梭织/针织复合织物增强聚氨酯基复合材料性能

凌 玲,刘怡妙,孙嘉肄,赵 华,陈 思

(内蒙古工业大学 轻工与纺织学院,内蒙古 呼和浩特 010080)

经编间隔织物拥有特殊的立体结构和优异性能及良好的可设计性,但其载荷能力不强,受力后易倒伏。聚氨酯泡沫的韧性好、收缩低、黏着力强、抗压性能很好。这种材料既保留了经编间隔织物良好的抗压缓弹性能,又增强其载荷能力和缓弹性能,可以作为良好的柔性缓冲复合材料[1-2],经编间隔织物还广泛运用在建筑上[3]。经编复合织物是一种绿色环保型建筑材料,拥有高质高效、成本低、稳定性好等优势,设计师把经编间隔织物运用在防弹背心的衬垫上[4],还可以广泛运用于柔性缓冲复合材料,如车内装饰物、包装材料以及家用纺织品等[5-6]。

国内外许多学者都对间隔织物复合材料的性能进行了研究。陈思[7]研究了经编间隔织物聚氨酯复合材料的制备与压缩性能,结果显示:织物厚度大、间隔丝直径大和间隔丝排列密度大的复合材料有更大的抗压应力和更好的抗压性能。程小梅[8]探讨了环氧树脂涂层对间隔织物力学性能的影响,试验结果表明:树脂涂层的加入使得间隔织物经纬向的抗拉性和整体抗压性都增强,且双面涂层织物的力学性能优于单面涂层织物。马浩东[9]对不同厚度、孔隙率和材料的3D 间隔织物增强聚氨酯基复合材料试样进行了透气性、透湿性和压缩性能的测试,分析了参数对试样性能的影响。研究表明,孔隙率越高,厚度越薄,试样的透气性越好,而被间隔织物增强的试样透气性变差;孔隙率越高,厚度越厚,试样的透湿性越差,试样的屈服强度越低,抗压性能越差,更容易产生塑性变形,间隔织物可以增强聚氨酯基体的抗压性能[10-12]。

选用经编间隔织物与碳纤维梭织物作为增强体,聚氨酯泡沫作为基体材料制备复合材料。探讨了织物厚度、织物表面结构和碳纤维梭织物加入与否对复合材料的透湿性能、透气性能、压缩性能的影响。结果表明,织物增强体的结构参数对复合材料的性能具有较大影响,因而后续可以通过调整织物的结构参数以满足复合材料在实际工程中的使用。

1 试验材料制备

1.1 经编间隔织物及碳纤维梭织物的结构及参数

经编间隔织物一般利用拉舍尔双针床经编机编织,导纱针满穿或间隔配梳栉两两搭配,分别在前、后针床编织上下表层织物,1 组梳栉带着抗弯刚度较大的单丝在前后针床之间轮流编织成圈,将上下2个表层连接成一个整体,并在中间撑起一定空间。2 个表层的结构可以独立变换,所以有3个不同的组织结构,即2个表层结构和间隔层结构。

选取6种具有不同参数的经编间隔织物,织物结构参数见表1。试验中所选用间隔层织物的表面结构分别为双面大网孔、双面小网孔、一面小网孔一面密实以及一面大网孔一面密实,如图1所示。选取了碳纤维梭织物为复合织物,结构参数见表2。

表2 碳纤维梭织布的基本参数

图1 所选试样

表1 经编间隔织物的基本参数

1.2 经编间隔织物复合材料的制备

复合材料成型工艺要根据复合材料的性能,基体和增强体的结构而制定的。清洁模具后,将6种经编间隔织物分别裁剪成规格的小样,将碳纤维梭织布与经编间隔织物小样贴合,将聚氨酯浆料和水按4∶1的比例配制100 m L,方便聚氨酯浆料的灌入,将模具上涂上脱模剂,固化后取出,从而得到材料试样。

2 试验部分

2.1 压缩性能测试

根据GB/T 34559—2017《复合材料压缩性能试验方法》标准,使用AG-250KN 型岛津万能试验机对经编间隔织物聚氨酯复合材料进行压缩性能测试。将试样的长宽高输入在电脑拉伸试样参数中,设定速度为1 mm/min,形状为板材,输入参数并调整机器后,开始试验。根据织物厚度的65%确定织物的压缩位移,从而在相同位移下对比不同厚度、不同网孔大小、不同层数的经编间隔织物的压缩性能。

表3中:A—双面小网孔;B—双面大网孔;C—单面大网孔;D—双面小网孔增强材料复合;E—双面大网孔增强材料复合;F—单面大网孔增强材料复合。

表3 各试样抗压面强度计算结果

(1)由表3可知,抗压强度试样D＞试样F＞试样E＞试样C＞试样B＞试样A。抗压强度指外力施加强力的极限,因此,抗压强力越大,表示织物的压缩性能越好。其中双面小网孔增强材料复合的压缩性能较其他复合材料更为优良。

(2)由图2可知,曲线A 的承受载荷最弱,但是当位移即行程超过3.5 mm 时,曲线A 的压缩性能逐渐高于曲线E;曲线E与曲线D 在2.1 mm 处相交,曲线D 在2.1 mm 之后,载荷的承受能力呈现斜率增大,且递增的趋势;曲线C相较于曲线D 在行程3 mm 之前增大,之后便不如曲线D 的载荷承受能力;曲线F居于曲线B 和曲线C、D 之间;曲线B 的承受能力在4.5 mm 之前压缩性能最好。相较于其他材料,双面大网孔的压缩性能最好。

图2 压缩性能测试对比

(3)在压缩过程中,压头下降高度为织物厚度的任意时刻内,厚度为7 mm 的经编间隔织物的压缩性能略逊于经编间隔织物增强复合材料的压缩性能。在压头位移为试样厚度的任意时刻内,厚度相同时,双面大网孔经编间隔织物增强复合材料的压缩性能优于双面大网孔经编间隔织物的压缩性能。

(4)在压头下降程度和织物厚度相同的条件下单面大网孔经编间隔织物增强复合材料的压缩性能在开始的0.2 mm 位移内稍微逊于单面大网孔经编间隔织物的压缩性能。而随着位移的增加,单面大网孔经编间隔织物增强复合材料都优于单面大网孔经编间隔织物的压缩性能。

2.2 透气性测试结果及分析

根据GB/T 5453—97《织物透气性的测定》标准,使用YG(B)461E全自动织物透气性能测试仪对经编间隔织物聚氨酯复合材料进行透气性能测试。将制备的试样夹持在织物透气仪的进气孔上方,然后用电脑调节风机的速度,使织物产生压差并且达到规定压差,根据织物两面和喷嘴孔径的压差测定织物的透气率。试样面积选择20 cm2,压降设定为200 Pa,喷嘴选用7号,试验时长30 s。每个试样在不同经纬位置试验10次,取平均值。

各经编间隔织物增强复合材料透气性测试结果见表4。

表4 经编间隔织物复合材料透气性能测试数据

(1)透气率是指在单位时间下,织物正反两面压差一定,织物垂直通过单位面积的气流量。由表4可以看出经编间隔织物增强复合材料的透气率从大到小依次为:试样C＞试样D 反面＞试样A＞试样B＞试样F反面＞试样F正面＞试样D 正面＞试样E 反面＞试样E正面。

(2)间隔织物的透气性普遍较好,在其他条件相同时,间隔织物越厚,透气性能越差。主要原因是织物越厚,空气透过织物需要穿越的路径越长,且中间层有复杂的间隔丝阻挡,导致透气性越差;其他条件相同时,随着间隔织物面密度的增大,其透气率降低,即透气性能变差。这主要是由于随着间隔织物的面密度增大,间隔丝的密度和细度必然会更大,空气要穿过织物的难度更大,导致间隔织物的透气率减小,影响了其透气性能。

(3)复合材料厚度与透气性能成反比,织物的网孔越大,复合材料的透气性越好。单面大网孔经编间隔织物增强复合材料正反面透气率大于单面小网孔经编间隔织物增强复合材料正反面透气率,反面网孔经编间隔织物增强复合材料的透气率大于正面网孔经编间隔织物增强复合材料的透气率;双层经编间隔织物增强复合材料的透气性优于单层经编间隔织物增强复合材料的透气性能。双层经编间隔织物是由2个单层单面网孔经编间隔织物缝制而成,由于构成双层经编间隔织物的单层经编间隔织物厚度很薄,织物克重轻,与聚氨酯发泡固化后,其孔隙较多,气流容易通过,而单层经编间隔织物复合材料由于间隔丝排列很紧密,与聚氨酯发泡后的经编间隔织物增强复合材料硬度较硬,内部孔隙少,气流不容易通过。

2.3 透湿性测试结果及分析

根据GB/T 12704.2—2009《蒸发法》标准,使用YG(B)-Ⅱ型织物透湿量仪对经编间隔织物聚氨酯复合材料进行透湿性能测试。将盛有一定质量、一定温度的蒸馏水倒入透湿杯中,依次放上试样、垫圈和压环密封完成后放入透视仪中,计算一定时间内透湿杯质量的变化,并计算出透湿率。预设试验箱内气流速度为0.3～0.5 m/s,温度设定为38 ℃,相对湿度设定为50%。各经编间隔织物增强复合材料透湿性测试结果见表5。

表5 间隔织物增强复合材料透湿性能测试数据

(1)通过表5中A 和B 数据可知,在织物网孔大小相同的情况下,10 mm 厚度的经编间隔织物增强复合材料的透湿率大于7 mm 厚度经编间隔织物增强复合材料的透湿率。

(2)通过表5中A 和C 的数据可知,在织物厚度相同的条件下,经编间隔织物的网孔越大,其增强复合材料的透湿性能越好。

(3)通过表5中D正面、D反面、E正面、E反面可知,在织物厚度相同的条件下,大网孔单面经编间隔织物增强复合材料透湿性能优于小网孔单面经编间隔织物增强复合材料;正面经编间隔织物增强复合材料透湿性能比反面经编间隔织物增强复合材料透湿性能好。

(4)通过表5中E正面、E反面、F正面和F反面的透湿率可知,在网孔大小和厚度相同的条件下,单层经编间隔织物增强复合材料透湿性能比双层经编间隔织物增强复合材料的透湿性能好,间隔织物增强复合材料正面透湿性能比反面间隔织物增强复合材料的透湿性能好。

3 结论

(1)利用织物压缩性检测仪测试间隔织物的压缩性,通过试验结果的整理与分析可以得到:间隔织物具有特殊的网孔结构,所以压缩性普遍较好,且与正反面相关度并不明显;其他条件相同时,位移越长,压缩性普遍提高。而单面大网孔增强复合材料的压缩性能比单面小网孔增强复合材料差。

(2)利用织物透气性检测仪对间隔织物的透气性进行测试,通过试验结果的整理与分析得到:在厚度相同的情况下,双面大网孔增强复合材料的透气性能优于双面小网孔增强复合材料;单面大网孔增强复合材料的透气性能优于单面小网孔增强复合材料;间隔织物面密度增加,间隔丝的密度和细度增大,空气穿过织物更加困难,透气率降低,影响了透气性能;织物的厚度越厚,经编间隔织物增强复合材料的透气性能较差。

(3)利用织物透湿测定仪测定间隔织物的透湿能力,可发现双面大网孔增强复合材料的透湿性能优于双面小网孔增强复合材料;单面大网孔增强复合材料的透湿性能优于单面小网孔增强复合材料;间隔织物面密度增加,间隔丝的密度和细度增大,空气穿过织物更加困难,透气率降低,影响了透气性能;织物的厚度越厚,经编间隔织物增强复合材料的透湿性能好。