準(zhǔn)單向漢麻紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能及優(yōu)化設(shè)計

閆玉歡，吳華偉，王春紅，鹿超

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300387；2.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院,浙江紹興 312000)

在全球化石資源趨緊及環(huán)境惡化背景下,植物纖維憑借其來源豐富、綠色環(huán)保、成本低廉等優(yōu)勢在復(fù)合材料市場中的關(guān)注度不斷增加[1-2]。其中最具代表性的麻類韌皮纖維具有與玻璃纖維媲美的比強(qiáng)度和比模量,具備比玻璃纖維更好的隔熱和隔音性能,使其在交通軌道、汽車、休閑等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景[3-5]。

為了使麻纖維增強(qiáng)效果最大化,研究者通常將天然纖維制成粗紗或條帶用于樹脂基體的增強(qiáng)材料[6],然而完全單向排列的麻纖維導(dǎo)致增強(qiáng)體的層間結(jié)合效果較差[7-9]?？椩旒夹g(shù)可以為增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供較多的選擇,也為進(jìn)一步制備更高性能的麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供了可行性[10]。

近年來,有許多國內(nèi)外研究人員圍繞麻纖維及紡織結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)體做了相關(guān)的研究。展江湖等[11]研究結(jié)果表明,苧麻纖維的添加提高了復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度,且隨纖維添加量的增加而增大。張永勵等[12]研究結(jié)果表明,不同織物形式的天然纖維,由于其纖維屈曲程度不同,織物結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的拉伸性能的影響較大。A.Usman等[13]比較了平紋、緞紋、單向、雙向4種機(jī)織物基復(fù)合材料的力學(xué)性能,得出單向機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度高于傳統(tǒng)和雙向機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。C.A.Clémence等[14]提出在緯向使用低捻粗紗,在經(jīng)紗方向只加少量小捻紗,制備一種在一個方向上使纖維含量最大化的復(fù)合增強(qiáng)體。Wang Bo等[15]研究準(zhǔn)單向編織織物的構(gòu)型對準(zhǔn)各向同性復(fù)合層壓板壓縮破壞模式的影響,研究結(jié)果表明,長緯距織物制備的復(fù)合層壓板的抗壓強(qiáng)度大于標(biāo)準(zhǔn)緯距織物制備的抗壓強(qiáng)度。

鑒于目前國內(nèi)對于準(zhǔn)單向麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在紡織結(jié)構(gòu)方面的研究有限,且漢麻纖維在我國產(chǎn)量豐富,力學(xué)性能優(yōu)良,是一種可再生、可降解、綠色環(huán)保的天然植物纖維[16]。為了進(jìn)一步提升漢麻纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用價值,筆者在前期研究的基礎(chǔ)上以漢麻纖維為主要原料,以漢麻粗紗為復(fù)合材料增強(qiáng)體的主體部分,通過平紋織造的方式制備了準(zhǔn)單向漢麻粗紗預(yù)制件(QUHF),再通過熱壓方法制備了不飽和聚酯樹脂(UP)基復(fù)合材料,與平紋漢麻粗紗織物(PHF)增強(qiáng)UP復(fù)合材料和漢麻粗紗單向氈(HRF)增強(qiáng)UP復(fù)合材料進(jìn)行比較分析。以粗紗捻度、經(jīng)紗密度、織物組織為影響因素,采用3因素3水平正交實驗設(shè)計確定了影響準(zhǔn)單向漢麻粗紗預(yù)制件的力學(xué)性能的影響因素順序,并重點分析了織物組織與緯紗捻度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 實驗方法

1.1 主要原材料

漢麻粗紗：細(xì)度為(1 100±34.1)tex,捻度為2捻/10 cm,后續(xù)實驗中手動退捻加捻得到捻度分別為0捻/10 cm(即無捻紗)與4捻/10 cm的粗紗,山西綠洲紡織有限責(zé)任公司；

漢麻細(xì)紗：細(xì)度為50.5 tex,山西綠洲紡織有限責(zé)任公司；

促進(jìn)劑、固化劑、脫模劑：中山市鑫得佳玻璃纖維復(fù)合材料有限公司；

UP：196,中山市鑫得佳玻璃纖維復(fù)合材料有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

半自動小樣織機(jī)：DWL150型,蘇州市華飛紡織科技有限公司；

塑料制品液壓機(jī)：Y/TD71-45A型,天津市天鍛壓力機(jī)有限公司；

萬能強(qiáng)力機(jī)：Instron3369型,美國Instron公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：TM-1000型,日本株式會社日立高新技術(shù)那柯事業(yè)所；

超景深三維顯微系統(tǒng)：Z16APOA型,日本徠卡微系統(tǒng)有限公司。

1.3 實驗設(shè)計

主要探究漢麻紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體類型及增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)參數(shù)對復(fù)合材料性能的影響,增強(qiáng)體類型包括平紋組織的漢麻粗紗織物(PHF),漢麻粗紗單向氈(HRF),準(zhǔn)單向漢麻粗紗織物(QUHF),以粗紗捻度、經(jīng)紗密度、織物組織為變量,設(shè)計了L9(33)3因素3水平正交實驗,探究準(zhǔn)單向漢麻粗紗預(yù)制件的最優(yōu)制備工藝,包括復(fù)合材料增強(qiáng)體參數(shù),其中因素A為織物組織,分為方平、斜紋和平紋；因素B為經(jīng)紗密度,分為60,40,20根/10 cm；因素C為緯紗捻度,分為0,2,4捻/10 cm,因素水平表見表1,復(fù)合材料增強(qiáng)體參數(shù)列于表2。

表1 因素水平表

表2 漢麻預(yù)制件及復(fù)合材料參數(shù)

1.4 復(fù)合材料制備

圖1為各預(yù)制件的制備過程,其中PHF以漢麻粗紗為原料,采用半自動小樣織機(jī)制備而成；HRF以漢麻粗紗為原料,采用手工平行排列制備而成；QUHF以漢麻粗紗為緯紗,以漢麻細(xì)紗為經(jīng)紗,采用半自動小樣織機(jī)制備而成。

圖1增強(qiáng)體制備

圖2 為制備復(fù)合材料流程圖,增強(qiáng)體與樹脂比為30∶70,為了增加樹脂流動性,提升樹脂對預(yù)制件的滲透效果,筆者采用苯乙烯為樹脂稀釋劑,添加量為樹脂質(zhì)量的5%,固化劑為樹脂質(zhì)量的1.5%,促進(jìn)劑添加量為樹脂質(zhì)量的0.75%。平紋漢麻粗紗織物采用0°/90°的經(jīng)緯交叉鋪層的方式進(jìn)行鋪層,漢麻粗紗單向氈與準(zhǔn)單向漢麻織物均以90°緯向鋪層的方式進(jìn)行鋪層,將樹脂均勻地涂覆在各層增強(qiáng)體上完成預(yù)浸料的制備,復(fù)合材料成型工藝為：10 MPa室溫冷壓5 min→5 MPa,60℃條件下熱壓30 min→5 MPa,75℃條件下熱壓90 min→5 MPa壓力條件下恢復(fù)室溫后脫模完成復(fù)合材料制備。

圖2 復(fù)合材料制備

1.5 性能測試與表征

拉伸性能：按照ASTM D638-2010測試,測試隔距為90 mm,測試速度為5 mm/min；

彎曲性能：按照ASTM 790-30-2017測試,測試隔距為48 mm,測試速度為2 mm/min；

橫截面形貌：采用SEM對樣品的形貌進(jìn)行分析,加速電壓為15 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 增強(qiáng)體類型對復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖3為不同漢麻纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料的緯向拉伸性能。

圖3 不同漢麻纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料緯向拉伸性能

由圖3可以看出,QUHFC的緯向拉伸性能最優(yōu),拉伸強(qiáng)度為180.1 MPa,拉伸彈性模量為11.5 GPa。比PHFC的拉伸強(qiáng)度提升64.7%,拉伸彈性模量提升66.1%,相較于HRFC拉伸強(qiáng)度提升了22.2%,拉伸彈性模量提升了29.7%。圖4為不同漢麻纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可得出,PHFC的斷裂伸長率、拉伸應(yīng)力與QUHFC和HRFC相比差距明顯,在相同的應(yīng)變下,QUHFC具有更高的應(yīng)力。

圖4 不同漢麻纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,纖維起到主要承載作用,基體起到傳遞載荷的作用。在載荷作用下,應(yīng)力會由基體傳遞至纖維,當(dāng)載荷超過復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度時會造成復(fù)合材料失效[17]?？椢镱A(yù)制件沒有經(jīng)紗固結(jié)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不強(qiáng),但是由于無交織點的單向排列的纖維沒有屈曲結(jié)構(gòu),纖維排列規(guī)律,取向程度高,從而導(dǎo)致其拉伸性能更強(qiáng)。圖5為不同紡織纖維結(jié)構(gòu)預(yù)制件及其增強(qiáng)UP復(fù)合材料失效機(jī)理圖。

圖5 不同紡織纖維結(jié)構(gòu)預(yù)制件及其增強(qiáng)UP復(fù)合材料失效機(jī)理圖

從圖5可以看出,經(jīng)緯向均為漢麻粗紗的平紋織物,由于平紋組織中單位面積內(nèi)存在更多的交織機(jī)構(gòu),導(dǎo)致增強(qiáng)體中纖維取向度較低,在復(fù)合材料中不能充分發(fā)揮麻纖維的軸向高力學(xué)性能[18],同時較多的交織點會在一定程度上對纖維造成損傷,從而導(dǎo)致其拉伸性能較低；經(jīng)向無固結(jié)的漢麻粗紗氈其結(jié)構(gòu)中纖維分布取向變化較小,但由于其層間無組織點固結(jié),所以界面容易產(chǎn)生滑移,這在一定程度上影響了其拉伸強(qiáng)度；而準(zhǔn)單向增強(qiáng)形式采用強(qiáng)度較好的粗紗為增強(qiáng)體且加入了經(jīng)紗固結(jié),這能更大程度地保證受力方向具有高纖維含量,并保持纖維的低卷曲性不損傷纖維,保留了粗紗纖維的完整性并保證粗紗受力方向不發(fā)生改變,從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯提升。圖6為不同纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料拉伸失效直觀圖。從圖6可以看出,HRFC沿著垂直纖維分布方向的擴(kuò)展裂紋出現(xiàn)斜劈的形態(tài),這是因為緯紗無經(jīng)紗固結(jié),組織點少導(dǎo)致界面容易產(chǎn)生滑移。而PHFC與QUHFC因為其均采用平紋組織的增強(qiáng)體,所以斷面較為規(guī)整。

圖6 不同纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料拉伸失效直觀圖

綜上可見,在漢麻纖維的三種不同增強(qiáng)形式中,采用準(zhǔn)單向漢麻粗紗織物作為增強(qiáng)體制得的復(fù)合材料力學(xué)性能最優(yōu)。

2.2 增強(qiáng)體類型對復(fù)合材料彎曲性能的影響

圖7為不同漢麻纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料的彎曲性能。

圖7 不同漢麻纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料的彎曲性能

從圖7可以看出,QUHFC的彎曲性能最好,彎曲強(qiáng)度為229.5 MPa,彎曲彈性模量為24.1 GPa。比PHFC的彎曲強(qiáng)度提升了49.6%,彎曲彈性模量提升了62.1%；比HRFC的彎曲強(qiáng)度提升7.6%,彎曲彈性模量提升18.9%。圖8為不同漢麻纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過圖8可以得知,在應(yīng)變相等時,QUHFC具有更高的應(yīng)力,這是因為在彎曲測試中織物形式的經(jīng)向固結(jié)可以有效地固定緯紗從而增加增強(qiáng)體與基體的結(jié)合程度,在最終彎曲失效時,QUHFC具有更高的彎曲斷裂應(yīng)力。

圖8 不同漢麻纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線

復(fù)合材料在彎曲斷裂時其失效表現(xiàn)為纖維自身的斷裂、纖維之間的滑移、粗紗增強(qiáng)體與樹脂基體之間界面的滑移與破壞[19]。而在彎曲測試中,彎曲強(qiáng)度因受力方向的不同,更多取決于在彎曲實驗接觸面上粗紗增強(qiáng)體與樹脂基體的結(jié)合程度,而橫向受力若有經(jīng)紗固結(jié)可以更好地將緯紗固結(jié)住從而增加粗紗增強(qiáng)體與樹脂基體的結(jié)合程度,此外粗紗的完整性也得以最大程度地保留,使得QUHFC的彎曲性能最好。圖9為不同纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料彎曲斷裂的失效圖。

圖9不同纖維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)UP復(fù)合材料彎曲斷裂的失效圖

圖9a為PHFC的斷裂模式?？梢钥闯鲆驗槠郊y結(jié)構(gòu)組織點較多,粗紗和粗紗間相互作用,不易產(chǎn)生滑移,但由于過多的交織點導(dǎo)致纖維多為屈曲狀態(tài),這也在一定程度上影響了其彎曲性能；圖9b為HRFC的斷裂模式,因為沒有經(jīng)紗固結(jié)其界面的分層與滑移的問題導(dǎo)致其彎曲性能最低。圖9c為QUHFC的斷裂模式,可從圖中看出雖然其在彎曲的過程中界面出現(xiàn)了分層,但經(jīng)紗的存在一定程度上束縛了已經(jīng)發(fā)生分層的界面中樹脂基體的裂痕延展。

2.3 QUHFC參數(shù)正交設(shè)計結(jié)果分析

采用L9(33)3因素3水平的實驗優(yōu)化設(shè)計QUHF/UP復(fù)合材料,以織物組織、經(jīng)紗密度、緯紗捻度為影響因素,其中織物組織水平為方平組織、斜紋組織、平紋組織；經(jīng)紗密度水平為60,40,20根/10 cm；緯紗捻度為0,2,4捻/10 cm。以拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度為指標(biāo)進(jìn)行表征,表3為正交實驗設(shè)計結(jié)果。表4、表5為正交實驗的極差分析結(jié)果。

表3 正交實驗結(jié)果

表4 拉伸強(qiáng)度極差分析表 MPa

表5 彎曲強(qiáng)度極差分析表 MPa

由表4可知,在該實驗中影響復(fù)合材料縱向拉伸強(qiáng)度的各因素主次順序為A＞C＞B,即織物組織＞緯紗捻度＞經(jīng)紗密度。這是因為在縱向拉伸時主要受力的是緯向的粗紗,經(jīng)紗雖然起到了固結(jié)的作用,但在小幅度經(jīng)紗密度的變化中并沒有很明顯地影響拉伸強(qiáng)度。圖10為不同織物組織直觀對比圖,從圖10可以看出,由于各個織物組織的經(jīng)紗固結(jié)緯紗方式不同,在一個組織循環(huán)中平紋組織的交織點最多導(dǎo)致纖維多為屈曲狀態(tài)[20],方平組織雖然組織點較少,但纖維大多較平直,這在一定程度上影響了拉伸強(qiáng)度的表現(xiàn)。

圖10 不同織物組織直觀對比圖

由表5可知,該實驗中影響復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的各因素主次順序為A＞B＞C,即織物組織＞經(jīng)紗密度＞緯紗捻度。彎曲斷裂時,因為最外層受力最大且變形量最大,所以最外層的樹脂與粗紗纖維率先斷裂。接著由于樹脂斷裂,粗紗纖維開始從樹脂中拔出與斷裂。在彎曲實驗接觸面上,由于最主要受力的還是緯紗,而在一部分截面中由于組織的不同,粗紗中的纖維從樹脂中拔出的難易程度也不同,所以織物組織對彎曲強(qiáng)度的影響較大[21]。圖11為復(fù)合材料不同緯紗捻度SEM照片,圖12為不同緯紗捻度組織直觀圖。

圖11 復(fù)合材料不同緯紗捻度SEM圖

由圖11、圖12可知,當(dāng)緯紗捻度為0捻/10 cm時,緯紗平行排列且比較疏松,樹脂較容易進(jìn)入粗紗內(nèi)部,樹脂與粗紗的結(jié)合界面不明顯；當(dāng)捻度為2捻/10 cm時,緯紗纖維與中軸線夾角增大為4.95°,緯紗較為緊密,樹脂與粗紗的結(jié)合界面較為明顯；而當(dāng)捻度為4捻/10 cm時,緯紗纖維與中軸線夾角為9.90°,緯紗緊密導(dǎo)致樹脂不容易進(jìn)入粗紗內(nèi)部,樹脂與粗紗的結(jié)合界面很明顯,這表明其與樹脂結(jié)合程度差。因為彎曲時大部分受力為樹脂與粗紗的結(jié)合體,所以在實驗中采用0捻/10 cm粗紗的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度表現(xiàn)得更好。

圖12 不同經(jīng)紗捻度組織直觀圖

綜上所述,在采用以細(xì)度為(1 100±34.1)tex的粗紗為緯紗,以細(xì)度為50.5 tex的細(xì)紗為經(jīng)紗制備的準(zhǔn)單向預(yù)制件為增強(qiáng)體時,織物組織的變化(平紋、斜紋、方平)對復(fù)合材料拉伸和彎曲性能產(chǎn)生的影響最大。當(dāng)織物組織為方平組織、經(jīng)紗密度為60根/10 cm、緯紗捻度為4捻/10 cm時,拉伸強(qiáng)度最大,即復(fù)合材料關(guān)于拉伸強(qiáng)度的最優(yōu)參數(shù)為A1B1C3；當(dāng)織物組織為斜紋組織、經(jīng)紗密度為40根/10 cm、緯紗捻度為0捻/10 cm時,彎曲強(qiáng)度最大,即復(fù)合材料關(guān)于彎曲強(qiáng)度的最優(yōu)參數(shù)為A2B2C1。

3 結(jié)論

(1)在漢麻纖維的三種不同增強(qiáng)形式中,增強(qiáng)體為準(zhǔn)單向漢麻粗紗以平紋方式織造所制得的復(fù)合材料的拉伸性能與彎曲性能最佳,其中拉伸強(qiáng)度為180.1 MPa,拉伸彈性模量為11.5 GPa,彎曲強(qiáng)度為229.5 MPa,彎曲彈性模量為24.1 GPa。

(2)相比于平紋漢麻粗紗織物與經(jīng)向無固結(jié)的漢麻粗紗氈,準(zhǔn)單向增強(qiáng)形式能更大程度地保留粗紗中纖維的取向與完整性,從而使制得的復(fù)合材料力學(xué)性能有明顯的提升。

(3)根據(jù)選定3因素3水平的正交模擬計算方案,在采用以細(xì)度為(1 100±34.1)tex的粗紗為緯紗,以細(xì)度為50.5 tex的細(xì)紗為經(jīng)紗制備的準(zhǔn)單向預(yù)制件為增強(qiáng)體時,織物組織的變化(平紋、斜紋、方平)對復(fù)合材料拉伸和彎曲性能產(chǎn)生的影響最大。

(4)當(dāng)織物組織為方平組織、經(jīng)紗密度為60根/10 cm、緯紗捻度為4捻/10 cm時,拉伸強(qiáng)度最大,即復(fù)合材料關(guān)于拉伸強(qiáng)度的最優(yōu)參數(shù)為A1B1C3；當(dāng)織物組織為斜紋組織、經(jīng)紗密度為40根/10 cm、緯紗捻度為0捻/10 cm時,彎曲強(qiáng)度最大,即復(fù)合材料關(guān)于彎曲強(qiáng)度的最優(yōu)參數(shù)為A2B2C1。