超大隔距经编间隔柔性复合材料制备与压缩性能研究*

喻 颖 张 超 马丕波

江南大学教育部针织技术工程研究中心，江苏 无锡 214122

超大隔距经编间隔柔性复合材料制备与压缩性能研究*

喻 颖 张 超 马丕波

江南大学教育部针织技术工程研究中心，江苏 无锡 214122

详细介绍超大隔距经编间隔柔性复合材料的制备过程，测试复合材料内部在不同气压下的压缩性能。通过分析试验数据和复合材料的破坏过程，讨论不同气压下复合材料压缩性能的变化规律，分析影响复合材料压缩性能的因素。结果表明：超大隔距经编间隔柔性复合材料的压缩性能与其充入的气压有关，且随着气压强度的增加，其抗压能力和缓冲作用增强。

超大隔距经编间隔，柔性复合材料，气压，压缩性能

成品厚度超过100 mm的经编间隔织物，称为超大隔距经编间隔织物。超大隔距经编间隔织物在织造时形成的是压缩类织物，其在织造后因充气而膨胀，间隔层倒伏的间隔丝也因此而站立。间隔丝主要起连接作用。因此，超大隔距经编间隔织物与传统经编间隔织物相比，可以满足更多种类、不同厚度的纺织产品的要求，其强化了回弹性、保暖性、透气透湿性、过滤性等[1]，同时以灵动多样的特点、奇特的空间结构和良好的性能而被广泛地应用[2]。

但单独使用超大隔距经编间隔织物无法充分发挥其优良性能，可将它与其他材料复合得到各种不同用途的超大隔距经编间隔复合材料，赋予经编间隔织物多样的性能[3]，使其使用范围更加广泛，如可应用于医疗用气垫床[4]、军事用浮桥[5]、救生艇[6]等领域，发展前景十分广阔。

曾有研究学者建立了间隔织物增强柔性复合材料的单胞有限元模型，并对复合材料的压缩性能进行预测[7]，研究超大隔距经编间隔结构柔性复合材料的压缩性能，这些对这种新型复合材料日后的应用有着很大的指导参考意义[8-11]。因此，本文将超大隔距经编间隔织物与聚氯乙烯(PVC)复合，得到一种柔性复合材料，并对其进行压缩试验，通过试验现象和数据，探讨超大隔距经编间隔柔性复合材料在不同气压下的压缩性能。

1 超大隔距经编间隔柔性复合材料的制备

1.1 原料选用

超大隔距经编间隔织物的2个表层主要起连接间隔层的作用，其使超大隔距经编间隔织物受到外力作用时间隔层中的间隔纱稳定而不倒伏。本文将PVC作为涂层材料，与超大隔距经编间隔织物复合，制成超大隔距经编间隔柔性复合材料。

超大隔距经编间隔织物使用的间隔纱与普通经编间隔织物明显不同。超大隔距经编间隔织物的间隔纱通常选用复丝，以满足间隔层充气时易伸展的要求。复丝的原料可以与表层的原料相同或不同。

1.2 织物织造

超大隔距经编间隔织物是在带有6把梳栉的RD6双针床拉舍尔经编机上织造的。织物成品厚度为100 mm，其组织设计方案见表1。

表1 超大隔距经编间隔织物组织设计方案

1.3 复合材料制备

本文选用干法直接涂层法制备超大隔距经编间隔柔性复合材料。干法直接涂层法是一种典型的直接涂布工艺，即超大隔距经编间隔织物在一定张力下水平通过固定的涂布头，薄且均匀的涂层剂直接涂在织物表面，然后用烘箱将涂层后的织物烘干，使涂层干燥并与织物牢固结合。

利用干法直接涂层法对超大隔距经编间隔织物的2个表面涂层后，即得到超大隔距经编间隔柔性复合材料。由于后续要讨论复合材料被充满气体后在不同气压下的压缩性能，因此后加工时应注意材料的气密性。

2 超大隔距经编间隔柔性复合材料的压缩性能

2.1 破坏过程与形态

本文制备的超大隔距经编间隔柔性复合材料的柔性由其充入的气体量来决定，因而在超大隔距经编间隔柔性复合材料被充满气体的情况下，充入气体的气压成为影响其压缩性能的主要因素。本文采用YF-900系列材料试验机测试超大隔距经编间隔柔性复合材料在100%、80%、60%气压下的压缩性能(设复合材料被充气至破坏时的气压为100%气压，随着充入气体量的减少，其气压分别为破坏气压的80%、60%，即记为80%、60%气压)。在压缩试验中，超大隔距经编间隔柔性复合材料随着压缩的持续进行，其变形逐渐增加，所承受的压力和应力不断提高，直至达到最大应力而破坏。

超大隔距经编间隔柔性复合材料在100%气压下的压缩试验中的形态变化如图1所示，(a)～(f)分别为压缩0、10、20、30、40、50 s时的形态。其中，(d)即压缩30 s时超大隔距经编间隔柔性复合材料的形态已临近破坏，其所承受的压力已接近它能承受的最大压力；(e)、(f)为超大隔距经编间隔柔性复合材料被压缩至破坏后的形态。

(a) 0 s

(b) 10 s

(c) 20 s

(d) 30 s

(e) 40 s (f) 50 s

在80%、60%气压下进行相同的试验，观察到超大隔距经编间隔柔性复合材料在压缩试验中的形态变化趋势基本一致。

2.2 试验结果讨论

根据3种气压下超大隔距经编间隔柔性复合材料在压缩过程中承受的压力与垂直方向的位移，绘制压力-位移曲线(图2)。

图2 3种气压下的压力-位移曲线

如图2所示，随着压缩试验的进行，超大隔距经编间隔柔性复合材料所承受的压力逐渐增大，垂直方向的位移也逐渐增大；当承受的压缩作用达到其承载极限(即最大受力点)时即发生破坏，位移达到某个位置。由于破坏造成超大隔距经编间隔柔性复合材料内部所充气体泄露，内部的气压急剧下降，所能承受的压力也随之快速减小，直至减小到0，此时材料完全丧失使用功能。

由图2可见，在位移相同时，超大隔距经编间隔柔性复合材料所能承受的压力在100%气压下最大，80%气压下其次，60%气压下最小。因此可以得出：随着超大隔距经编间隔柔性复合材料内部的气压逐渐增加，其所能承受的压力逐渐提高。在相同压力下，超大隔距经编间隔柔性复合材料内部的气压越小，垂直方向的位移越大。

为进一步分析超大隔距经编间隔柔性复合材料内部的气压对其压缩性能的影响，对试验数据进行处理，得到不同气压下超大隔距经编间隔柔性复合材料的应力-应变曲线(图3)和吸收能量-应变曲线(图4)。

图3 3种气压下的应力-应变曲线

分析图3可以发现，超大隔距经编间隔柔性复合材料被压缩至破坏前，随着应力增大，应变逐渐增加；当材料被压破时，应力达到最大值；之后，应力急剧下降。

3种气压下，超大隔距经编间隔柔性复合材料的应力-应变曲线形状基本相同；应力相同时，气压增大，超大隔距经编间隔柔性复合材料因承受应力而应变减小。因此可以得出：在其他条件相同的情况下，超大隔距经编间隔柔性复合材料所能承受的应力随其内部气压变化而变化，即压缩性能受其内部气压的影响，随着内部气压的增大，超大隔距经编间隔柔性复合材料所能承受的最大应力上升。

由图4可见，当施加压力造成应变增大时，超大隔距经编间隔柔性复合材料所吸收的能量逐渐增加；若施加不同压力而使3种气压下超大隔距经编间隔柔性复合材料应变相同时，超大隔距经编间隔柔性复合材料内部的气压越大，其吸收的能量越多。因此可以得出：超大隔距经编间隔柔性复合材料内部的气压越大，缓冲作用越强，其承压能力也越好。

3种气压下超大隔距经编间隔柔性复合材料的最大应力值和吸收能量峰值见表2，可以看出，随着气压减小，其抗压能力和缓冲性能下降。

表2 3种气压下超大隔距经编间隔柔性复合材料的最大应力和吸收能量峰值

3 结论

超大隔距经编间隔织物是经编间隔织物的重要突破，目前德国制造的最先进的经编机已经能够织造出最大厚度为160 mm的经编间隔织物，且随着研究的不断深入，其优异性能不断地被开发出来，尤其是将其与一些化学材料(如剪切增稠液STF和硅橡胶)复合所得到的复合材料，具有非常好的压缩性能和承载能力，极大地扩展了其使用范围。本文采用超大隔距经编间隔织物与PVC进行复合，得到一种气密性非常好的柔性复合材料，测试其在不同气压下的压缩性能，结果表明，在超大隔距经编间隔柔性复合材料发生破坏前，随着其内部的气压不断增加，其最大应力值呈上升趋势，吸收的能量峰值也逐渐增加，即其能够承受的力越来越大、缓冲效果也越来越好。

分析试验现象和试验数据可以得到超大隔距经编间隔柔性复合材料的压缩破坏机理：在压缩试验过程中，超大隔距经编间隔柔性复合材料体积变小，材料内部的气体分子被压缩，分子间距缩小，分子相互接近，导致材料内部气压变大，材料内部气体对材料周围的应力越来越大，直至应力增大到将材料破坏。

在研究超大隔距经编间隔织物压缩性能时，结构参数有时也被作为一项影响因素，本试验不足之处为未对超大隔距经编间隔织物的不同结构变化进行分析。

[1] 夏风林. 经编间隔织物的抗压回弹性研究[J]. 纺织学报, 2003, 24(4): 338-340.

[2] 李大俊, 蒋高明. 经编间隔织物在医疗和保健领域的应用[J]. 产业用纺织品, 2003, 21(10): 20-23.

[3] ARMAKAN D M，ROYE A. A study on the compression behavior of spacer fabrics designed for concrete applications[J]. Fibers and Polymers, 2009, 10(1): 116-123．

[4] HEIDE M. Spacer fabrics: Trends[J]. Kettenwirk Praxis, 2001, 35(1): 17-20.

[5] 陈振洲. 产业用经编间隔织物编织技术研讨[J]. 纺织学报, 1999, 20(5): 303-305.

[6] 叶晓华. 功能性间隔织物的结构与性能研究[D]. 上海: 东华大学, 2006.

[7] 陈思, 龙海如. 经编间隔织物增强聚氨酯基复合材料的压缩性能[J]. 东华大学学报(自然科学版), 2015, 41(3): 282-287.

[8] LIU Yanping，HU Hong，ZHAO Li，et al． Compression behavior of warp-knitted spacer fabrics for cushioning applications[J]. Textile Research Journal, 2012, 82(1): 11-20.

[9] 倪晓超. 对经编间隔织物产品开发的探讨[J]. 山东纺织科技, 2010, 51(1): 30-32.

[10] 陆振乾, 吴利伟, 孙宝忠, 等. 经编间隔织物增强柔性复合材料冲击性能[J]. 复合材料学报, 2014, 31(5): 1306-1311.

[11] 缪旭红. 经编间隔织物在胸罩中的应用和生产[J]. 纺织导报, 2002(6): 33-34.

Preparation and compressive properties’ research of high-gauge warp knitted spacer flexible composites

YuYing,ZhangChao,MaPibo

Engineering Research Center for Knitting Technology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

The process of preparation of high-gauge warp knitted spacer flexible composites was introduced. The compressive properties of the composites under different air pressures were tested. Through analyzing the experimental data and the failure process of the composites，the changing rule of the compressive properties of the composites under different pressures was discussed, and the factors influencing on the compressive properties of the composites were analyzed. The results showed that the compressive properties of the high-gauge warp knitted spacer flexible composites were relative to the filled air pressure, and the anti-compressive ability and the cushioning property of the composites enhanced with the increasing air pressure.

high-gauge warp knitted spacer, flexible composite, air pressure, compressive property

*中国博士后面上项目(2016M591767)；江南大学大学生创新训练项目(2016204Y)

2016-07-02

喻颖，女，1996年生，在读本科生，研究方向为产业用针织结构及性能

马丕波，E-mail: mapibo@jiangnan.edu.cn

TS186.1

A

1004-7093(2017)03-0028-04