淺談多軸向織物復合材料的頂破性能研究與發展

殷希 黃瑤瑤

摘要：進入21世紀，各行各業對于材料的要求越來越高，傳統的單一材料已不能滿足社會的實際需求，所以為了適應發展的需要，人們將兩種或兩種以上的材料通過復合的方法使材料間功能互補，從而大大提升材料的綜合使用性能，而多軸向經編涂層織物就是其中一種理想的建筑材料。由于多軸向經編涂層織物具有較高的承載力、耐疲勞性，因此適用于大跨度空間建筑材料，如大型體育場、博覽會館、機場、車站、購物中心以及救災臨時建筑等。在使用過程中，涂層織物會受到很多方向力的作用，其中就包括頂破作用。本文對多軸向經編聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）、熱塑性聚酯彈性體（TPEE）涂層織物的頂破性形態和失效機理進行了研究。在CRT材料試驗機上分別對3種涂層織物進行了準靜態頂破實驗測試，通過觀察頂破過程中涂層織物材料的變形，找出3種涂層織物形變時的異同點。并對實驗所得的載荷-位移曲線進行了分析討論，說明了材料在頂破載荷作用下的失效機理以及不同涂層對織物頂破性能的影響。結果顯示，涂層織物的頂破強力主要取決于增強織物，但破壞機理與涂層材料有很大關系。

關鍵詞：多軸向經編;涂層織物;頂破性能

進入21世紀，各行各業對于材料的要求越來越高，傳統的單一材料已不能滿足社會的實際需求，所以為了適應發展的需要，人們將兩種或兩種以上的材料通過復合的方法使材料間功能互補，從而大大提升材料的綜合使用性能，而多軸向經編涂層織物就是其中一種理想的建筑材料。由于多軸向經編涂層織物具有較高的承載力、耐疲勞性，因此適用于大跨度空間建筑材料，如大型體育場、博覽會館、機場、車站、購物中心以及救災臨時建筑等。在使用過程中，涂層織物會受到很多方向力的作用，其中就包括頂破作用。

目前對涂層織物頂破性能已經有大量的研究，主要集中于不同材料、不同結構、不同頂破形式對涂層織物的頂破性能的影響，以及頂破強力方面的分析。如徐文建通過對比不同密度的基布、不同涂層厚度、不同涂層樹脂的經編雙軸向復合材料的頂破性能，得出織物密度、涂層厚度以及涂層樹脂與頂破強力之間的關系;徐英研究了經編雙軸向涂層織物在頂頭頂破和尖頭頂破下織物的力學特性和破壞形式;陳培偉研究了平面四軸向機織物的頂破性能，得出了平面四軸向機織物與疊層四向機織物和常規織物之間的頂破性能的優劣;朱靜等對織物的刺破與頂破測試方法進行了對比，得出刺破比頂破容易，但低速對刺破強力和頂破強力的影響不顯著;儲才元對非織造布的頂破強力進行了估算;張天陽等研究了機織物頂破過程有限元的分析。但是對多軸經編織物增強的涂層織物研究較少，本文主要探討分別以PE、PU和TPEE為涂層材料，在相同增強體下經編多軸向涂層織物的頂破性能和破壞形式。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗采用的3種涂層織物的基體分別為聚乙烯（PE）、聚胺脂（PU）和熱塑性聚酯彈性體（TPEE），其增強材料均為滌綸（PET）且增強纖維是由鋪層得到的，因此纖維之間沒有交織。四層平行無卷曲的紗線按照0°、90°、±45°規定角度交錯排列，再使用捆綁紗使其固定。其中0°、90°、±45°方向增強紗線的規格為1000D/192f，捆綁紗線的規格為55/72 dtex DTY，未涂層時織物增強體的克重為217g/m2，厚度為0.138 mm，幅寬為1.27m。涂層后3種涂層材料的規格參數。

1.2 實驗方法

實驗按照ASTM D3787-07（2011）標準執行，采用頂頭頂破的方法來測試材料的頂破性能。實驗所用的設備為CRT試驗機。將試樣牢固地夾持在夾具上，固定后開啟試驗機，以300mm/min的速度進行頂破實驗測試。頂破測試為每組單獨3個獨立試樣，試樣采用直徑為125mm圓形試件。

2 實驗結果與分析

2.1 頂破的破壞形式

3 種涂層織物頂破前后的破壞形態，3種涂層織物的增強織物規格相同并且排列緊密，頂破后3種增強織物的紗線均徹底斷裂，涂層受到不同程度的破壞。3種材料中PE涂層織物的破壞最為明顯，TPEE涂層材料的穿透破壞不明顯，PU涂層材料的破壞程度介于兩者之間。這是因為頂破后涂層材料中，TPEE材料較硬，彈性變形較少，故其穿透現象不明顯。而PE和PU兩種材料中由于PU涂層較薄，涂層破壞較快，破壞后恢復性較差，故其破壞比PE涂層織物明顯。

2.2 頂破特征曲線分析

多軸向經編涂層織物頂破破壞的損傷機制可以概括為3個階段。

起始階段：頂頭剛開始接觸多軸向經編織物試樣，材料所承受的力較小，因為此時多軸向經編織物表面的應力只存在于與頂頭直接接觸的一個小區域;同一時刻，織物內部增強體上廣泛分布了應力載荷，主要是涂層將頂頭對多軸向經編織物的集中載荷均勻分布到其他的受力區域，使得更多的紗線共同承載。

中間階段：隨著頂頭進一步前進，多軸向經編織物表面應力傳播到較大的區域內，試樣逐漸形成一個以頂頭的頭端為中心的凸起，曲線迅速上升。

最終階段：隨著頂頭過程的推進，多軸向經編織物表面的涂層材料首先失效，這主要是由于表面涂層材料的力學性能遠遠小于內部增強材料。最后頂頭頭端紗線達到最大拉伸應力后，增強織物遭到破壞，頂頭穿透涂層織物，涂層材料被破壞失效。

2.3頂破強力分析與比較

實驗中，PE、PU、TPEE涂層織物的頂破強力值及達到頂破強力最大值時的位移。當3種材料達到最大頂破破壞強力時，PE涂層織物的位移最大，PU涂層織物次之，TPEE涂層織物的位移最小。由此說明，PE涂層織物的彈性較PU和TPEE的彈性好一些。，3種材料的最大破壞強力比較接近，說明這3種涂層材料被頂破時所能承受的強力比較接近。

3 結論

本文對多軸向經編聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）、熱塑性聚酯彈性體（TPEE）涂層織物的頂破性形態和失效機理進行了研究。在CRT材料試驗機上分別對3種涂層織物進行了準靜態頂破實驗測試，通過觀察頂破過程中涂層織物材料的變形，找出3種涂層織物形變時的異同點。并對實驗所得的載荷-位移曲線進行了分析討論，說明了材料在頂破載荷作用下的失效機理以及不同涂層對織物頂破性能的影響。結果顯示，涂層織物的頂破強力主要取決于增強織物，但破壞機理與涂層材料有很大關系。

（1）涂層材料的破壞形態與涂層有較大的關系。多軸向經編涂層織物破壞形態明顯程度依次是聚氨酯（PU）、聚乙烯（PE）、熱塑性聚酯彈性體（TPEE）。

（2）由于多軸向經編織物的表面涂層材料的本身強力較小，在頂破過程中，涂層材料先破裂，增強織物再頂破，涂層材料的強力對頂破的性能影響很小。多軸向經編涂層織物的最大頂破強力與涂層材料關系較小，但與多軸向經編增強織物緊密相關。

（3）多軸向經編涂層織物頂破位移由大到小依次是聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）和熱塑性聚酯彈性體（TPEE）涂層材料，且3種涂層織物的頂破強力比較接近。

參考文獻：

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[2]徐文建，趙俐.玻璃纖維經編柔性復合材料頂破性能的研究[J].國際紡織導報，2017（1）：70-73.

[3]徐英，胡紅.經編雙軸向柔性復合材料的頂破性能[J].東華大學學報（自然科學版），2007，33（4）：475-477.

[4]陳培偉，李毓陵，陳旭煒.平面四軸向機織物的頂破性能研究[J].產業用紡織品，2013（10）：19-23.