三維針織/機織聚氨酯基復合材料的力學性能

婁 閣，陳 思

(內蒙古工業大學 輕工與紡織學院,內蒙古 呼和浩特 010080)

經編間隔織物是一種三維結構織物,由兩個表層結構單元和一個間隔紗線單元組成,具有質量小、易加工、隔聲隔熱、緩沖防撞性能優良等特點[1-3],在紡織服裝、建筑行業、航空航天等領域得到廣泛應用[4-7]。Lu等[8]用硅石/聚乙二醇懸浮液混合而成的剪切增稠液浸漬經編間隔織物,并進行低速沖擊試驗,結果顯示,經剪切增稠液浸漬的經編間隔織物具有較高的能量吸收峰和較低的峰值載荷;陳利等[9]探究了典型的三維機織預制體的結構特點,分析了不同預制體結構的三維機織復合材料的準靜態力學性能;陳思等[10]制備了5種經編間隔織物增強聚氨酯基復合材料試樣,平壓壓縮試驗結果顯示,間隔絲針背橫移數較大、間隔絲較細、厚度較大的復合材料具有較高的能量吸收率。玻璃纖維因具有阻燃、防火特性,常作為增強材料用于船體和建筑等方面[11-12]。牛忠旺等[13]探究了玻璃纖維增強復合材料的應用和研究現狀,指出玻璃纖維增強復合材料具有耐腐蝕、高強高模及抗疲勞等優良性能。

在經編間隔織物復合材料研究的基礎上,本研究將三維夾芯結構作為創新部分加至復合材料中。三維夾芯結構以玻璃纖維機織物為上下面板和經編間隔織物為芯材,這種結構能夠減少經編間隔織物整體的質量,從而分散剪切應力。三維針織/機織聚氨酯基復合材料將三維夾芯結構和聚氨酯泡沫結合起來,材料間的協同作用使得復合材料能夠產生優異的性能。此外,本文探究了間隔織物厚度、種類以及是否復合機織物對三維針織/機織聚氨酯基復合材料力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 經編間隔織物及玻璃纖維機織物的結構與參數

選用的4種經編間隔織物均在E18號拉舍爾雙針床經編機上編織成型。表面組織結構選用33.3 tex/96 f的PET復絲(記為a),間隔絲采用直徑為0.2 mm的PET單絲(記為b)。間隔織物的表面組織結構包括六角形網孔、大六角形網孔以及編鏈結構,如圖1所示。經編間隔織物的結構參數見表1。間隔梳櫛針背橫移針距數表示一個橫列內梳櫛每次橫移的距離,該指標的數值越小,間隔絲越趨向豎直狀態,反之,間隔絲越趨向水平狀態。選用的玻璃纖維機織物由山東中易達工程科技有限公司生產。玻璃纖維機織物的組織結構為平紋,面密度為204 g/m2,厚度為0.35 mm,經密為120根/(10 cm),緯密為120根/(10 cm)。

表1 經編間隔織物的結構與參數Table 1 Structure and parameters of warp-knitted spacer fabrics

圖1 經編間隔織物的表面組織結構Fig.1 Surface structure of warp-knitted spacer fabrics

1.2 復合材料的制備

以玻璃纖維機織物和經編間隔織物為增強體材料,聚氨酯泡沫為基體材料,將聚氨酯樹脂涂抹在玻璃纖維機織物表面,再以圖2形式復合成三維針織/機織夾芯結構并靜置24 h;將異氰酸酯和聚醚多元醇按質量比1∶1攪拌均勻后制成聚氨酯泡沫溶液,快速注入三維夾芯結構;待聚氨酯充分發泡后,在室溫下靜置2 h進行固化。為探究玻璃纖維機織物和經編間隔織物組成的三維結構對復合材料力學性能的影響,選用未復合玻璃纖維機織物的經編間隔織物直接與聚氨酯泡沫進行復合,試樣記為N1。記Sx為采用經編間隔織物與玻璃纖維機織物復合成夾芯結構再填充聚氨酯泡沫所得的復合織物,下標x(x=1,2,3,4)對應表1中的間隔織物編號,S為玻璃纖維機織物。三維針織/機織聚氨酯基復合材料的結構參數見表2。

表2 三維針織/機織聚氨酯基復合材料的結構參數

圖2 三維針織/機織聚氨酯基復合材料的制備Fig.2 Preparation of three-dimensional knitted/woven polyurethane-based composites

1.3 復合材料力學性能測試

根據GB/T 1452—2018《夾層結構平拉強度試驗方法》,使用島津AutographAGS-X100KN型精密電子萬能試驗機測試復合材料的拉伸性能,加載速度設為2 mm/min。試樣尺寸為250 mm×25 mm×10 mm,測試時端部貼附加強片部分長度為50 mm、夾持部分長度為40 mm。按照標準裁剪試樣,沿織物經向進行拉伸試驗。根據式(1)和(2)計算拉伸過程中的應力與應變。

(1)

(2)

式中:σ為應力;F為拉伸力;S為試樣垂直于拉伸方向的截面積;ε為應變;L1為拉伸方向的長度變化量;L為夾持距離。

參照GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》,使用島津AutographAGS-X100KN型精密電子萬能試驗機測試復合材料的三點彎曲性能。試樣尺寸為12.7 mm×10.0 mm×160.0 mm,夾持距離為120 mm,加載速度為2 mm/min。按照標準裁剪試樣,沿垂直織物表面方向進行三點彎曲試驗。每種試樣測試3個樣品。

參照GB/T 1453—2005《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》,使用島津AutographAGS-X100KN型精密電子萬能試驗機測試復合材料壓縮性能。試樣尺寸為50 mm×50 mm×10 mm,定位移為4 mm,加載速度為2 mm/min。按照標準裁剪試樣,沿垂直織物表面方向進行平壓試驗。每種試樣測試3個樣品。

2 結果與分析

2.1 復合材料的拉伸性能

三維針織/機織聚氨酯基復合材料的拉伸應力-應變曲線如圖3所示。由圖3可以看出:在拉伸初始階段,所有試樣的拉伸應力-應變曲線均隨著應變的增加而呈上升趨勢;當拉伸應力到達峰值后,所有曲線均呈緩慢下降趨勢。其中未被玻璃纖維機織物復合增強的N1試樣的應力最小。在4種玻璃纖維機織物增強復合材料的試樣中,S4的拉伸應變最大,S3次之,S1和S2拉伸應變較小。

圖3 三維針織/機織聚氨酯基復合材料的拉伸應力-應變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of three-dimensional knitted/woven polyurethane-based composites

S2中的間隔織物的表面組織結構與S1相同,但是S2的拉伸性能優于S1。在復合材料拉伸過程中,間隔織物的伸長率大于聚氨酯泡沫基體。隨著拉伸位移的增加,復合材料承受的拉伸載荷逐漸增大,直至復合材料中的聚氨酯泡沫基體斷裂;隨著拉伸載荷的繼續增大,聚氨酯泡沫基體逐漸從間隔織物中脫離出來。結合表2可知,S2的織物厚度比S1大,前者具有更多的空間可以填充更多的聚氨酯泡沫,從而可以提供更強的支撐,承受更大的載荷,形成較大的形變,因此,S2具有更好的拉伸性能。但是在間隔織物厚度相同的情況下,間隔織物中填充的聚氨酯泡沫的體積相近,此時不同復合材料的拉伸性能無顯著區別。楊大偉等[14]研究發現,間隔絲的存在雖然會影響拉伸斷裂的過程,但是對間隔織物拉伸性能的影響不大。

S1的拉伸性能比S3好。這是因為S1中的間隔織物具有較大的面密度,在拉伸過程中,S1中織物表面線圈間的交織點較為密集,在受到外力時紗線之間有足夠的力抵抗形變,因此S1拉伸性能較好。

S4的拉伸性能比S2好。在復合材料拉伸后期,當聚氨酯基體發生破損后,經編間隔織物成為主要承力部分。S4的表面組織結構為編鏈結構,相比S2更為緊密,并且具有更密集的線圈交織點,因此在受力過程中S4具有更好的結構整體性與更高的拉伸強度。

2.2 復合材料的彎曲性能

未復合機織物的試樣N1是以間隔織物為增強體、聚氨酯泡沫為基體的復合材料,由于經編間隔織物和聚氨酯泡沫都是柔性材料,因此由兩者復合的試樣N1也是柔性材料。柔性材料在彎曲測試過程中材料本身不會產生損傷,僅僅是發生有限度的壓彎,因此無法得出準確真實體現材料自身彎曲性能的數據。其他4種三維針織/機織聚氨酯基復合材料的彎曲應力-應變曲線如圖4所示。

圖4 三維針織/機織聚氨酯基復合材料的彎曲應力-應變曲線Fig.4 Bending stress-strain curves for three-dimensional knitted/woven polyurethane-based composites

由圖4可以看出,所有試樣的彎曲應力-應變曲線在初始階段均呈上升趨勢,當彎曲應力達到峰值后,所有曲線均呈緩慢下降趨勢,且整個曲線存在明顯的屈服點。在屈服點處,由于切應力的作用,材料內部會產生相對滑移,試樣發生明顯變形,并且此階段發生的變形不會因為外力的卸去而消失,屬于塑性變形。在表面結構相同的情況下,S2的彎曲性能優于S1。這是由于三點彎曲測試時復合材料的力學性能提高主要歸功于填充的聚氨酯泡沫,而S2中可以填充更多的聚氨酯泡沫,因此彎曲性能更好。

S3的彎曲性能優于S1。其中,S3中填充的間隔織物表面結構為大六角形網孔,S1中填充的間隔織物表面結構為六角形網孔。這是因為大六角形網孔織物的間隔梳櫛針背橫移針距數較小,即S3中的間隔織物的間隔絲越趨向豎直狀態,能夠承受更大的臨界力值,不易被壓彎,從而提高了材料整體的彎曲性能,因此S3的彎曲性能更好。同理,S2的彎曲性能優于S4。

使用BC 1000型高清顯微鏡觀察彎曲性能測試后的試樣,判斷三維針織/機織聚氨酯基復合材料的分層情況。試樣的表觀形貌如圖5所示。由圖5可知,三維針織/機織聚氨酯基復合材料的上表面受到力的作用而發生變形,且聚氨酯基體受力發生斷裂,而貼附在間隔織物兩側的玻璃纖維機織物沒有出現分層現象。這是因為制作三維結構預制件時使用的聚氨酯樹脂和填充的聚氨酯泡沫的融合效果較好;同時,聚氨酯泡沫的存在能夠更均勻地傳遞載荷,這使得間隔絲的支撐作用得到充分發揮;此外,間隔絲被包裹固定在泡沫中,使得泡沫受力后不易發生斷裂。泡沫與間隔絲之間的這種協同作用使得復合材料具有更好的抗彎曲性能。

圖5 彎曲測試后復合材料的表觀形貌Fig.5 Apparent morphology of the composites after bending test

2.3 復合材料的壓縮性能

圖6為壓縮測試后復合材料的表觀形貌。由圖6可知,復合材料受到壓縮后無明顯裂紋,但聚氨酯泡沫發生破裂,而間隔絲未出現斷裂抽拔現象。這說明聚氨酯泡沫是主要承力部分,而加入的經編間隔織物起到支撐作用,有助于提升復合材料整體的壓縮性能。

圖6 壓縮測試后復合材料的表觀形貌Fig.6 Apparent morphology of the composites after compression test

圖7為三維針織/機織聚氨酯基復合材料及間隔織物復合材料的壓縮應力-應變曲線。

圖7 三維針織/機織聚氨酯基復合材料的壓縮應力-應變曲線Fig.7 Compressive stress-strain curves for three-dimensional knitted/woven polyurethane-based composites

由圖7可知,在壓縮過程中隨著應變的增加,所有曲線均呈緩慢上升趨勢,未出現明顯的屈服點。這可能是因為在切應力的作用下,材料內部產生相對滑移,但所貼附的玻璃纖維機織物同樣受到壓縮載荷的作用。其中N1的應力最低,表明所貼附的機織物雖不作為主要承力部分,但是機織物與間隔織物組成的三維結構可以增加三維針織/機織聚氨酯基復合材料整體的完整性,并增強其抗壓性能。

S2的壓縮性能優于S1。壓縮測試時復合材料力學性能的提高主要歸功于填充的聚氨酯泡沫。S2中的經編間隔織物厚度較大,可以填充更多的聚氨酯泡沫,因此可承受較大的壓縮載荷,從而S2具有更好的抗壓性能。S3的壓縮性能優于S1。這是因為S3中的大六角形網孔的間隔梳櫛針背橫移針距數較小,即大六角形網孔間隔織物的間隔絲的傾斜角度較大,可以承受較大的臨界力值,因此抗壓性能較好。由此可見,在織物厚度相同的情況下,聚氨酯泡沫在材料中的作用不僅僅是承受壓力,還能支撐間隔絲不發生傾斜或變形。同理,S2的壓縮性能優于S4。

3 結 論

——添加玻璃纖維機織物后三維針織/機織聚氨酯基復合材料具有更好的力學性能,即三維夾芯結構具有的高比強度、高比剛度的優點提高了復合材料的力學性能。

——在間隔織物表面結構相同的情況下,經編間隔織物厚度較大的三維針織/機織聚氨酯基復合材料具有較好的力學性能。聚氨酯泡沫是主要承力部分,填充較多的聚氨酯泡沫可以提高復合材料的力學性能。

——在間隔織物厚度相同的情況下,表面組織結構為大六角形網孔的復合材料的力學性能優于表面組織結構為六角形網孔的復合材料,即經編間隔織物的間隔絲相對表層越豎直,承受的臨界力值越大,越不易被壓彎,越有助于提高復合材料整體的力學性能。

因此,選取合適的間隔織物作為增強體是提高復合材料力學性能的關鍵之一。研究結果可為復合材料力學性能的優化設計提供一定的理論指導及試驗支持。