三種緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料的力學(xué)性能

楊燕寧,孟家光,程燕婷,劉曉巧

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

機(jī)織物作為復(fù)合材料增強(qiáng)體已有多年的歷史,而針織物[1-2]由于其較大的延伸性和尺寸不穩(wěn)定性一直被認(rèn)為不適合用于聚合物復(fù)合材料.但近年來(lái),研究者發(fā)現(xiàn)針織增強(qiáng)體[3-4]具有非常好的延伸性,用作復(fù)合材料具有很高的拉伸強(qiáng)度.尤其是緯編針織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體,具有良好的成型性、耐沖擊性和能量吸收性能.芳綸纖維[5-6]作為高性能纖維之一,具有高強(qiáng)高模,耐腐蝕、耐酸堿、韌性好、可加工以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等特性[7-8],但也存在橫向拉伸強(qiáng)度低、抗壓縮性差等缺點(diǎn).而UHMWPE纖維[9-10]密度很小,僅為0.97 g/cm3,其比強(qiáng)度和比模量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他高性能纖維[11-12],并具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕、耐沖擊、耐低溫性、耐拉伸和耐光性能[13-14],但又存在韌性差、耐熱性差以及難以加工的缺點(diǎn).因此考慮將這兩種高性能纖維在橫機(jī)上采用緯編針織結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái),可減輕織物整體質(zhì)量，改善拉伸強(qiáng)度、耐光、耐熱性能.

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了諸多研究．郝露等[15]對(duì)不同混編方式芳綸和炭纖維復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行分析.袁玉華[16]選用碳纖維編織出9種不同組織參數(shù)的緯編針織物做為增強(qiáng)體,選用環(huán)氧樹脂為基體,采用手糊法制備了復(fù)合材料試樣．研究得出材料的拉伸和彎曲性能與增強(qiáng)針織物的組織結(jié)構(gòu)、紗線取向、承載紗線根數(shù)、纖維體積含量等因素有關(guān)．李翠玉等[17]選用UHMWPE纖維編織了緯平針、羅紋、畦編針織結(jié)構(gòu)織物,采用VARTM工藝制備出UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料板．測(cè)試結(jié)果表明不同組織結(jié)構(gòu)織物的工藝參數(shù)、不同組織結(jié)構(gòu)針織復(fù)合材料的纖維體積含量等基本參數(shù)對(duì)復(fù)合材料彎曲性能均有一定影響．也表明由高強(qiáng)聚乙烯纖維制成的增強(qiáng)體材料具有較強(qiáng)的韌性與較高的強(qiáng)力．

本文以芳綸和UHMWPE超強(qiáng)聚乙烯纖維為原料,編織滿針羅紋、圓筒形和羅紋空氣層組織增強(qiáng)體,通過(guò)模壓成型工藝制備出3種緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料,并對(duì)這3種緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和分析.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑及儀器

1.1.1 材料 芳綸纖維(3 220 dtex/2000F,日本帝人公司);UHMWPE纖維(178 tex/1385F,北京特力化纖有限公司).

1.1.2 試劑 環(huán)氧乙烯基酯樹脂(華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司);2-過(guò)氧化丁酮(西安金錦樂(lè)化工有限公司);異辛酸鈷(新鄭市龍湖鎮(zhèn)天龍化工商行).

1.1.3 儀器 JA3003N型電子天平(上海升隆電子科技有限公司);DHG-9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海齊欣科學(xué)儀器有限公司);YG026D型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓紡織儀器廠);INSTRON 3365型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)英斯特朗公司);CMT5304-30KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(新三思材料檢測(cè)有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 材料改性 采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對(duì)芳綸和UHMWPE纖維進(jìn)行表面改性,其中芳綸纖維的改性工藝為:硅烷偶聯(lián)劑KH-550質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%,處理溫度55 ℃,處理時(shí)間7 h.UHMWPE纖維的改性工藝為:硅烷偶聯(lián)劑KH-550質(zhì)量分?jǐn)?shù)17.5%,處理溫度55 ℃,處理時(shí)間7 h.

1.2.2 試樣編織 芳綸和UHMWPE纖維在橫機(jī)上編織,通過(guò)多次試織得到較優(yōu)的編織工藝:彎紗深度15.5 mm,尺寸25 cm×25 cm,分別編織出滿針羅紋、圓筒形、羅紋空氣層組織.各組織的工藝參數(shù)如表1所示.

表 1 各種組織結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)Table 1 The technological parameters of various organizational structures

1.2.3 復(fù)合材料制備 根據(jù)GB/T2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行,制作改性處理前后芳綸纖維和超強(qiáng)聚乙烯纖維的環(huán)氧乙烯基酯樹脂澆注體,過(guò)氧化甲乙酮作為固化劑,異辛酸鈷為促進(jìn)劑,在常溫下固化12 h.其中,環(huán)氧乙烯基酯樹脂、固化劑與促進(jìn)劑的質(zhì)量比為100∶2∶1.通過(guò)模壓成型工藝制備出滿針羅紋、圓筒形、羅紋空氣層復(fù)合材料板.

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 拉伸性能 根據(jù)GB/T1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》,測(cè)試芳綸與UHMWPE纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度.其拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

式中:σt為拉伸強(qiáng)度，MPa；F為破壞時(shí)的最大載荷，N；b為試樣寬度，mm;d為試樣厚度，mm.

1.3.2 壓縮性能 根據(jù)GB/T1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》,測(cè)試芳綸與UHMWPE纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度.其壓縮強(qiáng)度計(jì)算公式為

(2)

式中:σc為壓縮強(qiáng)度，MPa；P為破壞載荷或最大載荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm.

1.3.3 彎曲性能 根據(jù)GB/T1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》,使用測(cè)試芳綸與UHMWPE纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度.其彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為

σf=3P·l/2b·h2.

(3)

式中:σf為彎曲強(qiáng)度，MPa；P為破壞時(shí)的最大載荷，N；l為跨距，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm.

表 2 增強(qiáng)體復(fù)合材料拉伸與壓縮性能Table 2 Tensile properties and compressive strength of reinforced composites

1.3.4 剪切性能 根據(jù)GB/T 28889—2012《復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能試驗(yàn)方法》,測(cè)試復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度.其層間剪切強(qiáng)度計(jì)算公式為

σi=3P/4b·d.

(4)

式中:σi為層間剪切強(qiáng)度,MPa;P為破壞時(shí)的最大載荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

對(duì)改性前后3種不同組織增強(qiáng)體復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見表2.由表2可知,3種交織增強(qiáng)體復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度均大于緯向拉伸強(qiáng)度.與未經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理的交織增強(qiáng)體復(fù)合材料相比,處理后復(fù)合材料的經(jīng)緯向拉伸強(qiáng)度均有較大提高.處理后的3種交織增強(qiáng)體復(fù)合材料中,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強(qiáng)度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.羅紋空氣層緯編針織復(fù)合材料的緯向拉伸強(qiáng)度最大,滿針羅紋次之,圓筒形最小.結(jié)果表明,未處理纖維的界面粘結(jié)性能差,拉伸時(shí)會(huì)出現(xiàn)樹脂斷裂,織物還沒(méi)有拉斷,二者分離.但經(jīng)改性后,織物與樹脂之間的粘結(jié)性能得到較大的提高,復(fù)合材料幾乎沒(méi)有分層,拉伸強(qiáng)度得到提高.

2.2 壓縮性能

對(duì)改性前后3種不同組織增強(qiáng)體復(fù)合材料的壓縮性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表2.由表2可知，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理之后,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向壓縮強(qiáng)度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的緯向壓縮強(qiáng)度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.與未經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理過(guò)的相比,經(jīng)處理后的交織增強(qiáng)體復(fù)合材料的經(jīng)緯向壓縮強(qiáng)度都得到提高,且經(jīng)緯向壓縮強(qiáng)度相差不大.而增強(qiáng)體織物的經(jīng)緯向?qū)?fù)合材料的壓縮性能影響很小,是因?yàn)榧徔椊Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料的壓縮性能主要取決于選用樹脂基體的性能,而增強(qiáng)體織物的經(jīng)緯向?qū)?fù)合材料的壓縮性能影響較小.

2.3 彎曲性能

對(duì)改性前后3種不同組織增強(qiáng)體復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見表3.從表3可以看出,經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理之后,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向彎曲強(qiáng)度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的緯向彎曲強(qiáng)度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.芳綸與超強(qiáng)聚乙烯交織增強(qiáng)體復(fù)合材料的經(jīng)向彎曲強(qiáng)度普遍大于緯向,但是經(jīng)處理后,緯向彎曲強(qiáng)度卻比經(jīng)向提高的多.分析發(fā)現(xiàn),各種織物的經(jīng)向是由互相串套線圈構(gòu)成,更容易自然的彎曲,而織物和樹脂復(fù)合時(shí),緯向相對(duì)經(jīng)向纖維占的比例高,因此緯向彎曲強(qiáng)度的提高率高于經(jīng)向,可見硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理增強(qiáng)體織物可提高其復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度.

表 3 增強(qiáng)體復(fù)合材料彎曲與剪切性能Table 3 Bending strength and interlaminar shear strength of reinforced composites

2.4 剪切性能

對(duì)改性前后3種不同組織增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能進(jìn)行測(cè)試.結(jié)果見表3.從表3可知，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理之后,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向?qū)娱g剪切強(qiáng)度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的緯向?qū)娱g剪切強(qiáng)度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.未處理時(shí)各增強(qiáng)體復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度均在33.60 MPa以上,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)、緯向復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度最大.可看出改性后增強(qiáng)體表面不僅出現(xiàn)大量的細(xì)槽和孔洞等,增大了增強(qiáng)體與樹脂基體的接觸面積,同時(shí)增強(qiáng)體纖維上引入了極性基團(tuán),使芳綸與超強(qiáng)聚乙烯纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料具有優(yōu)良的界面性能,層間剪切性能得到改善.

3 結(jié) 論

經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理之后,3種緯編針織復(fù)合材料經(jīng)向和緯向的拉伸、彎曲、壓縮和層間剪切強(qiáng)度都有所提高.滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸、經(jīng)緯向彎曲、經(jīng)緯向壓縮和經(jīng)緯向?qū)娱g剪切強(qiáng)度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.而羅紋空氣層緯編針織復(fù)合材料的緯向拉伸強(qiáng)度最大,滿針羅紋次之,圓筒形最小.

參考文獻(xiàn)(References):

[1] 馬曉紅,秦志剛.雙羅紋襯緯緯編針織物增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2016(8):78-81.

MA X H,QIN Z G.Tensile properties of the interlock laying-in weft knitted fabric reinforced composites[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,2016(8):78-81.

[2] 王春敏.針織復(fù)合材料力學(xué)性能的研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2011，25(11):277-280.

WANG C M.Study on the mechanical properties of knitted fabric composites[J].Materials Review,2011，25(11):277-280.

[3] 魏凱,秦志剛.緯編針織復(fù)合材料拉伸性能研究[J].上海紡織科技,2015，43(9):44-47.

WEI K,QIN Z G.Study on the tensile properties of weft knitted composite materials[J].Shanghai Textile Science & Technology,2015，43(9):44-47.

[4] 馬丕波,朱運(yùn)甲,高雅,等.針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].玻璃纖維,2014(1):5-10.

MA P B,ZHU Y J,GAO Y,et al.Application and development of knitted composites[J].Fiber Glass,2014(1):5-10.

[5] 閆智敬,馬少華,付坤，等.芳綸表面改性及其與丁腈橡膠復(fù)合材料的性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào)2016,30(10):116-121.

YAN Z J,MA S H,FU K,et al.Study on surface modification of poly-p-phenylene terephthamide fiber and properties of its NBR composites[J].Materials Review,2016,30(10):116-121.

[6] 劉冬冬,扈艷紅,張芳芳，等.疊氮苯并咪唑偶聯(lián)劑增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ/聚三唑樹脂復(fù)合材料界面[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2017,34(2):336-344.

LIU D D,HU Y H,ZHANG F F,et al.Interfacial reinforcement of damestic aramid fiberⅢ/PTA composites using azide-containing benzimidezole coupling agent[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2017,34(2):336-344.

[7] 王彥杰,孟家光,張琳玫,等.芳綸針織物復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試[J].合成纖維,2016,10(45):11-14.

WANG Y J,MENG J G,ZHANG L M,et al.Study on mechanical properties of aramid fiber knitted fabric reinforced composites[J].Synthetic Fiber in China,2016,10(45):11-14.

[8] 何淼.γ-射線輻照對(duì)國(guó)產(chǎn)芳綸纖維及其復(fù)合材料界面性能的影響[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

HE M.Effects of γ-ray irradiation on indigenous aramid fiber and its composite interface performance[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2016.

[9] 劉曉巧,孟家光,田萌.UHMWPE纖維立體成型針織復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制作[J].針織工業(yè),2017(2):21-24.

LIU X Q,MENG J G,TIAN M.Development of three-dimensional knitted composite materials by using UHMWPE fiber[J].Knitting Industries,2017(2):21-24.

[10] 李春陽(yáng).超高分子量聚乙烯纖維表面改性及其橡膠基復(fù)合材料性能研究[D].寧波:寧波大學(xué),2015.

LI C Y.Surface modification of ultra-high molecular weight polyethylene fiber and properties of its rubber matrix composites[D].Ningbo:Ningbo University,2015.

[11] 達(dá)巍峰.超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè),2011(9):17-20.

DA W F.Present situation and development of UHMWPE[J].Advanced Materials Industry,2011(9):17-20.

[12] 張恒,王李波,高譽(yù)鵬,等.納米改性增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2016,30(5):33-39.

ZHANG H,WANG L B,GAO Y P,et al.Research progress of nano-modified ultra-high molecular weight polyethylene composites[J].Materials Review,2016,30(5):33-39.

[13] 李春陽(yáng),李微微,李瑞培,等.超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合表面改性及其橡膠基復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2015,32(2):409-419.

LI C Y,LI W W,LI R P,et al.Compound surface modification of ultra-high molecular weight polyethylene fiber and mechanical properties of its rubber matrix composites[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2015,32(2):409-419.

[14] 張永冰.有機(jī)硅氧烷交聯(lián)改性超高分子量聚乙烯[D].北京:北京化工大學(xué),2011.

ZHANG Y B.Cross-linked modification of ultra high molecular weight polyethylene by silane[D].Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2011.

[15] 郝露,孫穎,張鶴江,等.芳綸/炭混編三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)[J].固體火箭技術(shù),2015,38(5):727-732.

HAO L,SUN Y,ZHANG H J,et al.Experimental investigation on the mechanical properties of kevlar/carbon hybrid 3D braided composites[J].Journal of Solid Rocket Technology,2015,38(5):727-732.

[16] 袁玉華.碳纖維緯編針織復(fù)合材料的制備與性能[D].石家莊：河北科技大學(xué),2016.

YUAN Y H.Preparation and properties of carbon fiber weft knitted fabric reinforced composites[D].Shijiazhuang:Hebei University of Science and Technology,2016.

[17] 李翠玉,羅岳文,賈靜艷,等.不同結(jié)構(gòu)UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料彎曲性能[J].材料工程,2015,43(11):84-90.

LI C Y,LUO Y W,JIA J Y,et al.Bending properties of uhmwpe fiber weft knitted composites with different structures[J].Journal of Materials Engineering,2015,43(11): 84-90.