梭織/針織復合織物增強聚氨酯基復合材料性能

凌 玲,劉怡妙,孫嘉肄,趙 華,陳 思

(內蒙古工業大學 輕工與紡織學院,內蒙古 呼和浩特 010080)

經編間隔織物擁有特殊的立體結構和優異性能及良好的可設計性,但其載荷能力不強,受力后易倒伏。聚氨酯泡沫的韌性好、收縮低、黏著力強、抗壓性能很好。這種材料既保留了經編間隔織物良好的抗壓緩彈性能,又增強其載荷能力和緩彈性能,可以作為良好的柔性緩沖復合材料[1-2],經編間隔織物還廣泛運用在建筑上[3]。經編復合織物是一種綠色環保型建筑材料,擁有高質高效、成本低、穩定性好等優勢,設計師把經編間隔織物運用在防彈背心的襯墊上[4],還可以廣泛運用于柔性緩沖復合材料,如車內裝飾物、包裝材料以及家用紡織品等[5-6]。

國內外許多學者都對間隔織物復合材料的性能進行了研究。陳思[7]研究了經編間隔織物聚氨酯復合材料的制備與壓縮性能,結果顯示:織物厚度大、間隔絲直徑大和間隔絲排列密度大的復合材料有更大的抗壓應力和更好的抗壓性能。程小梅[8]探討了環氧樹脂涂層對間隔織物力學性能的影響,試驗結果表明:樹脂涂層的加入使得間隔織物經緯向的抗拉性和整體抗壓性都增強,且雙面涂層織物的力學性能優于單面涂層織物。馬浩東[9]對不同厚度、孔隙率和材料的3D 間隔織物增強聚氨酯基復合材料試樣進行了透氣性、透濕性和壓縮性能的測試,分析了參數對試樣性能的影響。研究表明,孔隙率越高,厚度越薄,試樣的透氣性越好,而被間隔織物增強的試樣透氣性變差;孔隙率越高,厚度越厚,試樣的透濕性越差,試樣的屈服強度越低,抗壓性能越差,更容易產生塑性變形,間隔織物可以增強聚氨酯基體的抗壓性能[10-12]。

選用經編間隔織物與碳纖維梭織物作為增強體,聚氨酯泡沫作為基體材料制備復合材料。探討了織物厚度、織物表面結構和碳纖維梭織物加入與否對復合材料的透濕性能、透氣性能、壓縮性能的影響。結果表明,織物增強體的結構參數對復合材料的性能具有較大影響,因而后續可以通過調整織物的結構參數以滿足復合材料在實際工程中的使用。

1 試驗材料制備

1.1 經編間隔織物及碳纖維梭織物的結構及參數

經編間隔織物一般利用拉舍爾雙針床經編機編織,導紗針滿穿或間隔配梳櫛兩兩搭配,分別在前、后針床編織上下表層織物,1 組梳櫛帶著抗彎剛度較大的單絲在前后針床之間輪流編織成圈,將上下2個表層連接成一個整體,并在中間撐起一定空間。2 個表層的結構可以獨立變換,所以有3個不同的組織結構,即2個表層結構和間隔層結構。

選取6種具有不同參數的經編間隔織物,織物結構參數見表1。試驗中所選用間隔層織物的表面結構分別為雙面大網孔、雙面小網孔、一面小網孔一面密實以及一面大網孔一面密實,如圖1所示。選取了碳纖維梭織物為復合織物,結構參數見表2。

表2 碳纖維梭織布的基本參數

圖1 所選試樣

表1 經編間隔織物的基本參數

1.2 經編間隔織物復合材料的制備

復合材料成型工藝要根據復合材料的性能,基體和增強體的結構而制定的。清潔模具后,將6種經編間隔織物分別裁剪成規格的小樣,將碳纖維梭織布與經編間隔織物小樣貼合,將聚氨酯漿料和水按4∶1的比例配制100 m L,方便聚氨酯漿料的灌入,將模具上涂上脫模劑,固化后取出,從而得到材料試樣。

2 試驗部分

2.1 壓縮性能測試

根據GB/T 34559—2017《復合材料壓縮性能試驗方法》標準,使用AG-250KN 型島津萬能試驗機對經編間隔織物聚氨酯復合材料進行壓縮性能測試。將試樣的長寬高輸入在電腦拉伸試樣參數中,設定速度為1 mm/min,形狀為板材,輸入參數并調整機器后,開始試驗。根據織物厚度的65%確定織物的壓縮位移,從而在相同位移下對比不同厚度、不同網孔大小、不同層數的經編間隔織物的壓縮性能。

表3中:A—雙面小網孔;B—雙面大網孔;C—單面大網孔;D—雙面小網孔增強材料復合;E—雙面大網孔增強材料復合;F—單面大網孔增強材料復合。

表3 各試樣抗壓面強度計算結果

(1)由表3可知,抗壓強度試樣D＞試樣F＞試樣E＞試樣C＞試樣B＞試樣A?？箟簭姸戎竿饬κ┘訌娏Φ臉O限,因此,抗壓強力越大,表示織物的壓縮性能越好。其中雙面小網孔增強材料復合的壓縮性能較其他復合材料更為優良。

(2)由圖2可知,曲線A 的承受載荷最弱,但是當位移即行程超過3.5 mm 時,曲線A 的壓縮性能逐漸高于曲線E;曲線E與曲線D 在2.1 mm 處相交,曲線D 在2.1 mm 之后,載荷的承受能力呈現斜率增大,且遞增的趨勢;曲線C相較于曲線D 在行程3 mm 之前增大,之后便不如曲線D 的載荷承受能力;曲線F居于曲線B 和曲線C、D 之間;曲線B 的承受能力在4.5 mm 之前壓縮性能最好。相較于其他材料,雙面大網孔的壓縮性能最好。

圖2 壓縮性能測試對比

(3)在壓縮過程中,壓頭下降高度為織物厚度的任意時刻內,厚度為7 mm 的經編間隔織物的壓縮性能略遜于經編間隔織物增強復合材料的壓縮性能。在壓頭位移為試樣厚度的任意時刻內,厚度相同時,雙面大網孔經編間隔織物增強復合材料的壓縮性能優于雙面大網孔經編間隔織物的壓縮性能。

(4)在壓頭下降程度和織物厚度相同的條件下單面大網孔經編間隔織物增強復合材料的壓縮性能在開始的0.2 mm 位移內稍微遜于單面大網孔經編間隔織物的壓縮性能。而隨著位移的增加,單面大網孔經編間隔織物增強復合材料都優于單面大網孔經編間隔織物的壓縮性能。

2.2 透氣性測試結果及分析

根據GB/T 5453—97《織物透氣性的測定》標準,使用YG(B)461E全自動織物透氣性能測試儀對經編間隔織物聚氨酯復合材料進行透氣性能測試。將制備的試樣夾持在織物透氣儀的進氣孔上方,然后用電腦調節風機的速度,使織物產生壓差并且達到規定壓差,根據織物兩面和噴嘴孔徑的壓差測定織物的透氣率。試樣面積選擇20 cm2,壓降設定為200 Pa,噴嘴選用7號,試驗時長30 s。每個試樣在不同經緯位置試驗10次,取平均值。

各經編間隔織物增強復合材料透氣性測試結果見表4。

表4 經編間隔織物復合材料透氣性能測試數據

(1)透氣率是指在單位時間下,織物正反兩面壓差一定,織物垂直通過單位面積的氣流量。由表4可以看出經編間隔織物增強復合材料的透氣率從大到小依次為:試樣C＞試樣D 反面＞試樣A＞試樣B＞試樣F反面＞試樣F正面＞試樣D 正面＞試樣E 反面＞試樣E正面。

(2)間隔織物的透氣性普遍較好,在其他條件相同時,間隔織物越厚,透氣性能越差。主要原因是織物越厚,空氣透過織物需要穿越的路徑越長,且中間層有復雜的間隔絲阻擋,導致透氣性越差;其他條件相同時,隨著間隔織物面密度的增大,其透氣率降低,即透氣性能變差。這主要是由于隨著間隔織物的面密度增大,間隔絲的密度和細度必然會更大,空氣要穿過織物的難度更大,導致間隔織物的透氣率減小,影響了其透氣性能。

(3)復合材料厚度與透氣性能成反比,織物的網孔越大,復合材料的透氣性越好。單面大網孔經編間隔織物增強復合材料正反面透氣率大于單面小網孔經編間隔織物增強復合材料正反面透氣率,反面網孔經編間隔織物增強復合材料的透氣率大于正面網孔經編間隔織物增強復合材料的透氣率;雙層經編間隔織物增強復合材料的透氣性優于單層經編間隔織物增強復合材料的透氣性能。雙層經編間隔織物是由2個單層單面網孔經編間隔織物縫制而成,由于構成雙層經編間隔織物的單層經編間隔織物厚度很薄,織物克重輕,與聚氨酯發泡固化后,其孔隙較多,氣流容易通過,而單層經編間隔織物復合材料由于間隔絲排列很緊密,與聚氨酯發泡后的經編間隔織物增強復合材料硬度較硬,內部孔隙少,氣流不容易通過。

2.3 透濕性測試結果及分析

根據GB/T 12704.2—2009《蒸發法》標準,使用YG(B)-Ⅱ型織物透濕量儀對經編間隔織物聚氨酯復合材料進行透濕性能測試。將盛有一定質量、一定溫度的蒸餾水倒入透濕杯中,依次放上試樣、墊圈和壓環密封完成后放入透視儀中,計算一定時間內透濕杯質量的變化,并計算出透濕率。預設試驗箱內氣流速度為0.3～0.5 m/s,溫度設定為38 ℃,相對濕度設定為50%。各經編間隔織物增強復合材料透濕性測試結果見表5。

表5 間隔織物增強復合材料透濕性能測試數據

(1)通過表5中A 和B 數據可知,在織物網孔大小相同的情況下,10 mm 厚度的經編間隔織物增強復合材料的透濕率大于7 mm 厚度經編間隔織物增強復合材料的透濕率。

(2)通過表5中A 和C 的數據可知,在織物厚度相同的條件下,經編間隔織物的網孔越大,其增強復合材料的透濕性能越好。

(3)通過表5中D正面、D反面、E正面、E反面可知,在織物厚度相同的條件下,大網孔單面經編間隔織物增強復合材料透濕性能優于小網孔單面經編間隔織物增強復合材料;正面經編間隔織物增強復合材料透濕性能比反面經編間隔織物增強復合材料透濕性能好。

(4)通過表5中E正面、E反面、F正面和F反面的透濕率可知,在網孔大小和厚度相同的條件下,單層經編間隔織物增強復合材料透濕性能比雙層經編間隔織物增強復合材料的透濕性能好,間隔織物增強復合材料正面透濕性能比反面間隔織物增強復合材料的透濕性能好。

3 結論

(1)利用織物壓縮性檢測儀測試間隔織物的壓縮性,通過試驗結果的整理與分析可以得到:間隔織物具有特殊的網孔結構,所以壓縮性普遍較好,且與正反面相關度并不明顯;其他條件相同時,位移越長,壓縮性普遍提高。而單面大網孔增強復合材料的壓縮性能比單面小網孔增強復合材料差。

(2)利用織物透氣性檢測儀對間隔織物的透氣性進行測試,通過試驗結果的整理與分析得到:在厚度相同的情況下,雙面大網孔增強復合材料的透氣性能優于雙面小網孔增強復合材料;單面大網孔增強復合材料的透氣性能優于單面小網孔增強復合材料;間隔織物面密度增加,間隔絲的密度和細度增大,空氣穿過織物更加困難,透氣率降低,影響了透氣性能;織物的厚度越厚,經編間隔織物增強復合材料的透氣性能較差。

(3)利用織物透濕測定儀測定間隔織物的透濕能力,可發現雙面大網孔增強復合材料的透濕性能優于雙面小網孔增強復合材料;單面大網孔增強復合材料的透濕性能優于單面小網孔增強復合材料;間隔織物面密度增加,間隔絲的密度和細度增大,空氣穿過織物更加困難,透氣率降低,影響了透氣性能;織物的厚度越厚,經編間隔織物增強復合材料的透濕性能好。