利用废旧纤维制备非织造布蜂窝夹层复合材料及其性能研究

孙洪强 粘伟诚 王山英 许兰涛 田雨胜 吴晓青

(1.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津，300387;2.福建鑫华股份有限公司，泉州，362241)

我国纺织厂每年产生的边角料以及废旧服装的数量非常可观，废旧纺织品的回收再利用不仅可以节约大量资源，而且可以减轻纺织工业对环境的污染。非织造生产工艺可以使用各种纺织下脚料，传统的利用废旧纤维制造的非织造布主要用在过滤材料、鞋材、建筑内饰材料、土工材料、家纺材料、汽车内饰和箱包材料等方面。国内在开发利用纤维废弃物方面起步较晚，只单纯地做一些地毯、衬垫和包装填充物等低档纺织品［1-3］。

蜂窝夹层结构板具有质量轻、强度高、刚性好的特点。传统制作蜂窝夹层结构材料一般是以玻璃钢、铝合金和 Nomex纸等为原料［4-8］，大多用在航空航天领域，以及火车、船舶等交通工具上。

目前国内外还没有对用废旧纤维非织造布制备蜂窝夹层复合材料方面的研究，如果对其进行深入的研究，则可以使其在室内装饰工程和家具等方面更好地发挥作用。另外，该蜂窝夹层复合材料是由废旧纤维加工而成的非织造布制备的，

实现了资源的回收利用，节约了资源，降低了成本，且原料丰富，能够达到保护环境的目的。因此，开发一种以废旧纤维非织造布为原料的蜂窝夹层复合材料具有重要意义。

本文以废旧纤维非织造布为原料，制备了蜂窝夹层复合材料，研究了废旧纤维非织造布面板的拉伸和弯曲性能以及不同蜂格边长的蜂窝夹层复合材料的压缩和弯曲性能。

1 非织造布蜂窝夹层复合材料的制备

1.1 模具设计

制备蜂窝夹层结构材料时，先要进行模具设计。本研究设计了蜂格边长分别为15、20和30 mm的三种模具。图1是蜂格边长为15 mm的模具设计简图。

1.2 蜂窝夹层复合材料的制备

图2是非织造布蜂窝夹层复合材料的制备流程。

1.2.1 蜂窝面板

采用两层面密度为95.81 g/m2、厚度为0.48 mm的非织造布作为增强材料，选用乙烯基树脂，通过真空辅助树脂模塑成型(VARTM)工艺制得非织造布蜂窝面板。

图1 蜂窝波纹板模具设计简图

图2 非织造布蜂窝夹层复合材料制备流程

1.2.2 蜂窝芯子

(1)在制造好的芯模上涂脱模剂，完全干后再涂一次，如此重复2～3次;

(2)将裁剪好的非织造布称重，然后平整地铺放在塑料膜上;

(3)配制树脂，添加固化剂，搅拌均匀;

(4)将树脂均匀地涂刷到非织造布上，涂好后盖上另一层塑料膜，然后用刮板反复刮几次，让塑料膜与涂有树脂的非织造布紧密结合，并将其中的气泡全部赶出;

(5)将上述非织造布放置到模具上，并将其压制成半六角形，待其固化;

(6)将固化好的半六角形蜂窝芯片取下，裁剪打磨整齐，按所需的高度切割，再用胶黏剂将各波形条黏结，等胶黏剂固化后即成蜂窝芯子。

本试验制备了蜂格边长分别为15、20和30 mm的非织造布蜂窝芯子，如图3所示。

图3 不同规格的非织造布蜂窝芯子

1.2.3 蜂窝夹层复合材料

将面板与蜂窝芯子用胶黏剂黏结，制成非织造布蜂窝夹层复合材料，如图4所示。

图4 不同规格的非织造布蜂窝夹层复合材料

2 非织造布蜂窝夹层复合材料性能

2.1 蜂窝面板

面板的拉伸性能测试按标准 GB/T 1447—2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法进行，弯曲性能测试按标准GB/T 1449—2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法进行。

非织造布蜂窝面板的拉伸和弯曲性能测试结果见表1。

2.2 蜂窝夹层复合材料

平压性能测试按标准GB/T 1453—2005进行，弯曲性能测试按标准GB/T 1456—2005进行。平压的加载速度为0.5 mm/min，弯曲的加载速度为2 mm/min。

表1 非织造布蜂窝面板的拉伸和弯曲性能

2.2.1 平压性能

表2是不同蜂格边长的非织造布蜂窝夹层复合材料的平压性能测试结果。

表2 非织造布蜂窝夹层复合材料的平压性能

蜂格边长/mm 平压强度/MPa 芯子平压模量/MPa 15 2.41 51.24 20 1.43 28.76 30 1.13 20.86

由表2可知:蜂格边长为20和30 mm的蜂窝夹层复合材料与蜂格边长为15 mm的蜂窝夹层复合材料相比，平压强度分别降低了40.66%和53.11%，平压模量分别降低了43.87%和59.29%，以15 mm蜂格边长的蜂窝夹层复合材料的平压性能最好;随着蜂格边长的增加，其平压强度和芯子平压模量都呈线性减小。这是由于上述几种规格的蜂窝夹层复合材料的蜂格壁厚和蜂格高度相同，在相同面积下蜂格边长越小，蜂窝芯子与面板的接触面积越大，参与承载的蜂格越多，因而平压性能越好。

图5是蜂格边长分别为15、20和30 mm的三种非织造布蜂窝夹层复合材料的平压载荷—位移曲线，可以观察到曲线均是在开始阶段较平缓，然后斜率变大达到最大值，最后开始下降。这是因为在开始阶段蜂窝与面板之间结构胶有一定厚度，先是胶层发生弹性失稳，然后随着载荷的增加蜂窝芯内开始有响声，双层蜂窝壁内部发生脱胶，同时单层壁发生屈曲，逐渐蜂窝夹层复合材料失去了对变形的抵抗能力，所以压力开始逐步下降。

图5 平压载荷—位移曲线

2.2.2 弯曲性能

表3是不同蜂格边长的非织造布蜂窝夹层复合材料的弯曲性能测试结果。

表3 非织造布蜂窝夹层复合材料的弯曲性能

由表3可知，非织造布蜂窝夹层复合材料的弯曲性能受蜂格边长的影响很大，蜂格边长由15 mm增加到30 mm，其弯曲强度、芯子剪切应力和面板应力都呈现逐渐减小趋势，其中以蜂格边长为15 mm的蜂窝夹层复合材料的弯曲性能最佳。这是由于蜂格边长大，单位面积内蜂窝芯子与胶的接触面积小，使其黏结强度降低，导致面板与芯子之间有效的结合降低。

3 与用其他材料制成的蜂窝夹层结构材料的性能比较

传统的蜂窝夹层结构材料一般采用玻璃钢、Nomex纸和铝合金等制成。采用废旧纤维制备的非织造布蜂窝夹层复合材料的平压性能与传统的蜂窝夹层结构材料的平压性能比较列于表4。

表4 几种蜂窝夹层结构材料的平压性能

由表4可知:

(1)废旧纤维非织造布蜂窝夹层复合材料的平压强度较Nomex蜂窝、634环氧玻璃钢蜂窝和618环氧玻璃钢蜂窝低。最主要原因是废旧纤维非织造布蜂窝夹层复合材料是用不连续的短纤维制成的，在整体性能上较用连续长纤维制成的材料有一定的差距，而非织造布蜂窝的蜂格边长远比其他材料蜂窝的蜂格边长要长，这也是导致平压强度低的一个因素。

(2)废旧纤维非织造布蜂窝夹层复合材料比307聚酯玻璃钢蜂窝夹层结构材料的平压强度高。由于两者的蜂格边长相同，而前者的蜂壁厚度比后者大许多，蜂窝壁厚使蜂窝芯承载的面积大，因而抗压强度高;废旧纤维非织造布蜂窝夹层复合材料比铝蜂窝夹层结构材料的平压强度也要高，前者蜂格边长大但其蜂壁厚，而铝合金材料本身的抗压性能要比非织造布复合材料好，因此可以说明蜂壁厚度对蜂窝夹层复合材料的平压强度有较大影响。

由上可见，在室内装饰工程和对环保要求很严格的现代家具行业中，废旧纤维非织造布蜂窝夹层复合材料是一种可供选择的性能良好的轻质板材，具有潜在的应用市场。

4 结论

(1)进行模具设计，制备非织造布蜂窝芯子;以废旧纤维非织造布为增强材料，选用乙烯基树脂，采用VARTM工艺制备面板;再将面板与制好的蜂窝芯子黏结，即可制备出废旧纤维非织造布蜂窝夹层复合材料。

(2)在蜂格边长分别为15、20和30 mm的非织造布蜂窝夹层复合材料中，其平压强度、芯子平压模量、弯曲强度、芯子剪切应力和面板应力都呈现出随蜂格边长的增大而减小的趋势，其中以蜂格边长为15 mm的材料性能最佳。

(3)在轻质板材中，废旧纤维非织造布蜂窝夹层复合材料是一种性能很好的可供选择的材料，在建筑行业、室内装饰工程和家具行业等领域具有潜在的应用市场。

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