玄武巖/玻纖/丙綸復(fù)合材料的研制及其結(jié)構(gòu)和性能

劉雙雙, 田 偉, 祝成炎

(浙江理工大學(xué), a. 現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國(guó)家工程技術(shù)研究中心; b. 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310018)

玄武巖/玻纖/丙綸復(fù)合材料的研制及其結(jié)構(gòu)和性能

劉雙雙a, 田 偉b, 祝成炎a

(浙江理工大學(xué), a. 現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國(guó)家工程技術(shù)研究中心; b. 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310018)

以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)纖維,丙綸為基體纖維,通過(guò)線形設(shè)計(jì)、預(yù)制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、直接熱壓成型工藝研制出一種玄武巖/玻纖/丙綸結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。觀察并分析其結(jié)構(gòu)可知:成型過(guò)程中,基體丙綸熔融后浸入組織內(nèi)部包覆增強(qiáng)纖維,增強(qiáng)纖維則保證織物組織在復(fù)合材料中完整無(wú)缺,尤其緯紗滿足復(fù)合材料在厚度上的要求。對(duì)制得的復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,結(jié)果顯示:三維正交組織結(jié)構(gòu)與三維角聯(lián)鎖組織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相比,前者的彈性模量和抗拉強(qiáng)度均小于后者,拉伸應(yīng)變大于后者。

玄武巖/丙綸; 玻纖/丙綸; 三維機(jī)織物; 復(fù)合材料; 結(jié)構(gòu): 拉伸性能

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為新型材料工業(yè)已呈現(xiàn)一種持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì),特別是熱塑性混纖復(fù)合材料、三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料等,成為樹(shù)脂基復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)。三維復(fù)合材料中沒(méi)有“層”的問(wèn)題,可以克服普通復(fù)合材料受力后容易分層的缺點(diǎn),不但能大幅度地提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度,而且具有良好的抗損壞性與抗沖擊性[1-2]。三維機(jī)織物增強(qiáng)是一種非常有效的增強(qiáng)形式[3],其以輕質(zhì)、抗分層、構(gòu)件可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、整體化結(jié)構(gòu)好等特點(diǎn)得到了人們的青睞[4-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于熱塑性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能研究,并取得了重大突破和進(jìn)展[6-8]。本文借鑒已有的研究成果,以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)纖維,以聚丙烯纖維(簡(jiǎn)稱丙綸)為基體纖維,采用包纏的方式將三種纖維結(jié)合,發(fā)揮三者協(xié)同效應(yīng),實(shí)現(xiàn)纖維之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),在普通織機(jī)上織造不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織物,采用模壓成型工藝研制熱塑性纖維混雜三維增強(qiáng)復(fù)合材料,觀察并分析復(fù)合材料的成型和結(jié)構(gòu),對(duì)制得的復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,分析復(fù)合材料的拉伸性能，為制備熱塑性纖維混雜三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提供一定參考。

1 原料選擇

玄武巖纖維以天然玄武巖為原料,來(lái)源廣泛、成本低,且在正常生產(chǎn)加工過(guò)程中幾乎無(wú)污染[9],其性能類似于碳纖維和玻璃纖維。玻璃纖維性能優(yōu)良,價(jià)格低廉,不僅是纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(FRP)[10]的主要增強(qiáng)材料,也是所有復(fù)合材料的最佳增強(qiáng)材料。丙綸纖維有熔點(diǎn)低,加工工藝簡(jiǎn)單,耐化學(xué)腐蝕,熱變形溫度高等特點(diǎn),適宜作為熱塑性復(fù)合材料的基體材料。本文為研制結(jié)構(gòu)和性能較好的三維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,選擇玄武巖纖維、無(wú)堿玻璃纖維、聚丙烯纖維為原料,將三者相結(jié)合,以發(fā)揮協(xié)同效應(yīng),實(shí)現(xiàn)纖維之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。其原料規(guī)格及性能如表1所示。

表1 原料規(guī)格及性能

注：纖維由多股單絲并合而成。

2 玄武巖/丙綸、玻纖/丙綸復(fù)合線的制備

丙綸基三維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的成型原理:丙綸長(zhǎng)絲為熱塑性高分子材料,熔點(diǎn)低,受熱后熔化,熔融的丙綸利用其流變特性浸入織物組織的層間,將織物組織中的增強(qiáng)纖維包覆,溫度降低后,熔融的丙綸又會(huì)凝固,最終形成復(fù)合材料板材。因此,為得到結(jié)構(gòu)和性能較好的復(fù)合材料,增強(qiáng)纖維與基體纖維的線型設(shè)計(jì)要考慮以下幾個(gè)因素:首先要保證織物組織中具有較高比例的基體纖維,熱壓過(guò)程中能夠充分浸潤(rùn)增強(qiáng)纖維;其次要充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維在結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)作用,保證復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能;最后要保證所制復(fù)合線在織造和后續(xù)加工中的可織性,基體纖維能夠有效地保護(hù)增強(qiáng)纖維。

增強(qiáng)用纖維與其他纖維混雜復(fù)合,可采用并合、加捻、包纏和網(wǎng)絡(luò)等方法中的一種或者幾種來(lái)完成,以達(dá)到不同紗線組合的要求。本文以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)纖維,以丙綸為基體纖維,為滿足上述因素的要求,采用并合和包纏的方法,利用HKV151B型花式捻線機(jī)進(jìn)行復(fù)合線的組合加工。制成的復(fù)合線組合以及體積比如表2所示。

表2 包纏線紗線組合及體積比例

如圖1所示,玻璃纖維、玄武巖纖維長(zhǎng)絲束分別與丙綸長(zhǎng)絲并合、包覆。其形成過(guò)程是:呈伸直狀態(tài)的玻璃纖維、玄武巖纖維長(zhǎng)絲束分別與綠色丙綸長(zhǎng)絲并合,并由呈螺旋形分布的黑色丙綸長(zhǎng)絲在其外部包覆形成穩(wěn)定的紗線結(jié)構(gòu)。這種紗線結(jié)構(gòu)一方面使基體丙綸能夠充分地保護(hù)增強(qiáng)纖維,滿足立體織物的制織要求,另一方面使所得織物中含有較高比例的丙綸,使所得織物可采用直接熱壓成型工藝制備丙綸基玻璃纖維/玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

圖1 包纏復(fù)合線成品試樣

3 玄武巖/玻纖/丙綸三維機(jī)織物的設(shè)計(jì)和織造

三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)形式主要有正交結(jié)構(gòu)、角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)等。三維正交結(jié)構(gòu)最突出的特點(diǎn)是紗線彎曲少、多呈平直狀態(tài)排列、纖維強(qiáng)力損傷小,并且不存在層間剝離問(wèn)題,可用于生產(chǎn)各種形狀性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)體;而三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物由于紗線有屈曲,所以其預(yù)制件有較好的柔曲性能,變形能力較強(qiáng),較適合用來(lái)加工柔性復(fù)合材料或用于形成具有復(fù)雜曲面形狀的剛性復(fù)合材料等。因此,本文選用三維正交和三維角聯(lián)鎖兩種基本結(jié)構(gòu)。其經(jīng)向結(jié)構(gòu)示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 三維正交組織結(jié)構(gòu)示意

圖3 三維角聯(lián)鎖組織結(jié)構(gòu)示意

三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般可以根據(jù)織物的厚度要求預(yù)選經(jīng)緯紗層數(shù),然后確定各層經(jīng)緯紗的交織規(guī)律,繪出織物的結(jié)構(gòu)示意圖,并根據(jù)織物的結(jié)構(gòu)示意圖畫出織物組織圖,然后得到上機(jī)圖。本文以所制玄武巖/丙綸包纏復(fù)合線為經(jīng)紗,玻璃纖維/丙綸包纏復(fù)合線為緯紗,經(jīng)緯紗層數(shù)選擇3層,在ASL2000-20-E自動(dòng)織樣機(jī)上織造三維紡織預(yù)制件。根據(jù)經(jīng)向結(jié)構(gòu)圖繪出組織圖,得到上機(jī)圖如圖4、圖5所示。

圖4 3D正交3層組織上機(jī)圖

圖5 3D角聯(lián)鎖3層組織上機(jī)圖

4 丙綸基纖維混雜三維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型

由于丙綸屬于熱熔性纖維,因此本文所得三維預(yù)制件只需熱壓處理即可成型。本文所用丙綸的熔點(diǎn)在165～170℃,參考相關(guān)文獻(xiàn)[11]中復(fù)合材料模壓成型工藝參數(shù),確定多種實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行多次成型實(shí)驗(yàn),對(duì)比復(fù)合材料的成型表面和截面結(jié)構(gòu),確定了模壓參數(shù):模壓壓力5 MPa,模壓時(shí)間30 min,模壓溫度180℃。將每種預(yù)制件置于XLB25-L平板硫化機(jī)的加工模具中,溫度由室溫升至180℃(此溫度大于丙綸熔點(diǎn),保證丙綸熔融并浸入玻璃纖維和玄武巖纖維,同時(shí)保證熔融的丙綸無(wú)過(guò)量溢出,并且此工藝下的復(fù)合材料表面平整,成型良好),施加模壓5 MPa,經(jīng)過(guò)30 min恒溫?zé)釅?然后加循環(huán)水冷卻到室溫,即可制得所需復(fù)合材料。其工藝流程如圖6所示。

圖6 復(fù)合材料模壓成型工藝流程

5 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)觀察與分析

圖7(a)、(c)為三層正交組織復(fù)合材料表面形貌及橫截面結(jié)構(gòu),圖7(b)、(d)為三層角聯(lián)鎖組織復(fù)合材料表面形貌及橫截面結(jié)構(gòu)。圖7可以看出,溫度180℃,壓力5 MPa的條件下,熔融的基體丙綸能夠浸潤(rùn)到織物的層間結(jié)構(gòu),包覆增強(qiáng)纖維,冷卻凝固后形成復(fù)合材料板材,而增強(qiáng)纖維未發(fā)生變化,作為經(jīng)緯紗線,使織物組織在復(fù)合材料中結(jié)構(gòu)完整,因此成型的復(fù)合材料板中,織物組織仍清晰可見(jiàn),與織物組織經(jīng)向結(jié)構(gòu)示意圖保持一致,但由于模壓壓力的作用,纖維之間距離變小,形成擠壓,纖維束變扁。經(jīng)紗玄武巖纖維在織物組織中屈曲,緯紗玻璃纖維在織物組織中起到增加織物厚度的作用,兩者結(jié)合共同控制復(fù)合材料板材的厚度。三層角聯(lián)鎖組織復(fù)合材料的厚度較三層正交組織復(fù)合材料大,且熔融的丙綸在角聯(lián)鎖組織內(nèi)部的浸漬相對(duì)完全,空隙少,因此復(fù)合材料板材的成型效果好。

圖7 復(fù)合材料的表面和截面

圖8(a)、(b)分別為三層正交組織和三層角聯(lián)鎖組織結(jié)構(gòu)中丙綸的浸潤(rùn)和包覆情況。圖8可以看出,在此工藝條件下,熔融的丙綸在壓力作用下流動(dòng),逐漸浸潤(rùn)到織物的層間,填充纖維束之間的空間,對(duì)增強(qiáng)纖維形成緊密的包覆,已經(jīng)浸潤(rùn)的纖維束形成連續(xù)相。纖維束也在壓力作用下發(fā)生變形,形成擠壓,有利于纖維束內(nèi)部的氣體排出,減少孔隙,在一定程度上改善了復(fù)合材料的成型和結(jié)構(gòu)。因此,熔融丙綸的浸潤(rùn)質(zhì)量和包覆增強(qiáng)纖維的緊密程度決定了復(fù)合材料最終的結(jié)構(gòu)和性能,這也是優(yōu)化復(fù)合材料成型工藝的參考指標(biāo)。

圖8 復(fù)合材料內(nèi)部熔融丙綸的浸潤(rùn)情況

6 復(fù)合材料的拉伸性能

采用INSTRON 3367電子萬(wàn)能材料測(cè)試儀對(duì)所制復(fù)合材料進(jìn)行拉伸測(cè)試,以獲得復(fù)合材料的拉伸性能指標(biāo),判斷所制復(fù)合材料性能的優(yōu)劣。復(fù)合材料的拉伸方法參照GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料試驗(yàn)方法總則》和GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行操作。測(cè)試條件為:拉伸速度10 mm/min,溫度20℃,相對(duì)濕度65%。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 復(fù)合材料的拉伸測(cè)試指標(biāo)比較

從表3中可以看出,在經(jīng)緯紗線相同的情況下,三維正交組織結(jié)構(gòu)與三維角聯(lián)鎖組織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相比,前者的彈性模量和最大抗拉強(qiáng)度均小于后者,拉伸應(yīng)變大于后者。分析其原因:三維正交結(jié)構(gòu)最突出的特點(diǎn)是紗線彎曲少、纖維強(qiáng)力損傷小,不存在層間剝離問(wèn)題。由于三維正交結(jié)構(gòu)的整體性較好,紗線屈曲相對(duì)較少,熔融的丙綸不易滲入內(nèi)部層間結(jié)構(gòu),導(dǎo)致復(fù)合材料浸潤(rùn)性能相對(duì)較差,因此不利于發(fā)揮三維正交結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸性能;而三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu),由于紗線屈曲相對(duì)較多,其預(yù)制件有較好的柔曲性能,變形能力較強(qiáng),熔融丙綸易于滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部,對(duì)層間結(jié)構(gòu)形成包覆固結(jié),使得復(fù)合材料成型過(guò)程中浸潤(rùn)性能相對(duì)較好,因此可以顯著改善復(fù)合材料的拉伸性能。

7 結(jié) 語(yǔ)

以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)纖維,以丙綸為基體纖維,采用包纏的方式預(yù)制玄武巖/丙綸復(fù)合線,玻璃纖維/丙綸復(fù)合線,既可以克服單一纖維的缺點(diǎn),發(fā)揮協(xié)同效應(yīng),又可以保護(hù)增強(qiáng)纖維,避免織造和后續(xù)加工過(guò)程中的纖維損失,提高紗線可織性。以前者為經(jīng)紗,后者為緯紗,設(shè)計(jì)正交、角聯(lián)鎖等三維機(jī)織物組織,以滿足復(fù)合材料在厚度上的要求。利用基體丙綸熔點(diǎn)低的特性,采用直接熱壓成型工藝,復(fù)合材料成型過(guò)程中,基體丙綸熔融浸入組織層間結(jié)構(gòu),而增強(qiáng)纖維則保證織物組織在復(fù)合材料中結(jié)構(gòu)完整,清晰可見(jiàn),尤其是緯紗,保證了復(fù)合材料在厚度上的要求。熔融丙綸的浸潤(rùn)質(zhì)量和包覆增強(qiáng)纖維的緊密程度決定了復(fù)合材料最終的結(jié)構(gòu)和性能,因此對(duì)復(fù)合材料成型工藝的優(yōu)化時(shí)加以參考。對(duì)比兩種組織的復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)三維角聯(lián)鎖組織復(fù)合材料比三維正交的厚度大,且其丙綸的浸潤(rùn)效果更好,同時(shí)具有相對(duì)較好的拉伸性能,充分發(fā)揮了增強(qiáng)纖維與基體纖維的抗拉性能。

綜上所述，本文所研制的玄武巖/玻纖/丙綸復(fù)合材料,成型結(jié)構(gòu)良好、力學(xué)性能優(yōu)越、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單且成本較低,在新型綠色產(chǎn)業(yè)用復(fù)合材料領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 任淮輝, 李旭東, 劉德學(xué), 等. 三維復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008(2): 1-5.

[2] 楊 英. 飛機(jī)用三維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2007(2): 59-64.

[3] 祝成炎, 高禎云, 朱俊萍. 組合式3D機(jī)織物復(fù)合材料的拉伸性能[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2005, 26(5): 13-15.

[4] 唐鑫馀. 三維機(jī)織結(jié)構(gòu)在織造過(guò)程中的理論與實(shí)踐[J]. 玻璃纖維, 2004(1): 20-23.

[5] 王 靜, 祝成炎. 玻/滌混雜3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸性能的研究[J]. 材料工程, 2007(1): 179-183.

[6] 呂麗華, 魏春艷, 趙 欣, 等. 智能三維機(jī)織玄武巖纖維復(fù)合材料的制備[J]. 棉紡織技術(shù), 2011, 39(9): 552-554.

[7] 張明星, 胡 紅. 三維多重結(jié)構(gòu)增強(qiáng)玄武巖復(fù)合材料的力學(xué)性能研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2010(1): 77-81.

[8] 馬雷雷, 田 偉, 馮兆行, 等. 三維紡織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)的有限元模擬[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 27(3): 383-386.

[9] 劉 馨. 玄武巖纖維: 高性能纖維后起之秀[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2012(3): 67-70.

[10] 危良才. 玻璃纖維是復(fù)合材料的最佳增強(qiáng)材料[J]. 纖維復(fù)合材料, 2009, 53(8): 53-56.

[11] 田 偉, 祝成炎. 玻璃纖維/丙綸混雜3D機(jī)織物及其復(fù)合材料的研制[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2003, 21(12): 6-9.

(責(zé)任編輯： 張祖堯)

Manufacture of BF/GF/PP Composites and the Structure and Performance

LIUShuang-shuanga,TIANWeib,ZHUCheng-yana

(a. Modern Textile Processing Technology National Engineering Research Center; b. Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper develops a fiber hybrid reinforced composite with basalt fiber and glass fiber as reinforced fiber and polypropylene as base fiber. The process includes design of yarn form, prefabricated member structure and molding process, etc. Basing on the observation and analysis of composite’s structure, it can be obtained that the melt polypropylene immerses in the fabric and the reinforced fibers ensure the fabric structure in the composite intact. Especially the weft yarn meets the thickness requirement of composites. This paper also tests the tensile properties of the 3D angle interlock and orthogonal composites. Results show that the former has better modulus of elasticity and tensile strength, and the latter has better tensile strain.

BF/PP; GF/PP; 3D woven fabrics; composites; structure; tensile properties

1673- 3851 (2015) 01- 0011- 05

2014-04-10

國(guó)家科技部國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2011DFB51570);浙江理工大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(11110032661206);“紡織科學(xué)與工程”浙江省重中之重一級(jí)學(xué)科優(yōu)秀研究生學(xué)位論文培育基金項(xiàng)目(11110031211202/005/093)

劉雙雙(1990-),女,吉林松原人,碩士研究生,主要從事纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備及力學(xué)性能方面的研究。

祝成炎,E-mail:cyzhu@zstu.edu.cn

TB332

A