1311. LU Zhenqian, WU Liwei, SUN Baozhong, et al. Impact properties of warp knitted spacer fabric reinforced flexible composites [J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2014,31(5):1306-1311.

[8]吳昊,王燕.軟質泡沫聚合材料動態疲勞性能測試的發展現狀[J].中國塑料,2004,18(4):90-93. WU Hao, WANG Yan. Method to determine dynamic fatigue of flexible cellular polymeric materials [J]. China Plastics,2004,18(4):90-93.

[9]繆旭紅,葛明橋.襯墊用經編間隔織物的壓陷性能[J].紡織學報,2009,30(5):43-47. MIAO Xuhong, GE Mingqiao. Indentation force deflection property of cushioning warp-knitted spacer fabric [J]. Journal of Textile Research,2009,30(5):43-47.

[10]王二恒,李劍榮,虞吉林,等.硅橡膠填充多孔金屬材料靜態壓縮力學行為研究[J].中國科學技術大學學報,2004,34(5):575-580. WAND Erheng, LI Jianrong, YU Jilin, et al. Investigation of static compression behavior of cellular materials with silicate rubber filler [J]. Journal of University of Science and Technology of China,2004,34(5):575-580.

[11]龐寶君,楊震琦,王立聞,等.橡膠材料的動態壓縮性能及其應變率相關的本構模型[J].高壓物理學報,2011,25(5):407-415. PANG Baojun, YANG Zhenqi, WANG Liwen, et al. Dynamic compression properties and constitutive model with strain rate effect of rubber material [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics,2011,25(5):407-415.

[12]焦東生,蘇正濤,彭亞嵐,等.低苯基硅橡膠壓縮永久變形性能的研究[J].有機硅材料,2014,28(4):285-287. JIAO Dongsheng, SU Zhengtao, PENG Yalan, et al. Study on compression set of low-phenyl silicone rubber [J]. Silicone Material,2014,28(4):285-287.

[13]沈瑤,錢靜.經編間隔織物靜態緩沖性能的研究[J].包裝工程,2008,29(3):39-41. SHEN Yao, QIAN Jing. Research on the cushioning properties of warp-knitted spacer fabric[J]. Packaging Engineering,2008,29(3):39-41.

[14]陳燕,蔣高明,陳紅霞.經編間隔織物壓縮性能的研究[J].針織工業,2007(11):19-20. CHEN Yan, JIANG Gaoming, CHEN Hongxia. The study on compressibility of warp knitted spacer fabrics [J]. Knitting Industries,2007(11):19-20.

Compression fatigue resistance property of warp knitted spacer fabrics filled by silicone rubber

ZHANG Xiaohui, XU Huilin, MA Pibo, JIANG Gaoming

(Engineering Research Center for Knitting Technology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The warp knitted spacer fabric with mesh structure on the surface layer was used as the reinforcement, and the silicone rubber containing two components was filled into the space layer of the fabric to make compositions with different filling rates of silicone rubber. The universal material testing instrument was used to compress the samples 3 000 times under different conditions separately. And the load and displacement curve charts were gained according to the experimental data. The compression fatigue resistance property of the composites with different filling rates were compared and analyzed under different compression conditions. Experimental results show that the filling rates of the silicone rubber and the compression rates have certain effect on compression fatigue resistance property of the fabric. The warp knitted spacer fabric has good compression and anti-fatigue performance, but its load capacity is poor. When silicone rubber is added, the load bearing ability of the material is obviously improved with less deformation, and the delayed elasticity of the material is also improved.

warp knitted spacer fabrics; silicone rubber; filling rate; compression rate; delayed elasticity; compression fatigue resistance property

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.04.004

2016-06-20;

2017-03-11

中國博士后科學基金面上項目(2016M591767)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(JUSRP51625B)；中國紡織工業聯合會應用基礎研究項目(J201604)

張曉會(1994-)，女，碩士研究生，研究方向為產業用針織結構設計與性能。通信作者：馬丕波，副教授，mapibo@jiangnan.edu.cn。

TS101.923.1；TS186.1

A

1001-7003(2017)04-0016-07 引用頁碼:041104