三維中空間隔織物柔性復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

程小梅，朱婧婧，賈 浩，郭建生

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201600)

0 引言

經(jīng)編間隔織物是在雙針床拉舍爾經(jīng)編機上編織而成的三維立體結(jié)構(gòu)織物，由間隔絲支撐起上下表面[1]。這種特殊的三維立體結(jié)構(gòu)賦予間隔織物良好的保溫性、透氣透濕性、減震性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其制備的復(fù)合材料具有質(zhì)輕、抗沖擊、抗壓縮、抗拉伸等優(yōu)良的力學(xué)性能[2-3]，被廣泛用于復(fù)合材料基底，可以作為蜂窩、泡沫等夾層結(jié)構(gòu)材料的替代品[1]。

國內(nèi)外許多學(xué)者都對間隔織物復(fù)合材料的性能進行了研究。沈浩清[4]研究了間隔織物高度對樹脂基間隔織物復(fù)合材料的彎曲性能的影響，結(jié)果表明其彎曲強度隨間隔高度的增加而下降。陸振乾[5]分別對填充了剪切增稠液STF和硅橡膠的兩種間隔織物柔性復(fù)合材料的沖擊性能做了研究，結(jié)果表明加入STF的復(fù)合材料具有較好的能量吸收性能和明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。苗亞敏[6]探討了水性聚氨酯對間隔織物復(fù)合材料的靜態(tài)緩沖性能的影響，結(jié)果表明水性聚氨酯有利于增強間隔織物的表面承載能力，并提高了織物的彈性模量以及緩沖效率。Gozde Ertekin[7]利用硅膠浸漬間隔織物表面并探究了其抗沖擊性，實驗表明該復(fù)合材料可以作為一種能量吸收材料用于人體保護。

本文采用了干法涂層工藝制備了環(huán)氧樹脂表面涂層復(fù)合織物，探究環(huán)氧樹脂涂層對間隔織物拉伸性能和壓縮性能的影響。

1 試驗部分

1.1 復(fù)合織物原料的選擇

三維間隔織物：本文選用了兩種間隔織物#1和#2，纖維原料為全滌綸透明單絲，織物由常熟康家家紡科技有限公司提供，具體參數(shù)如下表1所示。

表1 間隔織物#1和#2的結(jié)構(gòu)參數(shù)表

樹脂涂層：由環(huán)氧樹脂NPEL-128與固化劑(深圳市勁華電子材料有限公司)按照1:1的配制并充分?jǐn)嚢瓒?，粘度?00mpa·s～500mpa·s。

1.2 復(fù)合成型工藝

本文選用干法直接涂層法制備三維中空間隔織物柔性復(fù)合材料。干法直接涂層法是一種傳統(tǒng)的涂層工藝，方法簡單。將環(huán)氧樹脂按照1:1的配比均勻混合之后倒入模具中均勻抹開，再將間隔織物緩慢放在模具中固化成型。具體步驟如下：

(1)選用的模板為24cm×24cm的透明塑料矩形模具，為了便于脫模，固化前在模具中鋪上一層厚度為0.2mm的透明PET薄膜，如圖1(a)所示。

(2)稱取NPEL-128環(huán)氧樹脂A/B組分各34g，均勻混合之后倒入模具中，均勻鋪開，如圖1(b)所示。

(3)裁剪同等大小的間隔織物緩慢放置在樹脂固化溶液中，防止產(chǎn)生氣泡，如圖1(c)所示。

(4)在室溫下固化24h或者在60℃下固化3h就能得到厚度為2mm樹脂涂層的單面復(fù)合間隔織物，重復(fù)上述(1)、(2)、(3)步驟，就可以得到如圖1(d)和圖1(e)所示的雙面涂層復(fù)合間隔織物。

(e)雙層復(fù)合示意圖

1.3 測試方法

1.3.1 拉伸性能測試方法

參照《GB/T3923.1-1997-織物斷裂強力和斷裂伸長率的測定-條樣法》，選用YG026MB-250拉伸儀。將純織物、單雙面復(fù)合織物各裁剪成長寬100mm×50mm的矩形，拉伸速度為100mm/min，經(jīng)緯向分別拉伸5次，求平均值。為了適應(yīng)夾頭的夾距，選用表1中厚度為1.0cm的間隔織物#1作為實驗對象。

1.3.2 壓縮性能測試方法

參照《FZ/T01051.2-1998紡織材料和紡織制品壓縮性能第二部分》，將純織物、單雙面復(fù)合織物各裁剪成100mm×100mm的矩形，在ITM2101試驗機中進行壓縮實驗，壓縮的速度為10mm/min，壓縮率設(shè)為70%。每個樣品在不同的位置測5次，選用厚度為2.0cm的間隔織物#2。

2 結(jié)果與討論

2.1 三維中空復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

圖2(a)和圖2(b)為三種織物經(jīng)緯向拉伸過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線，觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)間隔織物的經(jīng)緯向拉伸曲線差異比較大。經(jīng)向拉伸的斷裂強力大于緯向拉伸，但斷裂伸長率遠小于緯向，這是由間隔織物本身的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。實驗所選用的間隔織物表面為六角網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，如下圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)所示。經(jīng)向拉伸時，由于線圈的取向度大，需要較大拉伸力作用于間隔織物。因此，拉伸斷裂強力更大。緯向拉伸時，線圈首先會發(fā)生變形位移，所需的拉伸力很小。因此，拉伸斷裂伸長率更大。

(a)拉伸過程中三種織物的經(jīng)緯向拉伸曲線

(b)拉伸過程中三種織物經(jīng)向拉伸曲線

(a)初始狀態(tài) (b)經(jīng)向拉伸

(c)緯向拉伸

圖4(a)和圖4(b)為5次拉伸試驗的平均值。從圖4(a)和圖4(b)中可以看出：無論經(jīng)緯向拉伸，涂層織物的拉伸強力都大于純織物，斷裂伸長率都小于純織物，且雙面涂層織物的拉伸性能要優(yōu)于單面涂層織物。這是因為樹脂涂層具有很強的粘結(jié)力，固定了表面紗線，使得間隔絲與上下表面的粘結(jié)作用增強，即而增加了斷裂強力，提高了間隔織物的拉伸性能；同時減小了表面線圈的伸長變形，降低了紗線的滑移，使織物的斷裂伸長率下降。經(jīng)向拉伸時雙面涂層間隔織物的拉伸強力比純織物提高了189.1N。

(a)三種織物的經(jīng)緯向平均斷裂強力

選取圖2(a)中應(yīng)變?yōu)?0%的曲線斜率作為間隔織物的拉伸初始模量，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，間隔織物的經(jīng)向拉伸初始模量大于緯向拉伸；經(jīng)涂層之后，經(jīng)緯向初始模量都有所提高，說明樹脂涂層加強了表面紗線與紗線、線圈與紗線、間隔絲與上下表面之間的粘結(jié)力，提高了間隔織物的抗拉能力。

圖5 涂層間隔織物拉伸初始模量分析

2.2 三維中空復(fù)合材料的壓縮性能分析

從圖6可以看出，間隔織物的壓縮過程分為2個階段。第一階段：壓縮曲線的斜率逐漸上升，這是由于間隔絲的支撐作用。樹脂涂層增強了間隔絲和上下表面的粘結(jié)強力，使間隔絲更加牢固。因此，涂層織物的曲線斜率大于純織物，并且雙面涂層織物的斜率最大。根據(jù)圖7，可以把第一階段的曲線斜率看成是間隔織物壓縮的初始彈性模量，可以看到雙面涂層織物的初始模量最大，即抗壓能力最好。第二階段：三種織物保持不同的斜率上升。純織物的斜率慢慢減小直到不變，單面復(fù)合織物的斜率先減小后增加，雙面涂層織物的斜率不變并與單面涂層織物后期的斜率保持一致。可以看到，在整個壓縮過程中，涂層織物所需的壓縮力始終大于純織物，并且雙面涂層織物所需的壓縮力最大，充分說明樹脂涂層可以增強間隔織物的耐壓性能。

圖6 涂層織物壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 涂層織物壓縮的初始模量分析

3 結(jié)論

(1)間隔織物的經(jīng)向拉伸斷裂強力大于緯向拉伸，經(jīng)向斷裂伸長率小于緯向拉伸。

(2)經(jīng)過對純織物、單面涂層織物、雙面涂層織物的拉伸及壓縮性能測試，充分說明樹脂涂層增強了織物表面紗線與紗線、紗線與線圈、間隔絲與上下表面的粘結(jié)強力，降低了紗線的滑移、線圈的伸長變形量，提高了間隔絲的支撐作用，增強了間隔織物表面承受載荷的能力，結(jié)果是增強了間隔織物的抗拉和抗壓能力。

(3)該環(huán)氧樹脂雙面涂層三維柔性間隔織物復(fù)合材料具有良好的拉伸性能和壓縮性能。