玄武巖、玻纖、丙綸機織復合材料的拉伸性能研究

劉雙雙,田 偉,王潔瑜,胡丹峰,祝成炎,

(浙江理工大學,a.現(xiàn)代紡織加工技術國家工程技術研究中心; b.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室,杭州 310018)

玄武巖、玻纖、丙綸機織復合材料的拉伸性能研究

劉雙雙a,田 偉b,王潔瑜a,胡丹峰a,祝成炎a,b

(浙江理工大學,a.現(xiàn)代紡織加工技術國家工程技術研究中心; b.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室,杭州 310018)

以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強纖維,丙綸為基體纖維,采用包纏技術制備復合線,織造不同纖維混雜比例的平紋預制件及三維預制件,直接熱壓成型制備纖維增強復合材料,研究纖維混雜比例及預制件結構對復合材料拉伸性能的影響。結果表明:隨著玻璃纖維體積含量的增加,平紋組織復合材料的緯向抗拉強度先增大后減小,斷裂伸長率逐漸減小,彈性模量逐漸增大,當玻纖含量在51%～59%之間時,復合材料力學性能相對最好;三維預制件復合材料中,4層角聯(lián)鎖結構的力學性能較4層準正交結構好,較4層正交結構差,多層預制件復合的復合材料,其力學性能好于相同層數(shù)的三維預制件復合材料。

玄武巖纖維; 玻璃纖維; 丙綸; 三維機織物; 復合材料; 拉伸性能

0 引 言

熱塑性纖維增強復合材料由于具有較好的機械性能,能滿足各種實際應用對材料性能的要求,成為目前研究的熱點[1]。對于實際應用的纖維增強復合材料,力學性能是評價其產(chǎn)品質量的重要指標,因此也成為國內外學者研究的主要方向。其中,對玻璃纖維增強復合材料的制備和性能研究較多,取得了較大地進展[2-4],對玄武巖纖維及其復合材料的研究相對滯后,但仍有一定的研究成果[5-6]。隨著三維織物織造技術的發(fā)展,三維機織復合材料也隨之發(fā)展起來,而且以其優(yōu)異的性能迅速成為人們關注的焦點,相關研究同樣取得了重大進展[7-11]。本文在已有研究成果的基礎上,選擇玄武巖纖維和玻璃纖維為增強纖維,以發(fā)揮兩者的性能優(yōu)勢和協(xié)同作用;選擇丙綸為基體纖維,采用包纏技術制備復合線,織造不同纖維混雜比例的平紋預制件;不同組織結構的三維預制件,直接熱壓成型制備纖維增強復合材料。研究纖維混雜比例及預制件結構對復合材料拉伸性能的影響,為拓寬玄武巖、玻纖、丙綸機織復合材料的應用奠定技術基礎。

1 實 驗

1.1 實驗原料與儀器

實驗原料:玄武巖纖維(浙江石金玄武巖纖維有限公司提供);玻璃纖維(杭州泰克斯復合材料有限公司提供);丙綸(紹興超特合纖有限公司提供),原料規(guī)格及性能如表1所示。

表1 實驗原料規(guī)格及性能

實驗儀器:HKV151B型花式捻線機(浙江精工科技股份有限公司);ASL2000-20-E自動織樣機(天津市隆達機電科技發(fā)展有限公司);XLB25-D型平板硫化機(浙江雙力集團湖州星力橡膠機械制造公司);INSTRON 3367電子萬能材料測試儀(INSTRON)。

1.2 實驗方法

1.2.1 包纏復合線的制備

分別將玄武巖纖維、玻璃纖維與丙綸纖維無捻并合,再用丙綸包覆形成具有混雜效果的包纏復合線,一方面使得復合線中具有較高比例的基體丙綸,保證熱壓過程中熔融的丙綸充分包覆增強纖維;另一方面克服單一纖維的缺陷,實現(xiàn)纖維之間的優(yōu)勢互補。包纏復合線的組合設計及體積比例如表2所示。

1.2.2 機織預制件的織造

1.2.2.1 平紋預制件的織造

在自動織樣機上織造經(jīng)密100根/10 cm、緯密60根/10 cm的平紋組織預制件,經(jīng)緯紗線組合如表3所示。

表2 復合線紗線組合及體積比例

表3 經(jīng)緯紗線組合

1.2.2.2 三維機織預制件的織造

三維機織物的結構設計一般可根據(jù)織物的厚度要求預選經(jīng)緯紗層數(shù),然后確定各層經(jīng)緯紗與垂紗的交織規(guī)律,畫出織物的結構示意圖,再根據(jù)結構示意圖畫出織物組織圖,然后得到上機圖,進行織造。本實驗分別設計2層角聯(lián)鎖、4層角聯(lián)鎖、4層正交、4層準正交等三維機織物,其經(jīng)向結構示意圖如圖1所示。采用自動織樣機,以916 tex玄武巖/丙綸包纏復合線為經(jīng)紗,860 tex玻璃纖維/丙綸包纏復合線為緯紗,織造經(jīng)密100根/10 cm、緯密200根/10 cm的三維機織預制件。

圖1 三維預制件的經(jīng)向結構

1.2.3 復合材料的制備

參考相關文獻資料[12],確定模壓參數(shù),采用直接熱壓成型工藝制備復合材料。將預制件放入課題組自主設計的加工模具中,放入平板硫化機熱壓成型。溫度由室溫升至220℃,同時加預壓力2 MPa,防止熔融丙綸皺縮引起織物變形,施加保壓壓力5 MPa,經(jīng)過45 min恒溫保壓,然后加循環(huán)水冷卻至室溫,制得所需復合材料。

1.2.4 復合材料拉伸性能測試

采用INSTRON 3367電子萬能材料測試儀對復合材料進行拉伸性能測試,拉伸方法參照GB/T 1446—2005《纖維增強塑料試驗方法總則》和GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行操作。拉伸試樣如圖2所示,試樣尺寸如表4所示。測試條件:拉伸速度50 mm/min,溫度(20±2)℃,相對濕度(65±10)%。

圖2 復合材料板材拉伸試樣

表4 試樣尺寸

注:復合材料拉伸試樣由切割機切割可得,試樣厚度d由厚度儀測試而得,每組試樣的厚度值以5次實際測試值的平均值為準。

2 結果與討論

2.1 纖維混雜比例對復合材料拉伸性能的影響

由于復合材料中經(jīng)紗組分保持不變,只改變緯紗組分比例,因此,本實驗測試了復合材料的緯向拉伸性能指標。圖3所示為不同玻纖體積含量下復合材料緯向抗拉強度與斷裂伸長率的關系圖。

圖3 復合材料緯向拉伸性能與玻璃纖維體積含量的關系

從圖3中可以看出,隨著緯向玻璃纖維體積含量的增加,丙綸體積含量的減少,復合材料緯向抗拉強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當玻璃纖維體積含量達到約55%左右時,緯向抗拉強度達到最大值。復合材料緯向斷裂伸長率則隨著玻纖體積含量的增加逐漸減小。分析其原因可知,當玻璃纖維體積含量小于55%時,丙綸的體積含量相對較多,基體丙綸能較好浸潤組織結構和充分包覆增強纖維,復合材料的成型質量相對較好,此時,復合材料的抗拉強度主要取決于增強纖維本身的力學性能,因此,隨著玻璃纖維體積含量的提高,復合材料的抗拉強度隨之增大,斷裂伸長率逐漸減小,力學性能逐漸增強;而當玻璃纖維體積含量超過55%時,丙綸的體積含量降低到一定程度,基體不能完整包覆和浸潤增強纖維,導致部分增強纖維呈現(xiàn)游離狀態(tài),基體丙綸對增強體的包覆支撐作用減弱,增強纖維之間的抱合力相對較小,能承受的最大載荷變小,因此,當玻璃纖維含量超過55%時,復合材料的力學性能有所下降。

彈性模量主要反映復合材料抵抗彈性變形的能力,是體現(xiàn)復合材料力學性能的另一重要指標。圖4所示為不同玻纖體積含量下復合材料彈性模量的變化趨勢。

圖4 復合材料緯向彈性模量與玻璃纖維體積含量的關系

從圖4中可以看出,隨著玻璃纖維體積含量的增加,復合材料的緯向彈性模量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢,并且在玻璃纖維體積含量超過50%時上升較快,超過55%之后上升較為緩慢。說明增強纖維的力學性能對復合材料彈性模量的影響起主要作用,隨著玻璃纖維體積含量的增加,丙綸含量也不至于過少,復合材料成型良好,質地較硬,抗彈性變形能力增強,因而彈性模量逐漸增大。根據(jù)回歸方程和擬合曲線可以得到曲線的頂點,即彈性模量達到最大值的點。分析得出,在玻璃纖維體積含量約為80%時,復合材料緯向彈性模量達到最大,此時,如果再增加玻璃纖維的含量,復合材料的緯向彈性模量反而會下降。這是由于隨著玻璃纖維含量的持續(xù)增加,丙綸含量相對過少,玻璃纖維呈現(xiàn)游離狀態(tài),不能被丙綸充分包覆和浸潤,因此復合材料成型效果會比較差,質地相對較軟,容易變形,彈性模量也就會隨之下降。

2.2 預制件結構對復合材料拉伸性能的影響

表5和表6所示為相同經(jīng)緯紗組分,不同預制件結構所制復合材料的拉伸性能測試結果。

表5 不同預制件結構復合材料緯向拉伸結果

從表5中可以看出,4層三維預制件復合材料中,4層正交結構的緯向抗拉強度和彈性模量較大,斷裂伸長率較小,力學性能相對最好,4層角聯(lián)鎖次之,4層準正交結構相對較差。分析其原因可知,4層正交結構的特點是紗線彎曲少,多呈平直狀態(tài)排列,不存在層間剝離問題,其結構的整體性較好,預制件也相對較薄,基體丙綸熔融后容易浸潤織物內部層間結構,包覆增強纖維,有利于增強三維正交結構復合材料的力學性能。而角聯(lián)鎖結構織物的紗線有相對較多的屈曲,其預制件相對比較厚,而柔曲性能相對較好,丙綸熔融后在短時間內不容易完全滲透到組織結構內部,對纖維包覆性相對較差,因此,角聯(lián)鎖結構的復合材料的力學性能稍差。4層準正交結構的特點是紗線部分呈平直狀態(tài)排列,部分呈彎曲狀態(tài),整體性較正交結構差,制品厚度又小于角聯(lián)鎖結構,結構內部丙綸浸潤和包覆效果相對較差,因此力學性能較差。此外,多層預制件復合制得的復合材料,其力學性能均優(yōu)于單層三維織物制成的復合材料,且多層三維織物復合所得復合材料的力學性能要優(yōu)于多層平紋組織復合材料。

表6 不同預制件結構復合材料經(jīng)向拉伸結果

對比表5和表6可知,不同預制件結構復合材料經(jīng)向拉伸力學性能指標的變化趨勢與緯向基本相似,尤其是復合材料的抗拉強度值。但是,相同預制件結構的復合材料,其緯向的力學性能均優(yōu)于經(jīng)向的力學性能。這是因為對于所有預制件,特別是三維預制件,其經(jīng)線排列并未有太大改變,只是由于不同的織物結構,經(jīng)紗的屈曲程度和狀態(tài)不同,對復合材料的力學性能的影響較緯紗方向相對較小;而緯紗方向,由于不同的織物結構,尤其是三維立體織物,大大提高了織物厚度方向上的緯紗密度,其玻璃纖維含量和丙綸含量都大幅度增加,因此纖維束的增加和更多丙綸的包覆明顯提高了復合材料緯向的力學性能。

3 結 論

本文以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強纖維,丙綸為基體纖維,采用包纏技術制備包纏復合線,以相同線密度的玄武巖/丙綸包纏復合線為經(jīng)紗,不同纖維混雜比例的玻璃纖維/丙綸包纏復合線為緯紗,制織平紋組織預制件,再以相同線密度的兩種包纏復合線分別為經(jīng)緯紗,織造三維機織預制件,采用統(tǒng)一的模壓參數(shù)直接熱壓成型制備丙綸基纖維增強復合材料,對所得復合材料進行拉伸性能測試,研究纖維混雜比例及預制件結構對復合材料拉伸性能的影響。研究結果如下:

a) 保持經(jīng)紗組分不變,改變平紋預制件的緯紗組分比例,隨著復合材料中玻璃纖維體積含量的增加,復合材料的緯向抗拉強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當玻璃纖維體積含量約為55%左右時,緯向抗拉強度達到最大值。復合材料的緯向斷裂伸長率隨著玻纖量的增加則逐漸減小,緯向彈性模量逐漸增大,但不會隨著玻纖含量的持續(xù)增加而持續(xù)增大。

b) 當玻璃纖維體積含量在51%～59%之間時,復合材料的緯向抗拉強度和彈性模量均較大,此時復合材料的力學性能相對最好。

c) 保持經(jīng)緯紗組分不變,三維預制件復合材料中,4層角聯(lián)鎖結構的緯向抗拉強度略小于4層正交結構,但略大于4層準正交結構。多層預制件復合制得的復合材料,其緯向力學性能均優(yōu)于相同層數(shù)的三維織物制成的復合材料。

d) 不同預制件結構復合材料的經(jīng)向拉伸性能其變化趨勢與緯向基本相似,但經(jīng)向的力學性能均較緯向的力學性能差。

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(責任編輯：張祖堯)

Study on Tensile Properties of BF/GF/PP Woven Composites

LIUShuang-shuanga,TIANWeib,WANGJie-yua,HUDan-fenga,ZHUCheng-yana,b

(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)

By using basalt fiber and glass fiber as the reinforced fibers,and polypropylene fiber as the matrix fiber,wrapping technology was adopted to prepare composite yarns to make tabby preformed unit and 3D preformed unit with different proportions of fibers.Fiber reinforced composites were prepared directly through hot press molding.Effects of different fiber components and structure of preformed units on tensile properties of composites were studied.Results show that the zonal tensile strength of the plain composites increases first then decreases with the rise in volume content of glass fiber; elongation at break declines gradually; elasticity modulus increases gradually.When the volume content of glass fiber is between 51% and 59%,mechanical properties of composites reaches the best.Among 3D composites,the tensile property of 4-layer angle interlock structure is better than that of 4-layer quasi-orthogonal structure and worse than that of 4-layer orthogonal structure.The multilayered composites have much better tensile properties than 3D woven composites with the same layers.

basalt fiber; glass fiber; polypropylene; 3D woven fabrics; composites; tensile properties

1673-3851 (2015) 02-0169-05

2014-06-27

科技部國家國際科技合作專項項目(2011DFB51570);浙江理工大學研究生科研創(chuàng)新項目(11110032661206);“紡織科學與工程”浙江省重中之重一級學科優(yōu)秀研究生學位論文培育基金項目(11110031211202/005/093)

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

祝成炎,E-mail:cyzhu@zstu.edu.cn

TB332

A