UHMWPE短纤维纱增强复合板性能研究

宋新惠,马小飞,2,张宏妮眭建华,2

(苏州大学纺织与服装工程学院,江苏 苏州 215021；江苏省先进纺织工程技术中心，江苏 南通 226007)

UHMWPE短纤维纱增强复合板性能研究

宋新惠1,马小飞1,2,张宏妮1眭建华1,2*

(苏州大学纺织与服装工程学院,江苏 苏州 215021；江苏省先进纺织工程技术中心，江苏 南通 226007)

选用以1.21 dtex、51 mm的UHMWPE短纤维制成的2/295.5 dtex纱，编制成单向、双向、平纹、纱罗、互绞五种增强层用于网格板，选用热塑性环氧树脂，采用涂刷方法制成厚度6 mm平板，取得试验样条，在WOTEI-20微机控制万能材料试验机上测取拉伸和弯曲性能。结果表明：复合板材的拉伸、弯曲性能均有增强，弯曲性能增强更为显著；编入纱线的X向的拉伸、弯曲增强明显较Y向好，但稳定性较差；双向有编织的板材，拉伸、弯曲增强更稳定。

UHMWPE短纤维;网格板;涂刷法

UHMWPE纤维的优良性能，决定了它在国家战略领域和民用工业领域的广泛应用[1]。作为增强体，UHMWPE纤维与树脂复合后可以得到质量轻、耐冲击性能、耐磨性能、介电性能优异的复合材料，使得它作为复合材料也有广泛的应用。目前，UHMWPE纤维编织成不同组织作为增强层的复合材料大多为纬编针织物[2-3]，还未有编织成机织物的方法，本文主要探究UHMWPE短纤维纱以经纬交织结构作为增强层对复合材料性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料制备

1.1.1 含PE短纤维纱网格板制备

(1)预制中空形状的270mm×270mm正方形、厚度2mm亚克力框板，中空部分250mm×250mm，边部宽10mm。

(2)框板单面四周边部贴上双面胶，选用若干根2/295.5dtex的UHMWPE短纤维纱线自然张紧、等距间隔、与边部垂直并加以粘贴。任意设定某一方向为X向，另一垂直方向为Y向。

图1 增强层编织实物图

(3)纱线以5种不同结构形式编制成网格板，如图1所示，制成5种类型网格有沿X单向平行排列的单向型，X、Y双向垂直排列的双向型，X向纱线先排列、Y向纱线后以平纹编织的平纹型，X向纱线1绞1、Y向纱线1纬1绞编织的纱罗型，X向相邻纱线依次相互扭绞、Y向纱线1纬1绞编织的互绞型。1.1.2 增强型复合板材制备

(1)选用A、B组分环氧树脂，按4∶1比例混合并充分搅拌，静置30 min使其脱泡。

(2)将离型布紧密粘贴于水平台面，将一个相同规格的空板置于分离布上，按空板面积及厚度将混合树脂定量浇注。

(3)将一个网格板置于其上，纱线编织面朝下靠贴已浇注树脂层。

(4)采用涂刷办法将定量树脂在网格上方多次涂刷直至覆盖网格板表面。

(5)置于烘箱40℃烘燥6 h加速凝固，然后自然状态下晾晒24 h。

(6)揭去离型布，得到带有亚克力外框的复合板，在雕刻机上制取测试样品。

另行制取不含增强层的纯树脂空板作为对比样。

1.1.3 试验条样制取

参照有关国家标准[4]，在WOTEI-20微机控制万能材料试验机测试板材拉伸强度和弯曲强度，拉伸试验条样100mm×10mm，X、Y向样品数各10个；弯曲试验条样50mm×10mm，X、Y向样品数各10个。取样方法如图2所示。

图2 测试样品制取

1.2 试验内容与方法

(1)拉伸性能试验

拉伸速度为5mm/min，测取各样品的拉伸强度T值，单位MPa。各向取强度平均值记作Tx、Ty及偏差CVx、CVy，并计算强度增长率εx、εy，

(1)

式中，ε代表εx、εy，T代表Tx、Ty，T0为空板强度值。

(2)弯曲性能试验

弯曲速度为5mm/min，测取各样品的弯曲强度K值，单位MPa。各向取强度平均值Kx、Ky及偏差CVx、CVy，并计算强度增长率εx、εy，

(2)

式中，ε代表εx、εy，K代表Kx、Ky，K0为空板强度值。

拉伸、弯曲试验如图3所示。

图3 WOTEI-20万能材料试验仪及拉伸、弯曲试验

2 结果与分析

2.1 拉伸性能

根据测试数据和有关计算，取得表1所示的试验结果。

表1 拉伸试验结果

(1)X向ε值均在22%以上，最大值接近65%。Tx值由大到小的样品依次为平纹型、单向型、纱罗型、互绞型、双向型。CVx值由小到大的样品依次为互绞型、平纹型、单向型、纱罗型、双向型，最小值3.5%，最大值接近33%。

(2)Y向ε值仅在6%以上，最大值接近30%。Ty值由大到小的样品依次为双向型、互绞型、单向型、纱罗型、平纹型。CVy值由小到大的样品依次为互绞型、双向型、单向型、纱罗型、平纹型，最小值0.09%，最大值10%以下。

2.2 弯曲性能

根据测试数据和有关计算，取得表2所示的试验结果。

表2 弯曲试验结果

(1)X向ε值均在46%以上，最大值达到110%。Kx值由大到小的样品依次为单向型、平纹型、纱罗型、互绞型、双向型。CVx值由小到大的样品依次为互绞型、纱罗型、平纹型、单向型、双向型，最小值仅3.08%，最大值达到33.59%。

(2)Y向ε值在26%以上，最大值达到106.81%。Ty值由大到小的样品依次为单向型、互绞型、纱罗型、平纹型、双向型。CVy值由小到大的样品依次为纱罗型、单向型、平纹型、互绞型、双向型，最小值9.88%，最大值23.90%。

3 结论

(1)使用UHMWPE短纤纱增强后，复合板材的拉伸、弯曲性能均有增强，其中弯曲性能增强更为显著。

(2)先期编入纱线的X向的拉伸、弯曲增强明显优于Y向，但其增强的稳定性明显差于Y向。

(3)有编织的平纹型、纱罗型、互绞型板材，其拉伸、弯曲增强的稳定性优于未编织的单向型和双向型。

[1] 晏雄.产业用纤维制品学[M].北京:中国纺织出版社，2010.

[2] 周凯,许淑燕,熊杰,等.UHMWPE交织双轴向纬编复合材料高应变率压缩性能研究[J].功能材料,2009(3):490-493.

[3] 李翠玉,罗岳文,贾静艳,等.不同结构UHMWPE纤维纬编针织复合材料弯曲性能[J].材料工程,2015(11):84-90.

[4] 中国国家标准化管理委员会.GB/T2567-2008：树脂浇铸体性能试验方法[S].北京：中国标准出版社.2008.

江苏省先进工作工程技术中心2015年开放项目“基于UHMWPE短纤纱指标耐热高强复合型材研究”(XJFZ2015/3)

2016-10-12