緯編針織交織復(fù)合材料的制備工藝研究

楊燕寧，孟家光，程燕婷，劉曉巧

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

自上世紀(jì)九十年代以來，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[1]已普遍在航空航天、軍工、航海、交通運(yùn)輸、建筑、體育等領(lǐng)域使用。紡織復(fù)合材料[2]具有好的整體性，適宜制作形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的構(gòu)件，加工成型方便，成本相對較低。目前紡織復(fù)合材料已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木材及金屬合金，被普遍應(yīng)用于工程領(lǐng)域。緯編結(jié)構(gòu)[3]易變形，在之前被認(rèn)定不適宜用于復(fù)合材料增強(qiáng)體，而近十幾年來，由于其延伸性、懸垂性、抗沖擊疲勞性能好，生產(chǎn)效率高和生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，逐漸出現(xiàn)在復(fù)合材料的應(yīng)用中。目前，對緯編針織物的探究逐漸增加與深化，緯編針織物用作復(fù)合材料的增強(qiáng)體也得到了快速的發(fā)展。本文主要在橫機(jī)上編織3種有代表性的緯編針織結(jié)構(gòu)。芳綸纖維既具有高模量高強(qiáng)度，又具有耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)[4-7]，而超強(qiáng)聚乙烯纖維既具有高比強(qiáng)度和高比模量，又具有密度小、耐沖擊和耐低溫等特性[8-10]。因此，將兩種高性能纖維結(jié)合起來使用，能夠使整體織物的質(zhì)量減輕，耐光、耐熱性能得到改善，充分發(fā)揮二者的優(yōu)異性能，編織出來的增強(qiáng)體會具有十分優(yōu)越的性能。模壓成型具有生產(chǎn)效率高，外形尺寸準(zhǔn)確，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜制品可一次成型等優(yōu)點(diǎn)。因此，選用該成型方法制備芳綸與超強(qiáng)聚乙烯纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料。

本文針對芳綸和超強(qiáng)聚乙烯纖維難以編織的特點(diǎn)，通過在不斷的試織中選擇合適的編織工藝，設(shè)計(jì)并編織滿針羅紋、羅紋空氣層和集圈-平針復(fù)合組織增強(qiáng)體織物，實(shí)現(xiàn)在橫機(jī)上的編織，并測試了各種織物的基本參數(shù)，選用模壓成型工藝制備出芳綸與超強(qiáng)聚乙烯纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料，為兩種及以上交織增強(qiáng)體復(fù)合材料的應(yīng)用與性能研究提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 編織

芳綸纖維由于其絲束沒有加捻且紗線表面剛性大，較光滑。超強(qiáng)聚乙烯纖維由于沒有捻度且摩擦強(qiáng)度較小，其紗線幾乎不吸水，編織時易起毛，需要在濕態(tài)下進(jìn)行編織。由于這兩種纖維很難編織，采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理，并在不斷的試織中選擇合適的編織工藝。同時，要在橫機(jī)機(jī)號允許的條件下，采用較粗的紗線編織較為密實(shí)的增強(qiáng)織物，增加復(fù)合材料中織物的體積占有比，增強(qiáng)復(fù)合材料的整體性能。而在橫機(jī)上能夠編織無需裁剪就能滿足實(shí)驗(yàn)要求的織物，有助于后續(xù)復(fù)合材料的成型加工，而且改變工藝很方便。同時，緯編針織結(jié)構(gòu)延伸性好、易成型且成本低。因此，通過在橫機(jī)上多次試織3種緯編針織交織增強(qiáng)體織物，得到3種增強(qiáng)體織物組織的較優(yōu)編織工藝參數(shù)表如表1所示。同時，還需要調(diào)節(jié)合適的給紗張力和牽伸拉力。

表1 不同組織編織工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中選用的3種緯編針織交織增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)為滿針羅紋組織、羅紋空氣層組織和集圈-平針復(fù)合組織。滿針羅紋組織比較密實(shí)，編織的織物平整、彈性較好，橫向拉伸小，尺寸穩(wěn)定性和保形性好，滿針羅紋組織實(shí)物圖如圖1所示。羅紋空氣層織物橫向延伸性小，尺寸穩(wěn)定性好，織物厚實(shí)、挺括、豐滿。超強(qiáng)聚乙烯纖維的加入，增強(qiáng)了織物緯向的拉伸強(qiáng)力，羅紋空氣層組織實(shí)物圖如圖2所示。圖3為集圈-平針復(fù)合組織實(shí)物圖。由圖3可知，織物正反兩面呈現(xiàn)不同的性能和風(fēng)格，織物正面顯示的是芳綸紗線，反面是超強(qiáng)聚乙烯紗線。如果是表面需要耐高溫的部件，可以將芳綸所在的正面在外面；如果是在航海等領(lǐng)域抵抗沖擊性的，可以將超強(qiáng)聚乙烯纖維面作為外面的一面使用。

圖1 滿針羅紋組織實(shí)物圖

圖2 羅紋空氣層實(shí)物圖

(b)織物反面

2 制備

2.1 樹脂體系的選擇及其特征

基體樹脂是權(quán)衡復(fù)合材料性能的一個關(guān)鍵問題。樹脂基體的性能直接關(guān)系到樹脂基復(fù)合材料的性能。因此，選擇樹脂時要特別注意。一般要求選用的樹脂要與纖維之間有一定的潤濕性、界面粘結(jié)性和固化收縮率要小，賦予產(chǎn)品需要的力學(xué)、物理和化學(xué)性能。本文采用環(huán)氧乙烯基酯樹脂，其分子結(jié)構(gòu)式如圖4所示，由圖4可知，從分子結(jié)構(gòu)的組成可以得知,其分子鏈上具有環(huán)氧主鏈結(jié)構(gòu)以及不飽和聚酯的雙鍵結(jié)構(gòu)，環(huán)氧乙烯基酯樹脂環(huán)氧主結(jié)構(gòu)使其具有更強(qiáng)的物理性能和優(yōu)異的耐熱性；分子鏈末端的不飽和雙鍵結(jié)構(gòu)，使得環(huán)氧乙烯基酯樹脂具有高反應(yīng)活性，樹脂可快速固化，所以環(huán)氧乙烯基酯樹脂兼顧了環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯的優(yōu)良性能特點(diǎn)。因此，環(huán)氧乙烯基酯樹脂具有不飽和樹脂的某些特點(diǎn)，但優(yōu)于不飽和聚酯，其具有較好的剛度、強(qiáng)度、耐腐蝕性能、粘度低和易加工等特點(diǎn)。因而在發(fā)電領(lǐng)域用于制作風(fēng)車葉片，在航海方面用于生產(chǎn)輪船潛艇的部件以及化工廠用大型儲罐等，尤以玻璃鋼使用最廣。環(huán)氧乙烯基酯樹脂有耐熱、耐腐蝕、低收縮的優(yōu)點(diǎn)，適用于多種成型工藝。

圖4 環(huán)氧乙烯基酯樹脂的分子結(jié)構(gòu)式

綜合考慮制品的性能要求以及與樹脂的特性，選用引發(fā)劑為2-過氧化甲丁酮，促進(jìn)劑為異辛酸鈷，通過測試得到樹脂固化配方中環(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。

2.2 復(fù)合工藝的選擇

織物增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料成型工藝一般有模壓成型、層壓成型、片狀模塑料成型、手糊成型、樹脂傳遞模塑成型和反應(yīng)注射模塑成型等。模壓成型是將一定量的預(yù)混料或預(yù)浸料加入金屬對模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓來固化成型，與其它成型工藝相比，模壓成型具有生產(chǎn)效率較高，外形尺寸準(zhǔn)確，可有效降低制造成本，表面光潔，尤其對結(jié)構(gòu)復(fù)雜制品可一次成型，能有效避免分子取向，不會損壞復(fù)合材料制品性能。因此，選用該成型方法制備芳綸與超強(qiáng)聚乙烯纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料。模壓成型模具結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 模具結(jié)構(gòu)圖

2.3 制備過程

在復(fù)合前需要對增強(qiáng)體織物進(jìn)行清洗，再將織物浸漬于配置好的樹脂膠液中，使二者進(jìn)行充分的接觸，待樹脂膠液替換織物孔隙里存在的空氣，把凡士林均勻地涂覆在模具的凸模和凹模的表面上，在凹模上倒上一層樹脂鋪平凹模，然后將增強(qiáng)體織物鋪放到凹模中，之后在織物上面再倒上一層樹脂，等待樹脂達(dá)到凝膠狀態(tài)。加料完成后將凸模和凹模相閉合。閉模后樹脂通過滲透慢慢進(jìn)入增強(qiáng)體織物內(nèi)部，在常溫有一定壓力的條件下使其充分固化。完成固化后，取下上方的凸模，制作完成的復(fù)合材料試樣如圖6所示。

圖6 制作完成的復(fù)合材料試樣

2.4 基本參數(shù)

織物的密度、厚度、纖維體積含量和平方米克重是影響復(fù)合材料性能的重要因素，需要對其測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 各種組織結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)

3 結(jié)論

(1)針對芳綸和超強(qiáng)聚乙烯纖維難以編織的特點(diǎn)，通過在不斷的試織中選擇合適的編織工藝，設(shè)計(jì)并編織滿針羅紋、羅紋空氣層和集圈-平針復(fù)合組織增強(qiáng)體織物，實(shí)現(xiàn)在橫機(jī)上的編織。測試各種織物的基本參數(shù)，它們滿足作為復(fù)合材料增強(qiáng)體的要求。同時總結(jié)編織時易出現(xiàn)的技術(shù)問題，并給出相應(yīng)的解決辦法。

(2)以芳綸與超強(qiáng)聚乙烯纖維交織增強(qiáng)體織物為增強(qiáng)體，環(huán)氧乙烯基酯樹脂為基體，確定基體配比工藝為環(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，通過模壓成型工藝制備出滿針羅紋、羅紋空氣層和集圈-平針復(fù)合組織增強(qiáng)體復(fù)合材料，為兩種及以上交織增強(qiáng)體復(fù)合材料的應(yīng)用與性能研究提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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