大隔距覆增強(qiáng)結(jié)構(gòu)柔性空間膜材料的制備及力學(xué)性能

王昆，蔣金華，陳南梁

(1.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心,上海 201620； 2.東華大學(xué)紡織學(xué)院,上海 201620； 3.上海電纜研究所有限公司中央研究院,上海 200082)

經(jīng)編間隔織物是使用雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)制備的三維結(jié)構(gòu)紡織物，其間隔絲連接各表面層織物形成中空結(jié)構(gòu)[1-4]。此三維紡織結(jié)構(gòu)賦予了間隔織物良好的保溫性、透氣透濕性、減震性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等，因此被廣泛應(yīng)用于墊類產(chǎn)品及復(fù)合材料增強(qiáng)體[3-7]。當(dāng)間隔距離超過100 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的經(jīng)編間隔織物被稱為超大隔距經(jīng)編間隔織物[2-3，8](UGWKF)。UGWKF在織造封孔后可充氣膨脹，間隔層倒伏的間隔絲受張力而直立，間隔絲主要發(fā)揮上下表面層的連接作用[2]。然而UGWKF間隔絲長度大、剛性小且排列密度小，織物不能單純依靠間隔絲的支撐作用來達(dá)到抗壓性能，所以必須對(duì)其表面涂層包覆處理或中空填充之后方可更好地發(fā)揮其性能[2,8-9]。其主要可用于沖浪板、氣墊船、消防救護(hù)床、充氣拉絲氣墊、可展開反射面天線等各領(lǐng)域不同產(chǎn)品[6-11]。

喻穎等[12]研究了UGWKF兩表面涂聚氯乙烯(PVC)層所得柔性復(fù)合材料的壓縮性，發(fā)現(xiàn)伴隨充氣壓強(qiáng)增加，其抗壓能力和緩沖作用增強(qiáng)。程小梅等[13]研究了三維間隔織物兩表面層涂環(huán)氧樹脂所得柔性復(fù)合材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)涂覆環(huán)氧樹脂后的柔性復(fù)合材料的抗拉性能和整體抗壓性能有所增強(qiáng)，且雙面涂層后比單面涂層后的力學(xué)性能提高更明顯。苗亞敏等[14]研究了表面涂覆水性聚氨酯涂層三維間隔織物的靜態(tài)沖擊性能，發(fā)現(xiàn)在不破壞材料透氣性能的情況下，樹脂涂層的加入使得材料承載能力得到大幅提高，彈性模量有所提高，緩沖系數(shù)降低，緩沖效率提高。

筆者基于探究大隔距覆增強(qiáng)結(jié)構(gòu)柔性空間膜材料(UGFM)的力學(xué)性能，將包含有機(jī)織物增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的PVC高分子層和無機(jī)織物增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的PVC高分子層分別復(fù)合在UGWKF表面，通過比較兩種材料的撕裂性能、剝離性能、間隔向拉伸性能，分析引入具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的PVC高分子層對(duì)UGFM力學(xué)性能影響與機(jī)理，以及隔距的增加對(duì)UGFM間隔向拉伸性能的影響與機(jī)理，從而為UGWKF復(fù)合具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的高分子層后得到的柔性空間膜材料的設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

UGWKF：由細(xì)度為1 000 D滌綸以經(jīng)斜編鏈結(jié)構(gòu)織造，海寧晨鋒布業(yè)有限公司，基本參數(shù)見表1，經(jīng)斜編鏈組織結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 UGWKF基本參數(shù)

圖1 經(jīng)斜編鏈組織

復(fù)合樹脂：PVC糊樹脂(EPVC) 100份，增塑劑45份，膠水10份，穩(wěn)定劑2份，均為質(zhì)量份，浙江明士達(dá)新材料有限公司。

滌綸機(jī)織物：面密度150 g/cm2，海寧晨峰布業(yè)有限公司。

PVC粉料：PVC-SG3，浙江明士達(dá)新材料有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

UGFM生產(chǎn)設(shè)備線及高分子層(無增強(qiáng)結(jié)構(gòu))壓延設(shè)備線：浙江明士達(dá)新材料有限公司；

萬能試驗(yàn)機(jī)：WDW-500型，上海華龍測(cè)試儀器股份有限公司；

電子天平：FA2004型，上海良平儀器儀表有限公司。

1.3 試樣制備

(1)無增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的PVC高分子層的制備。

委托浙江明士達(dá)新材料有限公司使用自建壓延設(shè)備線制備PVC高分子層(無增強(qiáng)結(jié)構(gòu))，先將PVC粉料密煉熔融，后壓延制備出厚度0.6 mm，單層面密度784.1 g/m2的PVC高分子層(無增強(qiáng)結(jié)構(gòu))。

(2)具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的PVC高分子層的制備。

委托浙江明士達(dá)新材料有限公司使用自有UGFM生產(chǎn)設(shè)備線，采用軋輥上漿技術(shù)通過復(fù)合樹脂自下而上對(duì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)機(jī)織物上漿，上漿量為70～100 g/m2。將中間為增強(qiáng)機(jī)織物和兩面為PVC高分子層(無增強(qiáng)結(jié)構(gòu))疊層復(fù)合后，引入溫度為180～200 ℃的加熱輥中壓合，經(jīng)高溫固化后制備得到厚度0.5～0.7 mm，面密度943.2 g/m2的PVC高分子層(有增強(qiáng)結(jié)構(gòu))。軋輥上漿技術(shù)見圖2a，制備工藝路線見圖2b。

圖2 制備具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的PVC高分子層

(3) UGFM制備。

UGFM制備工藝路線與PVC高分子層(有增強(qiáng)結(jié)構(gòu))制備工藝路線基本一致，先將UGWKF表層錯(cuò)位張緊間隔絲后，引入浙江明士達(dá)新材料有限公司自建UGFM生產(chǎn)設(shè)備線內(nèi)，如圖2b所示，將原增強(qiáng)機(jī)織物替換為UGWKF放置中間，將兩面PVC高分子層(無增強(qiáng)結(jié)構(gòu))替換為PVC高分子層(有增強(qiáng)結(jié)構(gòu))，將復(fù)合樹脂作黏合劑(漿料)，用改進(jìn)軋輥上漿技術(shù)自下而上地上漿，以90～100 g/m2的上漿量涂覆在間隔織物表面，如圖3所示。經(jīng)過加熱輥加熱溫度200～220 ℃處理，以3.5～4 m/min的牽伸速度將復(fù)合好的中間為UGWKF且兩表面為PVC高分子層(有增強(qiáng)結(jié)構(gòu))的組合體引入高溫烘箱中固化并冷卻后，即可制得UGFM，UGFM內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，基本參數(shù)見表2。

圖3 UGWKF的改進(jìn)軋輥上漿技術(shù)

圖4 UGFM結(jié)構(gòu)

表2 UGFM基本參數(shù)

1.4 性能測(cè)試與表征

撕裂強(qiáng)力按照GB/T 3917.3-2009測(cè)試，試樣為等腰梯形，尺寸為(75±1) mm×(150±2) mm，沿經(jīng)緯向各制備5塊試樣，初始夾持距離為25 mm，撕裂速度為100 mm/min，預(yù)開口為15 mm。

剝離強(qiáng)度按照ASTM D751-2006測(cè)試，沿經(jīng)緯向?qū)⒃嚇硬眉舫?00 mm×25 mm矩形各5塊。試樣預(yù)剝開口25 mm，初始夾持隔距50 mm，剝離速度100 mm/min，剝離距離不少于76 mm，沿PVC高分子層與UGWKF表面層結(jié)合的方向剝離。

間隔向拉伸性能測(cè)試：裁取40 mm×40 mm面積且間隔絲完整的不同織物間隔距離試樣，將其兩表面分別用高粘力膠水與T型模具平面完全密封黏合并靜置凝固后，使用萬能試驗(yàn)機(jī)夾持T型模具測(cè)試間隔絲方向的拉伸斷裂強(qiáng)力，拉伸預(yù)張力3 N，拉伸速度100 m/min。T型模具如圖5所示。測(cè)試面積小于T型模具面積的目的是使膜材表面與模具完全黏合，減少膜材翹曲起包引起測(cè)量誤差。

a—T型模具； b—間隔向拉伸

2 結(jié)果分析

2.1 剝離性能

UGFM A與B的剝離曲線如圖6所示。由圖6分析發(fā)現(xiàn)，B與A的經(jīng)緯向剝離曲線趨勢(shì)基本一致，但A的剝離曲線5個(gè)峰值均高于B曲線，特別在經(jīng)向剝離曲線對(duì)比中，B曲線波動(dòng)振幅顯著弱于A曲線。在緯向剝離曲線對(duì)比中，B曲線較A曲線波動(dòng)振幅分布更均勻。剝離強(qiáng)度等于剝離曲線中首個(gè)波峰后中段處5個(gè)最大波峰的均值。經(jīng)計(jì)算，B較A在經(jīng)向剝離性能上降低了約47.7%，緯向剝離性能上降低了約51.0%，如圖7所示。

圖6 UGFM A與B的剝離曲線

圖7 UGFM A與B的剝離強(qiáng)度對(duì)比

經(jīng)緯向剝離的差異化曲線波動(dòng)主要是由各剝離位置黏合強(qiáng)度的差異造成的，因?yàn)閺?fù)合樹脂與上漿工藝基本一致，所以各剝離位置處的剝離強(qiáng)度差異主要來源于織物組織結(jié)構(gòu)的不均勻[15]。觀察B剝離界面發(fā)現(xiàn)，沿經(jīng)向剝離的PVC高分子層的“觸手”呈現(xiàn)縱向連續(xù)、橫向間隔分布的特征，如圖8a所示?！坝|手”紋路同UGWKF面層編鏈線圈間的間隙溝槽吻合，且間隙(黏合薄弱區(qū))與線圈貼合面(黏合牢固區(qū))沿剝離方向相互間隔排列，無交叉，無交替制約。而沿緯向剝離的PVC高分子層的“觸手”呈現(xiàn)“人”字型均勻分布，沿剝離方向有交叉、可交替制約，如圖8b所示。所以經(jīng)向剝離較緯向剝離更容易發(fā)生及擴(kuò)散，經(jīng)向剝離曲線的振幅相對(duì)更微弱，剝離強(qiáng)度也更低。此外，經(jīng)緯向剝離后PVC高分子層的“觸手”目視凸起長度較短，并未發(fā)現(xiàn)“觸手”斷頭、拉伸延展、撕裂等跡象。可能因?yàn)镻VC高分子層存在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，存在受熱不均、貼合面PVC熔融不透徹、可有效滲透進(jìn)織物間隙的PVC高分子層量不足等問題，與復(fù)合無增強(qiáng)結(jié)構(gòu)PVC高分子層相比，有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的PVC高分子層“觸手”難以與線圈面和間隙結(jié)合牢靠，因此表現(xiàn)為B整體剝離性能弱于A。所以在后續(xù)UGFM的研究、設(shè)計(jì)與制備中，可著重加強(qiáng)間隔織物面層組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度和高性能涂貼膠水性能等方面的研究，通過多角度協(xié)同與優(yōu)化來提高UGFM的剝離性能。

圖8 剝離界面

2.2 撕裂性能

UGFM A與B的撕裂曲線如圖9所示。由圖9分析發(fā)現(xiàn)，B與A的經(jīng)緯向撕裂曲線趨勢(shì)基本一致，但B的經(jīng)緯向撕裂曲線的5個(gè)峰值均高于A曲線。其中B的經(jīng)向撕裂曲線波峰分布較離散，曲線波動(dòng)振幅更隨機(jī)；緯向撕裂曲線波峰分布相對(duì)均勻，波動(dòng)振幅相對(duì)一致。撕裂強(qiáng)度等于撕裂曲線中首個(gè)波峰后中段處5個(gè)最大波峰的均值。經(jīng)計(jì)算，B較A在經(jīng)向撕裂性能上提高了約37.9%，B較A在緯向撕裂性能上提高了約30.8%，如圖10所示?？梢娫赑VC高分子層內(nèi)引入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方法對(duì)提高UGFM撕裂性能的效果十分顯著。

圖9 UGFM A與B的撕裂曲線

圖10 UGFM A與B的撕裂強(qiáng)力對(duì)比

經(jīng)緯向撕裂的差異化曲線波動(dòng)主要是由各撕裂位置破壞形式的差異造成的，其差異主要來源于間隔織物面層的組織結(jié)構(gòu)破壞位置與機(jī)理的不同。在軸梯形撕裂破壞主要分為4個(gè)經(jīng)典區(qū)段：拱形褶皺與應(yīng)力增長段、應(yīng)力集中三角區(qū)形成段、紗線斷裂與三角區(qū)推進(jìn)段、撕裂尾段[16]。觀察撕裂三角區(qū)發(fā)現(xiàn)，空間膜材經(jīng)向撕裂口擴(kuò)散位置主要發(fā)生在線圈的間隔處，并在應(yīng)力集中三角區(qū)形成階段，以間隔織物面層內(nèi)經(jīng)斜延長線的斷裂、撕裂三角區(qū)內(nèi)滑移、部分抽離為主要破壞形式，表現(xiàn)為紗線斷裂與撕裂三角區(qū)快速推進(jìn)、經(jīng)向撕裂斷面留存大量經(jīng)斜紗斷頭及斷面附近涂覆層的部分剝離，如圖11a所示。因?yàn)榻?jīng)斜延長線與水平方向成一定夾角傾斜，當(dāng)撕裂三角區(qū)經(jīng)斜延長線受力時(shí)，除沿紗線延伸方向受拉外，還產(chǎn)生面內(nèi)的剪切力，經(jīng)斜延長線于面內(nèi)有產(chǎn)生滑移的趨勢(shì)。因PVC“觸手”在線圈間隙內(nèi)僅與若干經(jīng)斜延長線黏結(jié)，但面-線結(jié)合力遠(yuǎn)小于面-面結(jié)合力，受力的經(jīng)斜延長線會(huì)在其連接的圈柱根部應(yīng)力集中，部分線圈根部與PVC高分子層發(fā)生分離，最終產(chǎn)生了撕裂斷口邊緣的部分波浪式剝離現(xiàn)象。每?jī)闪邢噜従€圈間有若干經(jīng)斜延長線，以經(jīng)斜延長線區(qū)為主要位置的撕裂破壞存在一定的隨機(jī)性和不同時(shí)性，所以經(jīng)向撕裂曲線波峰呈離散分布，波動(dòng)振幅高低不均。

圖11 撕裂三角區(qū)

緯向撕裂位置主要為規(guī)律的線圈和穿插于線圈內(nèi)的經(jīng)斜延長線，且各線圈列排列均勻、結(jié)構(gòu)較一致，在應(yīng)力集中三角區(qū)形成階段，以線圈受力收縮斷裂、抽離為主要破壞形式。線圈和穿插于線圈內(nèi)的經(jīng)斜延長線共同構(gòu)成的線圈面與PVC高分子層的結(jié)合力更牢靠，所以撕裂斷面相對(duì)平整，斷口有部分抽離的線圈和線頭，斷口邊緣基本無剝離現(xiàn)象，如圖11b所示。同時(shí)緯向剝離曲線的波峰呈相對(duì)均勻分布，波動(dòng)振幅在中段較為一致。

2.3 間隔向拉伸性能

UGFM A，B，C和D的間隔向拉斷力和提升幅度如圖12所示。圖12顯示，C的最大間隔向拉斷力較B高約29.0%，D的最大間隔拉斷力較C高約48.6%。其中具有相同間隔距離的A與B在復(fù)合了不同PVC高分子層時(shí)，帶增強(qiáng)結(jié)構(gòu)PVC高分子層的B的間隔向拉斷力較A微弱提升約5.8%。由此推斷，在相同間隔距離下，PVC高分子層引入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)后對(duì)間隔向拉伸性能的影響甚微，但由于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的引入間接降低了高分子層滲透表面織物層并約束間隔絲底部的程度，且提高了粘貼測(cè)試面的剛度，一定程度提升了間隔絲沿拉伸方向的取向度和斷裂一致性，所以表現(xiàn)為拉斷力有微弱提高。

圖12 4種UGFM的間隔向拉斷力及提升幅度

圖13為間隔絲受力圖，分析圖12和圖13可知，假設(shè)Fα，F(xiàn)β分別為UGFM C和D沿間隔絲實(shí)際拉伸方向上的力，則FC=Fαcosα，F(xiàn)D=Fβcosβ(FC，F(xiàn)D為沿垂直高度方向上對(duì)間隔絲作用的力)，為間隔絲實(shí)際拉伸方向在表面層分力)。由于測(cè)試時(shí)UGFM平面與T型模具密封黏合，可認(rèn)為不同間隔距離的材料表面性能表征相同，即TC=TD。伴隨UGFM垂直間隔的距離增大，其間隔絲與垂直高度方向上的夾角β＜α，故cosα＜cosβ，sinα＞sinβ[16-17]。則于是得到FC＜FD。由此得出，當(dāng)其它條件相同時(shí)，大間隔距離的UGFM間隔絲與垂直方向的角度更小，在拉伸過程中，間隔絲趨于垂直方向的一致取向度更高，各間隔絲同時(shí)斷裂的趨勢(shì)更強(qiáng)，最終表現(xiàn)為UGFM間隔距離越大，其間隔向拉斷力越高。

圖13 間隔絲受力

3 結(jié)論

研究了引入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的高分子層對(duì)UGFM力學(xué)性能的影響，深入分析了具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的高分子層對(duì)UGFM力學(xué)性能影響的機(jī)理，通過測(cè)試UGFM的撕裂性能、剝離性能、間隔向拉伸性能，得出如下結(jié)論：

(1)引入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的高分子層對(duì)UGFM的剝離性能有削弱影響，對(duì)撕裂性能有增強(qiáng)影響，且影響程度較大，本研究中，使用150 g/m2的機(jī)織物作為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，UGFM的經(jīng)向剝離性能降低了約47.7%，緯向剝離性能降低了約51.0%，經(jīng)向撕裂性能提高了約37.9%，緯向撕裂性能提高了約30.8%。

(2)間隔織物表面組織結(jié)構(gòu)對(duì)UGFM在經(jīng)緯方向剝離和撕裂性能表征差異的影響較大，若破壞失效方向與線圈平行，則失效趨勢(shì)迅速，性能表現(xiàn)相對(duì)不佳，若不平行，則失效趨勢(shì)放緩，性能表現(xiàn)相對(duì)突出。因此在后續(xù)UGFM設(shè)計(jì)和制備過程中可結(jié)合性能需求對(duì)表面組織結(jié)構(gòu)開展定制化設(shè)計(jì)，并對(duì)組織結(jié)構(gòu)對(duì)性能影響作更深入研究。此外現(xiàn)有引入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的高分子層與間隔織物的復(fù)合工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化。

(3)引入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的高分子層對(duì)UGFM的間隔向拉伸性能影響相對(duì)微弱，同間距下，有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的UGFM較無增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的UGFM間隔向拉伸性能提升了約5.8%。

(4) UGFM間隔向拉伸性能主要受間隔距離影響，其它條件相同時(shí)，間隔距離越大，間隔向拉斷力越大。本研究中，隨著間隔距離從100 mm提升至150 mm和200 mm，UGFM的間隔向拉斷力分別提升了29.0%，48.6%，隨著間隔距離繼續(xù)增大，間隔向拉斷力甚至可能更高。