楊燕寧,孟家光,程燕婷,劉曉巧

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

機織物作為復(fù)合材料增強體已有多年的歷史,而針織物[1-2]由于其較大的延伸性和尺寸不穩(wěn)定性一直被認為不適合用于聚合物復(fù)合材料.但近年來,研究者發(fā)現(xiàn)針織增強體[3-4]具有非常好的延伸性,用作復(fù)合材料具有很高的拉伸強度.尤其是緯編針織結(jié)構(gòu)增強體,具有良好的成型性、耐沖擊性和能量吸收性能.芳綸纖維[5-6]作為高性能纖維之一,具有高強高模,耐腐蝕、耐酸堿、韌性好、可加工以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等特性[7-8],但也存在橫向拉伸強度低、抗壓縮性差等缺點.而UHMWPE纖維[9-10]密度很小,僅為0.97 g/cm3,其比強度和比模量都遠遠高于其他高性能纖維[11-12],并具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕、耐沖擊、耐低溫性、耐拉伸和耐光性能[13-14],但又存在韌性差、耐熱性差以及難以加工的缺點.因此考慮將這兩種高性能纖維在橫機上采用緯編針織結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,可減輕織物整體質(zhì)量，改善拉伸強度、耐光、耐熱性能.

近年來,國內(nèi)外學者對復(fù)合材料的力學性能進行了諸多研究．郝露等[15]對不同混編方式芳綸和炭纖維復(fù)合材料力學性能進行分析.袁玉華[16]選用碳纖維編織出9種不同組織參數(shù)的緯編針織物做為增強體,選用環(huán)氧樹脂為基體,采用手糊法制備了復(fù)合材料試樣．研究得出材料的拉伸和彎曲性能與增強針織物的組織結(jié)構(gòu)、紗線取向、承載紗線根數(shù)、纖維體積含量等因素有關(guān)．李翠玉等[17]選用UHMWPE纖維編織了緯平針、羅紋、畦編針織結(jié)構(gòu)織物,采用VARTM工藝制備出UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料板．測試結(jié)果表明不同組織結(jié)構(gòu)織物的工藝參數(shù)、不同組織結(jié)構(gòu)針織復(fù)合材料的纖維體積含量等基本參數(shù)對復(fù)合材料彎曲性能均有一定影響．也表明由高強聚乙烯纖維制成的增強體材料具有較強的韌性與較高的強力．

本文以芳綸和UHMWPE超強聚乙烯纖維為原料,編織滿針羅紋、圓筒形和羅紋空氣層組織增強體,通過模壓成型工藝制備出3種緯編針織增強體復(fù)合材料,并對這3種緯編針織增強體復(fù)合材料的力學性能進行測試和分析.

1 實 驗

1.1 材料、試劑及儀器

1.1.1 材料 芳綸纖維(3 220 dtex/2000F,日本帝人公司);UHMWPE纖維(178 tex/1385F,北京特力化纖有限公司).

1.1.2 試劑 環(huán)氧乙烯基酯樹脂(華東理工大學華昌聚合物有限公司);2-過氧化丁酮(西安金錦樂化工有限公司);異辛酸鈷(新鄭市龍湖鎮(zhèn)天龍化工商行).

1.1.3 儀器 JA3003N型電子天平(上海升隆電子科技有限公司);DHG-9075A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海齊欣科學儀器有限公司);YG026D型電子織物強力機(溫州方圓紡織儀器廠);INSTRON 3365型萬能材料試驗機(美國英斯特朗公司);CMT5304-30KN型電子萬能試驗機(新三思材料檢測有限公司).

1.2 實驗方法

1.2.1 材料改性 采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對芳綸和UHMWPE纖維進行表面改性,其中芳綸纖維的改性工藝為:硅烷偶聯(lián)劑KH-550質(zhì)量分數(shù)20%,處理溫度55 ℃,處理時間7 h.UHMWPE纖維的改性工藝為:硅烷偶聯(lián)劑KH-550質(zhì)量分數(shù)17.5%,處理溫度55 ℃,處理時間7 h.

1.2.2 試樣編織 芳綸和UHMWPE纖維在橫機上編織,通過多次試織得到較優(yōu)的編織工藝:彎紗深度15.5 mm,尺寸25 cm×25 cm,分別編織出滿針羅紋、圓筒形、羅紋空氣層組織.各組織的工藝參數(shù)如表1所示.

表 1 各種組織結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)Table 1 The technological parameters of various organizational structures

1.2.3 復(fù)合材料制備 根據(jù)GB/T2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》進行,制作改性處理前后芳綸纖維和超強聚乙烯纖維的環(huán)氧乙烯基酯樹脂澆注體,過氧化甲乙酮作為固化劑,異辛酸鈷為促進劑,在常溫下固化12 h.其中,環(huán)氧乙烯基酯樹脂、固化劑與促進劑的質(zhì)量比為100∶2∶1.通過模壓成型工藝制備出滿針羅紋、圓筒形、羅紋空氣層復(fù)合材料板.

1.3 性能測試

1.3.1 拉伸性能 根據(jù)GB/T1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》,測試芳綸與UHMWPE纖維交織增強體復(fù)合材料拉伸強度.其拉伸強度計算公式為

(1)

式中:σt為拉伸強度，MPa；F為破壞時的最大載荷，N；b為試樣寬度，mm;d為試樣厚度，mm.

1.3.2 壓縮性能 根據(jù)GB/T1447—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》,測試芳綸與UHMWPE纖維交織增強體復(fù)合材料壓縮強度.其壓縮強度計算公式為

(2)

式中:σc為壓縮強度，MPa；P為破壞載荷或最大載荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm.

1.3.3 彎曲性能 根據(jù)GB/T1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》,使用測試芳綸與UHMWPE纖維交織增強體復(fù)合材料的彎曲強度.其彎曲強度計算公式為

σf=3P·l/2b·h2.

(3)

式中:σf為彎曲強度，MPa；P為破壞時的最大載荷，N；l為跨距，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm.

表 2 增強體復(fù)合材料拉伸與壓縮性能Table 2 Tensile properties and compressive strength of reinforced composites

1.3.4 剪切性能 根據(jù)GB/T 28889—2012《復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能試驗方法》,測試復(fù)合材料層間剪切強度.其層間剪切強度計算公式為

σi=3P/4b·d.

(4)

式中:σi為層間剪切強度,MPa;P為破壞時的最大載荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

對改性前后3種不同組織增強體復(fù)合材料的拉伸強度進行測試,結(jié)果見表2.由表2可知,3種交織增強體復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強度均大于緯向拉伸強度.與未經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理的交織增強體復(fù)合材料相比,處理后復(fù)合材料的經(jīng)緯向拉伸強度均有較大提高.處理后的3種交織增強體復(fù)合材料中,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸強度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.羅紋空氣層緯編針織復(fù)合材料的緯向拉伸強度最大,滿針羅紋次之,圓筒形最小.結(jié)果表明,未處理纖維的界面粘結(jié)性能差,拉伸時會出現(xiàn)樹脂斷裂,織物還沒有拉斷,二者分離.但經(jīng)改性后,織物與樹脂之間的粘結(jié)性能得到較大的提高,復(fù)合材料幾乎沒有分層,拉伸強度得到提高.

2.2 壓縮性能

對改性前后3種不同組織增強體復(fù)合材料的壓縮性能進行測試，結(jié)果見表2.由表2可知，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理之后,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向壓縮強度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的緯向壓縮強度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.與未經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理過的相比,經(jīng)處理后的交織增強體復(fù)合材料的經(jīng)緯向壓縮強度都得到提高,且經(jīng)緯向壓縮強度相差不大.而增強體織物的經(jīng)緯向?qū)?fù)合材料的壓縮性能影響很小,是因為紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的壓縮性能主要取決于選用樹脂基體的性能,而增強體織物的經(jīng)緯向?qū)?fù)合材料的壓縮性能影響較小.

2.3 彎曲性能

對改性前后3種不同組織增強體復(fù)合材料的彎曲性能進行測試,結(jié)果見表3.從表3可以看出,經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理之后,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向彎曲強度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的緯向彎曲強度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.芳綸與超強聚乙烯交織增強體復(fù)合材料的經(jīng)向彎曲強度普遍大于緯向,但是經(jīng)處理后,緯向彎曲強度卻比經(jīng)向提高的多.分析發(fā)現(xiàn),各種織物的經(jīng)向是由互相串套線圈構(gòu)成,更容易自然的彎曲,而織物和樹脂復(fù)合時,緯向相對經(jīng)向纖維占的比例高,因此緯向彎曲強度的提高率高于經(jīng)向,可見硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理增強體織物可提高其復(fù)合材料的彎曲強度.

表 3 增強體復(fù)合材料彎曲與剪切性能Table 3 Bending strength and interlaminar shear strength of reinforced composites

2.4 剪切性能

對改性前后3種不同組織增強復(fù)合材料的層間剪切性能進行測試.結(jié)果見表3.從表3可知，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理之后,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向?qū)娱g剪切強度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的緯向?qū)娱g剪切強度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.未處理時各增強體復(fù)合材料層間剪切強度均在33.60 MPa以上,滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)、緯向復(fù)合材料的層間剪切強度最大.可看出改性后增強體表面不僅出現(xiàn)大量的細槽和孔洞等,增大了增強體與樹脂基體的接觸面積,同時增強體纖維上引入了極性基團,使芳綸與超強聚乙烯纖維交織增強體復(fù)合材料具有優(yōu)良的界面性能,層間剪切性能得到改善.

3 結(jié) 論

經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理之后,3種緯編針織復(fù)合材料經(jīng)向和緯向的拉伸、彎曲、壓縮和層間剪切強度都有所提高.滿針羅紋緯編針織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸、經(jīng)緯向彎曲、經(jīng)緯向壓縮和經(jīng)緯向?qū)娱g剪切強度最大,羅紋空氣層次之,圓筒形最小.而羅紋空氣層緯編針織復(fù)合材料的緯向拉伸強度最大,滿針羅紋次之,圓筒形最小.

參考文獻(References):

[1] 馬曉紅,秦志剛.雙羅紋襯緯緯編針織物增強復(fù)合材料的拉伸性能[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2016(8):78-81.

MA X H,QIN Z G.Tensile properties of the interlock laying-in weft knitted fabric reinforced composites[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,2016(8):78-81.

[2] 王春敏.針織復(fù)合材料力學性能的研究[J].材料導(dǎo)報,2011，25(11):277-280.

WANG C M.Study on the mechanical properties of knitted fabric composites[J].Materials Review,2011，25(11):277-280.

[3] 魏凱,秦志剛.緯編針織復(fù)合材料拉伸性能研究[J].上海紡織科技,2015，43(9):44-47.

WEI K,QIN Z G.Study on the tensile properties of weft knitted composite materials[J].Shanghai Textile Science & Technology,2015，43(9):44-47.

[4] 馬丕波,朱運甲,高雅,等.針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].玻璃纖維,2014(1):5-10.

MA P B,ZHU Y J,GAO Y,et al.Application and development of knitted composites[J].Fiber Glass,2014(1):5-10.

[5] 閆智敬,馬少華,付坤，等.芳綸表面改性及其與丁腈橡膠復(fù)合材料的性能研究[J].材料導(dǎo)報2016,30(10):116-121.

YAN Z J,MA S H,FU K,et al.Study on surface modification of poly-p-phenylene terephthamide fiber and properties of its NBR composites[J].Materials Review,2016,30(10):116-121.

[6] 劉冬冬,扈艷紅,張芳芳，等.疊氮苯并咪唑偶聯(lián)劑增強國產(chǎn)芳綸Ⅲ/聚三唑樹脂復(fù)合材料界面[J].復(fù)合材料學報,2017,34(2):336-344.

LIU D D,HU Y H,ZHANG F F,et al.Interfacial reinforcement of damestic aramid fiberⅢ/PTA composites using azide-containing benzimidezole coupling agent[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2017,34(2):336-344.

[7] 王彥杰,孟家光,張琳玫,等.芳綸針織物復(fù)合材料力學性能測試[J].合成纖維,2016,10(45):11-14.

WANG Y J,MENG J G,ZHANG L M,et al.Study on mechanical properties of aramid fiber knitted fabric reinforced composites[J].Synthetic Fiber in China,2016,10(45):11-14.

[8] 何淼.γ-射線輻照對國產(chǎn)芳綸纖維及其復(fù)合材料界面性能的影響[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2011.

HE M.Effects of γ-ray irradiation on indigenous aramid fiber and its composite interface performance[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2016.

[9] 劉曉巧,孟家光,田萌.UHMWPE纖維立體成型針織復(fù)合材料的設(shè)計與制作[J].針織工業(yè),2017(2):21-24.

LIU X Q,MENG J G,TIAN M.Development of three-dimensional knitted composite materials by using UHMWPE fiber[J].Knitting Industries,2017(2):21-24.

[10] 李春陽.超高分子量聚乙烯纖維表面改性及其橡膠基復(fù)合材料性能研究[D].寧波:寧波大學,2015.

LI C Y.Surface modification of ultra-high molecular weight polyethylene fiber and properties of its rubber matrix composites[D].Ningbo:Ningbo University,2015.

[11] 達巍峰.超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè),2011(9):17-20.

DA W F.Present situation and development of UHMWPE[J].Advanced Materials Industry,2011(9):17-20.

[12] 張恒,王李波,高譽鵬,等.納米改性增強超高分子量聚乙烯復(fù)合材料研究進展[J].材料導(dǎo)報,2016,30(5):33-39.

ZHANG H,WANG L B,GAO Y P,et al.Research progress of nano-modified ultra-high molecular weight polyethylene composites[J].Materials Review,2016,30(5):33-39.

[13] 李春陽,李微微,李瑞培,等.超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合表面改性及其橡膠基復(fù)合材料的力學性能[J].復(fù)合材料學報,2015,32(2):409-419.

LI C Y,LI W W,LI R P,et al.Compound surface modification of ultra-high molecular weight polyethylene fiber and mechanical properties of its rubber matrix composites[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2015,32(2):409-419.

[14] 張永冰.有機硅氧烷交聯(lián)改性超高分子量聚乙烯[D].北京:北京化工大學,2011.

ZHANG Y B.Cross-linked modification of ultra high molecular weight polyethylene by silane[D].Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2011.

[15] 郝露,孫穎,張鶴江,等.芳綸/炭混編三維編織復(fù)合材料力學性能實驗[J].固體火箭技術(shù),2015,38(5):727-732.

HAO L,SUN Y,ZHANG H J,et al.Experimental investigation on the mechanical properties of kevlar/carbon hybrid 3D braided composites[J].Journal of Solid Rocket Technology,2015,38(5):727-732.

[16] 袁玉華.碳纖維緯編針織復(fù)合材料的制備與性能[D].石家莊：河北科技大學,2016.

YUAN Y H.Preparation and properties of carbon fiber weft knitted fabric reinforced composites[D].Shijiazhuang:Hebei University of Science and Technology,2016.

[17] 李翠玉,羅岳文,賈靜艷,等.不同結(jié)構(gòu)UHMWPE纖維緯編針織復(fù)合材料彎曲性能[J].材料工程,2015,43(11):84-90.

LI C Y,LUO Y W,JIA J Y,et al.Bending properties of uhmwpe fiber weft knitted composites with different structures[J].Journal of Materials Engineering,2015,43(11): 84-90.