经编间隔织物增强软质聚氨酯复合材料的压缩性能

王栋栋，龙海如

(东华大学，上海 201620)

经编间隔织物增强软质聚氨酯复合材料的压缩性能

王栋栋，龙海如*

(东华大学，上海 201620)

采用一步法发泡工艺制备了6种经编间隔织物增强软质聚氨酯复合材料，并进行压缩性能测试，探讨了织物表面结构、聚氨酯泡沫中的含水量对复合材料压缩性能的影响。试验结果表明：织物表面结构紧密(含有更多间隔丝)的复合材料压缩性能较好；但随着含水量的增加，材料的抗压能力下降；含水量少的材料虽然耐压，但手感较硬，舒适性差。

经编间隔织物；软质聚氨酯泡沫；压缩性能

经编间隔织物是指在前后针床上单独编织的两个表面，通过间隔纱连接而形成的三维立体结构织物[1]。与传统的二维织物、夹层结构的材料等相比，经编间隔织物可一次性编织且两表面不会发生脱层现象，具有良好的透气性、力学性能等，被应用于许多领域[2-4]。近年来，许多研究者对该材料的性能进行了研究，指出织物的厚度、间隔丝的直径、排列方式等影响着织物的压缩性能[5-6]。但是间隔丝易“失稳”的特点限制了该材料的应用。

软质聚氨酯泡沫是由多元醇、异氰酸酯及其他助剂反应制备而成的高分子聚合物[7]，其优良的弹性被广泛应用于垫材、功能面料、运动装备等领域。研究人员对聚氨酯泡沫性能做了大量的分析，如配方中水分含量、表面活性剂、催化剂、交联剂的变化来改变泡沫的泡孔结构，进而影响聚氨酯泡沫的性能[8-11]。

经编间隔织物常与聚氨酯泡沫的性能对比，但以间隔织物为增强体、聚氨酯为基体组成的材料研究较少。利用软质聚氨酯泡沫优良的弹性，减缓间隔丝易“失稳”的现象，制备一种新的材料(经编间隔织物增强软质聚氨酯泡沫复合材料)，并对材料的压缩性能进行测试。

1 试验部分

1.1 经编间隔织物

试验选用了在机号为E20的双针床拉舍尔经编机上编织的4种不同结构参数的经编间隔织物，采用150 dtex的涤纶复丝编织两表面，采用直径为0.05 mm的涤纶单丝编织间隔层，其表面组织及具体参数如图1和表1所示。

图1中A、B为经缎组织，从图1中可以看出B的纵密要大于A；C为经平组织。由表1可知，表面结构紧密的织物SF5和SF6含有更多的间隔丝。

1.2 复合材料制备

采用一步法发泡工艺在室温下制备经编间隔织物增强软质聚氨酯复合材料。按配方称取一定量的多元醇、水、表面活性剂、催化剂等，搅拌2～3 min配成A料。称取一定量的异氰酸酯为B料，将B料倒入装有A料的杯中，高速搅拌4 s后倒入模具中，并迅速将织物置于模具中后快速合模，使聚氨酯泡沫均匀地填充在织物中，熟化15 min后开模。

此外，为探究聚氨酯配方中不同含水量对材料性能的影响，制备了含有1份、1.5份以及2份水的经编间隔织物增强软质聚氨酯复合材料，具体参数见表2。

1.3 性能测试

压缩性能按照GB/T 8168-2008进行测试。

2 结果与讨论

2.1 典型复合材料分析

以复合材料C6的应力-应变曲线为代表分析材料在不同压缩阶段的压缩行为，并与相同厚度下的纯聚氨酯的压缩行为进行对比。它们的压缩应力-应变曲线如图2所示。

由图2可知，复合材料C6在整个压缩过程中的压缩强度明显大于聚氨酯的压缩强度，这说明经编间隔织物对复合材料压缩性能起到了增强作用。材料的整个压缩过程可分为3个阶段。第Ⅰ阶段，应力随应变的增大迅速上升，聚氨酯泡沫和间隔丝同时承力，间隔丝由于被泡沫包覆使其抗弯性能得以提高。材料在第Ⅱ阶段呈现出“小应力，大变形”，该阶段材料的变形主要包括间隔丝的弯曲和聚氨酯泡沫的变形甚至破裂。当应力超过材料所能承受范围时，材料发生快速致密化进入第Ⅲ阶段。

表1 经编间隔织物的基本参数

表2 复合材料及聚氨酯的基本参数

注：C3～C6表示聚氨酯配方中含有1.5份的水，C6(1)和C6(2)表示分别含有1份和2份水。

对于材料的压缩性能，通常以屈服阶段中上屈服点的强度以及屈服阶段所占的范围来评价抗压性能、能量吸收的好坏。抗压性能可以通过材料在压缩阶段所做功W来表征：

(1)

能量吸收效果可采用能量吸收率E来表征：

(2)

图3是C6的压缩及能量吸收曲线。在Ⅰ阶段，C6能量吸收随应变的增大而增加，并且能量吸收率在位于上屈服点时达到最大；进入Ⅲ阶段，C6的能量吸收随应变的增大出现下降的趋势。图中的阴影部分表示C6从Ⅰ阶段至Ⅱ阶段所做的功。

2.2 试验结果分析

2.2.1 间隔织物表面结构对复合材料压缩性能的影响

复合材料C3～C6的压缩应力-应变及能量吸收曲线如图4和图5所示，表3为材料压缩过程中的相对指标。可以发现C5与C6的压缩强度要大于C4与C3，并且所有材料从初始阶段到屈服阶段的应变均超过50%。

由表1可知，间隔织物SF3与SF6、SF4与SF5的厚度十分接近，但SF5和SF6的表面结构较SF3、SF4紧密(SF5与SF6的纵密要大于SF3与SF4)，更重要的是，表面结构紧密的间隔织物中含有更多的间隔丝。与聚氨酯复合后，表面结构紧密的复合材料C6和C5的硬度大于C3和C4的硬度。在压缩过程中，含间隔丝较多的材料(较硬的材料)可承受更多的压力，而聚氨酯泡沫对间隔丝的包覆作用，又进一步提高了间隔丝的抗弯性能，从而材料具有更好的抗压性能。从表3中可知，C5和C6的压缩评价指标均要优于C4和C3。

材料编号总压缩功/J能量吸收率初始阶段到屈服阶段应变/%应力/MPa压缩功/JC321.450.24550.620.47711.74C422.990.25051.250.51413.09C527.020.26852.950.60616.99C627.360.26350.830.59516.14

2.2.2 聚氨酯配方中含水量对复合材料压缩性能的影响

不同含水量的复合材料的压缩曲线如图7所示。从图中观察到：含1份水的复合材料C6(1)压缩性能要好于含有1.5份水及2份水的复合材料。

从表2可知，含有1份水的复合材料C6(1)的密度为0.377g/cm3，硬度为72，要大于含有1.5份及2份水的复合材料的密度及硬度。材料的密度和硬度随着含水量的增加而下降，聚氨酯泡沫的泡孔却随着含水量的增加而增大甚至发生破裂，如图6所示。

泡沫泡孔增大，材料硬度下降导致材料在压缩过程中易于变形，并且泡沫对间隔丝的支撑作用也进一步减弱，使得含水量较多的复合材料容易被压陷，抗压缩能力变差。含1份水的复合材料C6(1)的密度、硬度大，抵抗压缩的能力好，但由于材料较硬，手感较差，其舒适性不如含水量较多的材料。

3 结论

(1)经编间隔织物作为增强体，提高了复合材料的压缩性能。所有复合材料从初始阶段到屈服阶段的应变均超过50%，这说明所制得的复合材料的抗压能力较理想。

(2)聚氨酯泡沫对间隔丝的包覆作用影响材料的压缩性能，表面结构紧密(含有更多间隔丝)的复合材料具有较好的抗压缩性能。

(3)含水量的增加会导致材料抗压能力的下降，但含水量少的复合材料硬度偏大，手感及舒适度差，在选择聚氨酯配方时，需综合考虑。

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Compression Properties of Warp-knitted Spacer Fabric Reinforced Flexible Polyurethane Composites

WANG Dong-dong, LONG Hai-ru*

(Donghua University, Shanghai 201620, China)

Six kinds of warp knitted spacer fabric reinforced flexible polyurethane composites were prepared by one-step foaming process. Compression test was carried out to investigate the effects of fabric surface structure, water content of polyurethane foam on the compression properties of composites. The results showed that composites with denser surface structure (containing more spacer yarns) had good compression performance. However, the compressive capacity decreased with the increase of water content of PU. Composite with lower water content had a better compression, but the hand-feeling was poor.

warp-knitted spacer fabric; flexible polyurethane foam; compression properties

2016-09-28

王栋栋(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：针织复合材料，E-mail：george_dongdong.wang@outlook.com。

*通信作者：龙海如，男，教授，E-mail：hrlong@dhu.edu.cn。

TS187

A

1673-0356(2016)11-0021-04