柔性苧麻復合材料制備及其性能表征

趙勇 李丹丹 王強 田偉 祝成炎

摘要：采用納米SiO2為原料，制備不同質(zhì)量分數(shù)的剪切增稠液，按照一定復合工藝制備剪切增稠-苧麻織物復合材料。采用SEM、FTIR表征，并對其進行交織阻力、透氣性、拉伸性能等測試。結果表明：剪切增稠液是一個未發(fā)生化學反應的穩(wěn)定體系。經(jīng)過浸漬處理，苧麻纖維表面被均勻包覆，織物表面變的粗糙，被大量納米SiO2顆粒填充；隨著浸漬處理質(zhì)量分數(shù)增加，交織阻力增大。織物的透氣性隨著浸漬處理增加而降低，在質(zhì)量分數(shù)為20%時，透氣性明顯下降；斷裂強力隨著浸漬質(zhì)量分數(shù)增加而增大，高速拉伸時斷裂強力明顯增大。

關鍵詞：復合材料；交織阻力；透氣性；拉伸性能

中圖分類號：TS195.644文獻標志碼：A文章編號：1009-265X（2018）03-0025-04Preparation and Characterization of Flexible Ramie Composite

ZHAO Yong， LI Dandan， WANG Qiang，TIAN Wei， ZHU Chengyan

（Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry

of Education， Zhejiang SciTech University， Hangzhou 310018， China）Abstract：SiO2 was used as raw materials to prepare various concentrations of shear thickening fluid（STF）. According to a certain technique， STFramie fabric composites were made. The composites were characterized with SEM and FTIR， and the interweaving resistance， permeability， tensile properties were tested. The results show that： STF is a stable system without chemical reactions. After the impregnation treatment， ramie fiber surface was uniformly coated. Fabric surface became rough， and it was filled with a large number of nano silica particles. With the increase of the concentration of the impregnation process， interleaving resistance increased， and permeability of the fabric decreased. Permeability significantly decreased when the concentration was 20%. Breaking strength increased with the increasing concentration of impregnation. The breaking strength increased significantly at high speed stretch.

Key words：composites； interweaving resistance； permeability； tensile property

通信作者：祝成炎，Email：cyzhu@zstu.edu.cn柔性復合材料廣泛應用在防護服方面，其良好的防刺、抗沖擊等性能和良好的舒適性越來越受到人們的青睞[12]。以往采用高性能玻璃纖維、高強聚乙烯、芳綸等為柔性復合材料的原料，但其有成本過高、不易降解處理的缺陷，對于一些民用防護要求不高的領域，柔性苧麻復合材料越來越受到人們的關注，其具有可完全降解、來源廣泛等優(yōu)點[3]。剪切增稠液體廣泛應用在防護領域，能有效提高織物的防刺、抗沖擊、拉伸性能[46]。由于其性能優(yōu)良，剪切增稠復合材料已廣泛用在軍用領域[78]。透氣性一定程度上反映出織物的舒適性[9]。織物的交織阻力是表示組織點處的經(jīng)紗與緯紗之間的摩擦力，即單紗抽拔出來所受到的最大阻力[10]?，F(xiàn)階段少有文獻對剪切增稠液體系的穩(wěn)定性進行報道，并且對柔性復合材料交織阻力和不同拉伸速度下的拉伸性能研究方面具有單一性[1112]，尚未發(fā)現(xiàn)將兩者進行同時研究的相關結論。因此，為制備性能優(yōu)良與舒適性良好的柔性苧麻復合材料，本文以納米SiO2為原料，制備不同質(zhì)量分數(shù)的剪切增稠液，優(yōu)化復合工藝，制備出剪切增稠苧麻織物復合材料試樣。采用SEM、FTIR表征分析，測試復合織物的交織阻力、透氣性、拉伸性能，分析剪切增稠苧麻織物復合效果以及不同質(zhì)量分數(shù)剪切增稠液對其性能影響。1試驗

1.1試驗材料

原料：20 nmSiO2（阿拉丁試劑上海有限公司）；聚乙二醇-200（上海浦東高南化工廠）；無水乙醇（分析純，杭州高晶精細化工有限公司）；苧麻織物（湖北陽新遠東麻業(yè)有限公司）基本參數(shù)如表1所示。

試驗儀器：Instron 3367電子萬能材料測試儀（ITW集團應斯特朗公司），JJ1型增力電動攪拌器（常州普天儀器制造有限公司），JSM5610掃描電子顯微鏡（日本株式會社），PS40A型超聲波清洗機（深圳日升五金制品有限公司），LC213型鼓風干燥箱（上海愛斯佩克環(huán)境公司），Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀（美國熱電公司），YG461D型數(shù)字式織物透氣量儀（溫州方圓儀器有限公司）。

1.2試樣制備

選取納米SiO2為分散相粒子，以聚乙二醇為分散介質(zhì)，在增力攪拌器攪拌和超聲波清洗機振蕩雙重作用下，配制質(zhì)量分數(shù)分別為10%、15%、20%、25%、30%的剪切增稠液，溫度設定為35 ℃。將剪切增稠液與無水乙醇混合稀釋處理，體積比例為1∶1.5，攪拌和超聲波振蕩雙重作用25 min，保證其混合均勻。選取尺寸為20 cm×20 cm苧麻織物浸漬處理，浸漬處理時間為20 min，烘干備用。浸漬處理裝置如圖1。

2性能測試

SEM觀察：掃描電子顯微鏡觀察復合織物微觀形貌。

傅立葉紅外光譜測試：分別測試SiO2、聚乙二醇和剪切增稠液。測試條件設定為波長4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)32。

交織阻力測試：參照FZ/T 01054.3—1999《織物風格試驗方法 交織阻力試驗方法》標準測試。設定試驗牽引速度50 mm/min，上下夾持器距離30 mm。

透氣性性能測試：參照標準GB/T 5435—1997《紡織品織物透氣性的測定》測試。試樣在溫度20 ℃，相對濕度65%環(huán)境中進行調(diào)濕處理，設置試驗參數(shù)壓差100 Pa。

拉伸性能測試：參照標準GB/T 7689.5—2001《增強材料 機織物試驗方法 第5部分 玻璃纖維拉伸斷裂強力和斷裂伸長的測定》。試樣尺寸250 mm×25 mm；儀器參數(shù)設置夾持距離100 mm。

3結果與分析

3.1SEM測試與分析

采用JSM5610LV掃描電鏡，觀察SiO2質(zhì)量分數(shù)為30%的剪切增稠液浸漬前后的苧麻織物微觀形貌，如圖2所示。

從圖2中可以看出，浸漬處理前，苧麻纖維表面較整潔，僅有一些片狀果膠。而浸漬處理后的纖維被納米SiO2均勻包覆，纖維表面沒有光澤、粗糙。未經(jīng)處理的苧麻織物表面較光滑，纖維雜質(zhì)較少，織物內(nèi)部纖維束清晰可見。經(jīng)過與質(zhì)量分數(shù)為30%的剪切增稠液復合后，織物表面粗糙，可以看到有大量的SiO2顆粒附著在織物表面，并且部分填充在紗線與紗線之間和經(jīng)緯紗交織點上，使得織物內(nèi)部紗線中纖維有效粘結。

3.2FTIR光譜測試與分析

采用Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀對SiO2、聚乙二醇和剪切增稠液中的進行官能團測試，測試的結果如圖3所示。

由圖3中SiO2的譜圖可以看出，在472、800、1 100 cm-1出的吸收峰分別為Si—O—Si鍵的彎曲振動吸收峰、對稱伸縮振動吸收峰、反對稱伸縮振動吸收峰。在1 650 cm-1處峰主要是游離水等H—O—H彎曲振動吸收峰，在3 440 cm-1處峰主要是反對稱的O—H鍵伸縮振動吸收峰。聚乙二醇的C—C鍵、C—O—C鍵、CH2鍵特征吸收峰也與標準譜圖大致相同。二者混合制得剪切增稠液譜圖中的特征峰同時出現(xiàn)了二氧化硅與聚乙二醇的吸收峰，并且沒有新的特征吸收峰出現(xiàn)。說明配制的剪切增稠液是一個沒有發(fā)生化學反應的穩(wěn)定體系。

3.3交織阻力測試與分析

剪切增稠液質(zhì)量分數(shù)與復合織物交織阻力的關系如圖4所示，由圖4可以看出，苧麻織物經(jīng)過剪切增稠液浸漬處理后，隨著質(zhì)量分數(shù)增加，復合織物的交織阻力增加。剪切增稠液質(zhì)量分數(shù)與織物交織阻力的擬合曲線的回歸方程為：y=3.04+0.276x，其中方程相關系數(shù)R=0.986 59，R大于0.9，有明顯的線性關系。復合織物的交織阻力與浸漬處理剪切增稠液質(zhì)量分數(shù)之間呈較好的正相關?？椢锝?jīng)緯紗線在交織過程中，均有不同程度的屈曲，單紗的抽拔過程可以分為單紗紗線由屈曲狀態(tài)伸直和抽出兩個過程。浸漬處理后，苧麻織物紗線與紗線間、紗線自身纖維之間均填充了大量的納米SiO2顆粒，單紗的屈曲部分更是填充了大量的納米SiO2顆粒，纖維之間的抱合力增強。當抽拔單紗時，紗線間的動摩擦因數(shù)增大，屈曲伸直過程紗線受到的阻力增大，抽出過程同樣如此。但當濃度增加到一定程度時，由于苧麻織物間填充的納米SiO2顆粒趨于飽和，使得苧麻復合織物的交織阻力增加緩慢。

3.4透氣性測試與分析

為方便研究，苧麻織物分為5組，記為A、B、C、D、E、F，分別經(jīng)質(zhì)量分數(shù)為0、10%、15%、20%、25%、30%的剪切增稠液浸漬處理，由于單層織物透氣性良好，所以選取4層織物為1組，每組織物選擇5處不同部位進行測試，取其平均值，結果如表2所示，剪切增稠液質(zhì)量分數(shù)與復合織物透氣性的關系如圖5所示。

3.5拉伸性能測試與分析

當拉伸速度分別為50，100和200 mm/min時，苧麻復合織物的拉伸性能參數(shù)如表3所示，復合織物斷裂強力與拉伸速度關系如圖6所示。

由表3及圖6可以看出，經(jīng)過浸漬處理的苧麻復合織物與原樣相比，斷裂強力增大，斷裂伸長減小。并且斷裂強力隨浸漬處理濃度增大而增大。經(jīng)過浸漬處理后，復合織物紗線與紗線之間、紗線內(nèi)部纖維之間、經(jīng)緯紗交織點上均被大量納米SiO2填充，使得紗線表面變得粗糙，摩擦因數(shù)增大，拉伸過程中，滑動摩擦力增大，引起拉伸斷裂強力增加，斷裂伸長減小。低速50 mm/min拉伸下增速緩慢，高速200 mm/min拉伸下斷裂強力增加效果明顯，最大斷裂強力與最小斷裂強力差值為107.11 N。說明剪切增稠抗快速拉伸變形效果明顯。在低速拉伸下，復合織物紗線發(fā)生拉伸變形，紗線由屈曲狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，纖維發(fā)生滑移及斷裂；在高速拉伸時，苧麻復合織物受到拉伸作用，纖維不易產(chǎn)生移動，使纖維同時承受的縱向載荷增多，紗線與纖維更多的產(chǎn)生斷裂而不是滑移。所以斷裂強力明顯增大，浸漬處理濃度大，填充的二氧化硅顆粒更多，效果更加明顯。

4結論

a） FTIR測試表明，SiO2與聚乙二醇的特征吸收峰在剪切增稠液譜圖上均有出現(xiàn)，且沒有新的特征吸收峰出現(xiàn)，說明剪切增稠液是一個未發(fā)生化學反應的穩(wěn)定體系。SEM結果表明，經(jīng)過浸漬處理苧麻纖維表面被SiO2均勻包覆。苧麻織物表面變的粗糙，被大量納米SiO2顆粒填充。

b） 經(jīng)過浸漬處理，復合織物紗線間紗線動摩擦

因數(shù)增加，復合織物的交織阻力變大。且隨著浸漬處理濃度增加，交織阻力增大。復合織物的透氣率隨著浸漬處理質(zhì)量分數(shù)增加而降低，在質(zhì)量分數(shù)為20%時，透氣性明顯下降。

c） 浸漬處理后，斷裂強力隨著浸漬質(zhì)量分數(shù)增加而增大。低速拉伸時斷裂強力增加不明顯，高速拉伸時斷裂強力明顯增大。

參考文獻：

[1] 甄琪，錢曉明，張恒.柔性防刺材料的研究進展[J].上海紡織科技，2015，43（1）：4-7.

[2] 顧肇文.柔性復合防刺服機理研究[J].紡織學報，2006，27（8）：80-84.

[3] GHAZALI A E M， PICKERING K L， LE T M. A review of recent developments in natural fibre composites and their mechanical performance[J]. Composites Part A： Applied Science & Manufacturing， 2015，83：98-112.

[4] 薛亞靜，林蘭天，張福樂.剪切增稠流體在低速沖擊防護中的應用研究[J].上海紡織科技，2015，43（2）：1-3.

[5] 邵慧萍，趙子粉，鄭航.亞微米級SiO2微球?qū)棺矒舨牧霞羟性龀硪旱挠绊慬J].功能材料，2015（4）：4042-4045.

[6] SOUTRENON M， MICHAUD V. Impact properties of shear thickening fluid impregnated foams[J]. Smart Materials and Structures，2014，23（3）：035022.

[7] DECKER M J， HALBACH C J， NAM C H， et al. Stab resistance of shear thickening fluid （STF）treated fabrics[J]. Composites Science and Technology，2007，67（3-4）：565-578.

[8] HASSAN T A， RANGARI V K， JEELANI S. Synthesis， processing and characterization of shear thickening fluid （STF） impregnated fabric composites[J]. Materials Science and Engineering： A， 2010，527（12）：2892-2899.

[9] 柯勤飛.透氣拒水非織造復合材料的研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2002，20（5）：15-17.

[10] 李金茗.織物撕裂和紕裂性能測試相關性研究[D].西安：西安工程大學，2012：6-9.

[11] 祝成炎，翁浦瑩，孫西超，等.Kevlar/丙綸織物交織阻力及其STF復合材料的防彈性能[J].浙江理工大學學報，2015，33（3）：312-315.

[12] 翁浦瑩，康凌峰，孔春鳳，等.組合式三維機織復合材料的制備及其抗高速沖擊性能[J].紡織學報，2016，37（3）：60-65.