王旭輝 丁沫丹 陳慰來(lái) 王金鳳

Study on the preparation and properties of warp knitted spacer fabrics/siliconrubber flexible composites

摘要：?文章選用了5種經(jīng)編間隔織物作為柔性緩沖材料的骨架，將硅橡膠作為填充料與經(jīng)編間隔織物進(jìn)行復(fù)合，制備具有不同填充率的柔性緩沖材料。從微觀結(jié)構(gòu)觀察不同填充率的柔性緩沖材料中硅橡膠分布情況，并研究其靜態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)沖擊性能。結(jié)果表明，隨著填充率的提高，柔性緩沖材料緩彈性減弱，硬度增加，承受的最大壓縮載荷增強(qiáng)，當(dāng)壓縮率50%時(shí)，其壓縮載荷最高可達(dá)織物的72倍。經(jīng)過(guò)回歸分析，可以探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柔性緩沖材料沖擊性能之間的關(guān)系和不同填充率的柔性緩沖材料所能承受最大壓縮載荷量的關(guān)系。因此，填充率對(duì)柔性緩沖材料的緩沖能力有顯著影響，較小的填充率能改善經(jīng)編間隔織物的緩沖性能和力學(xué)性能，提高了緩壓和抗沖擊的能力，有利于其在防具和保護(hù)器具等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：?經(jīng)編間隔織物;硅橡膠;柔性緩沖材料;壓縮性能;低速?zèng)_擊性能;防護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：?TS101.923? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：?A? ??文章編號(hào)： 10017003（2023）090017

引用頁(yè)碼：?091103? ? DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2023.09.003（篇序）

經(jīng)編間隔織物是具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的三維立體織物，通過(guò)間隔絲連接上、下兩個(gè)獨(dú)立的表層織物，并使其保持一定間距而形成的［1］。利用其獨(dú)特的三明治結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)多樣性和優(yōu)良的力學(xué)性能、壓縮性能等優(yōu)勢(shì)，使經(jīng)編間隔織物能夠被廣泛應(yīng)用于具有緩沖、耐壓的復(fù)合材料增強(qiáng)體中［2］。然而，經(jīng)編間隔織物本身的性能具有一定的局限性，使用硅橡膠對(duì)其填充來(lái)改善其性能變得至關(guān)重要。目前，馬明英等［3］選用7種不同組織結(jié)構(gòu)經(jīng)編間隔織物為骨架，與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)構(gòu)控制劑的改性硅橡膠復(fù)合，對(duì)柔性復(fù)合材料進(jìn)行靜態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)沖擊性能測(cè)試，結(jié)果表明，填充硅橡膠后間隔織物的緩沖性能得到提高。陸振乾等［1］對(duì)剪切增稠液（STF）和硅橡膠填充經(jīng)編間隔織物（WKSF）柔性復(fù)合材料沖擊性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，復(fù)合材料的沖擊過(guò)程與純織物有著明顯的不同，加入剪切增稠液的復(fù)合材料有良好的能量吸收性能和明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，沖擊性能有所改善。張曉會(huì)等［4］將兩種組分的硅橡膠混合后，填充到經(jīng)編間隔織物的間隔層中，進(jìn)行3 000次的反復(fù)壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，硅橡膠的填充率和壓縮率對(duì)經(jīng)編間隔織物的抗壓疲勞性有影響，復(fù)合材料的緩彈性性能有所提高。因此，使用硅橡膠對(duì)經(jīng)編間隔織物填充改善了織物本身的性能，本文探究不同填充率的柔性緩沖材料的緩沖能力與力學(xué)性能，用多元回歸分析得出它們之間的關(guān)系，擴(kuò)大了經(jīng)編間隔織物的應(yīng)用領(lǐng)域。硅橡膠主鏈由硅原子和氧原子交替連接組成，側(cè)基為有機(jī)基團(tuán)，是一種半有機(jī)、半無(wú)機(jī)高分子彈性體，具有耐高低溫性、耐候性及電絕緣性，在航空航天、電子工業(yè)和醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［5］。硅橡膠固化反應(yīng)條件靈活，容易硫化，產(chǎn)物柔順性高，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低［6］。但是，硅橡膠主鏈相互作用較弱，導(dǎo)致其機(jī)械性能較差，限制了硅橡膠應(yīng)用，因此固化體系改性是硅橡膠功能提升的有效途徑之一［7］。呂浩浩等［8］對(duì)溫室硫化硅橡膠的固化體系進(jìn)行了研究，提高了溫室硫化硅橡膠的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、疏水性及耐候性。為有效改善經(jīng)編間隔織物的性能，本文采用硅橡膠作為增強(qiáng)劑填充經(jīng)編間隔織物來(lái)制備柔性緩沖材料。

1 材料與測(cè)試

1.1 材料準(zhǔn)備

本文采用5種不同組織結(jié)構(gòu)的經(jīng)編間隔織物，并用硅橡膠進(jìn)行填充。硅橡膠XC-107主要化學(xué)成分為聚二甲基硅氧烷，催化劑主要成分是二月桂酸二丁基錫，交聯(lián)劑為正硅酸乙酯（山東興馳化工科技有限公司）。

經(jīng)編間隔織物均由滌綸編織，間隔絲為滌綸單絲，由RD 6/3-15拉舍爾雙針床經(jīng)編機(jī)（德國(guó)卡爾邁耶公司）制備。本文選用單面網(wǎng)眼與緊密組織組合組織和雙面網(wǎng)眼組織，上層網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)使硅膠容易填充，下層致密結(jié)構(gòu)使硅膠容易保留，以圖1（a）中織物1#的間隔層為例，測(cè)量其間隔絲排列密度、傾斜角度、直徑。5種織物基本參數(shù)如表1所示，正反面組織實(shí)物如圖1（b）（c）所示。

1.2 柔性緩沖材料的制備

用表1中5種經(jīng)編間隔織物為骨架，以硅橡膠為基體，在模具中制備經(jīng)編間隔織物/硅橡膠復(fù)合材料。雙組分硅橡膠的固化時(shí)間與催化劑的種類(lèi)、用量和溫度有關(guān)，增加催化劑的用量可以減少硅橡膠固化時(shí)間。為避免因硅橡膠固化時(shí)間太短，導(dǎo)致其黏度增加，造成織物浸潤(rùn)不均勻的問(wèn)題，本試驗(yàn)將織物裁剪成正方形（3 cm×3 cm），采用無(wú)水乙醇浸泡織物，并使用去離子水沖洗干凈后，晾干備用。將上述織物放入模具中，稱(chēng)取一定量的硅橡膠原液，加入4%的催化劑，混合均勻后倒入模具，用刮刀使硅橡膠溶液浸透織物并排出氣泡，固化2 h后得到柔性緩沖材料?？椢锱c柔性緩沖材料的體積參數(shù)如表2所示。

按照上述步驟分別制備硅橡膠填充率為30%、50%、70%、100%的柔性緩沖材料，如圖2所示。硅橡膠填充量的計(jì)算公式［8］如下：

M=A%×V×ρ（1）

式中：M是硅橡膠所需量，g;A%為填充率，即硅橡膠與織物的體積比;V是經(jīng)編間隔織物的體積，cm3;ρ是硅橡膠密度，1.08 g/cm3。

1.3 掃描電子顯微鏡測(cè)試

采用JSM-5610LV掃描電子顯微鏡對(duì)不同硅橡膠填充率的柔性緩沖材料（3 cm×3 cm）截面進(jìn)行放大50倍拍攝，觀察硅橡膠的填充情況。

1.4 拉伸性能測(cè)試

采用YG026D型電子織物強(qiáng)力機(jī)，參照GB/FR 3923.1《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力的測(cè)定條樣法》，設(shè)置拉伸速度為100 mm/min，采用等速伸長(zhǎng)對(duì)柔性緩沖材料進(jìn)行測(cè)試。

1.5 壓縮性能測(cè)試

采用Instron 3367型雙立柱臺(tái)式電子試驗(yàn)機(jī)，參照FZ/T 01051.1—1998《紡織材料和紡織制品壓縮性能第1部分：耐久壓縮特性的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試，壓縮速度為15 mm/min，選擇壓縮率分別為25%和50%，對(duì)柔性緩沖材料（3 cm×3 cm）進(jìn)行靜態(tài)壓縮性能測(cè)試。

1.6 低速?zèng)_擊性能測(cè)試

采用Instron CEAST 9340落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊速度設(shè)置為1 m/s，沖擊頭做自由落體運(yùn)動(dòng)沖擊試樣（3 cm×3 cm），得到?jīng)_擊力（N）、能量（J）、沖擊速度（m/s）、試樣沖擊位移（mm）等低速?zèng)_擊性能數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 柔性緩沖材料截面分析

本文以1#織物為例，不同填充率的經(jīng)編間隔織物截面如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著填充率的增加，經(jīng)編間隔織物的中間層逐漸被硅橡膠填充，空隙逐漸減少。從未填充的1#經(jīng)編間隔織物截面明顯觀察到間隔絲清晰可見(jiàn)，此時(shí)經(jīng)編間隔織物自身承受壓力;當(dāng)填充率為30%時(shí)，只有少量的間隔絲被硅橡膠包裹;當(dāng)填充率為50%時(shí)，經(jīng)編間隔織物的間隔層空隙變小，且能夠清晰地看到硅橡膠包裹部分的間隔絲;當(dāng)填充率為70%時(shí)，經(jīng)編間隔織物的間隔層幾乎被填滿，絕大部分的間隔絲被硅橡膠包裹，使得在受到外力沖擊時(shí)，硅橡膠能夠承擔(dān)大部分的力;當(dāng)填充率為100%時(shí)，間隔層不再有空隙，間隔絲完全被硅橡膠所包裹。

柔性緩沖材料的基本性能如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，隨著填充率的增加，柔性緩沖材料的平方米質(zhì)量逐漸增加，5種柔性緩沖材料的平方米質(zhì)量變化過(guò)程基本相同;由圖4（b）可知，在填充率為30%、50%、70%時(shí)，各個(gè)柔性緩沖材料厚度均小于未填充緩沖材料的厚度，這是由于硅橡膠把織物的表面毛羽包裹，中間部分的間隔層也變得緊湊，但當(dāng)填充率為100%時(shí)，間隔層被填充滿，經(jīng)編間隔織物被硅橡膠充分填充，厚度增加;由圖4（c）（d）可知，隨著填充率的增加，柔性緩沖材料的拉伸力和松弛力也隨之增加，說(shuō)明硅橡膠的填充改善了織物的拉伸性能。

2.2 柔性緩沖材料的壓縮性能分析

2.2.1 填充率對(duì)柔性緩沖材料壓縮性能的影響

在壓縮應(yīng)變?yōu)?5%和50%時(shí)，本文對(duì)不同填充率經(jīng)編間隔織物的壓縮性能進(jìn)行探究。當(dāng)壓縮應(yīng)變從0上升到25%時(shí)，載荷—壓縮應(yīng)變曲線類(lèi)似于線性變化;當(dāng)壓縮應(yīng)變到達(dá)或超過(guò)50%時(shí)大部分的經(jīng)編間隔織物進(jìn)入屈服階段。所以，壓縮應(yīng)變?yōu)?5%、50%相對(duì)有代表性，能夠準(zhǔn)確反映柔性緩沖材料的壓縮性能。

圖5為不同填充率的柔性緩沖材料在壓縮率為25%時(shí)的載荷—壓縮應(yīng)變曲線和在25%壓縮率下的載荷對(duì)比。從圖5

（a）可以看出，經(jīng)編間隔織物1#、2#、3#、4#的壓縮經(jīng)歷了兩個(gè)階段，第一階段曲線斜率較大且類(lèi)似于線性狀態(tài)，此時(shí)織物表面受力壓縮;第二階段曲線斜率變小且呈非線性狀態(tài)上升，此時(shí)織物內(nèi)部間隔絲受力壓縮。經(jīng)編間隔織物5#曲線斜率變化是由小變大，主要原因?yàn)槠溟g隔絲承受載荷較大。填充率為30%時(shí)，圖5（b）中曲線更加接近線性狀態(tài)，特別是經(jīng)編間隔織物1#、2#、5#，承受載荷能力有明顯的增加，這時(shí)硅橡膠僅包裹小部分的間隔絲，主要的受力為間隔絲與附著在間隔絲的硅橡膠。從圖5（c）可以看出，當(dāng)填充率為50%時(shí)，壓縮率大于8%左右后曲線斜率突然變大，其中2#載荷能力最大，3#、4#、5#載荷能力相近，載荷能力比填充率為30%時(shí)的柔性緩沖材料繼續(xù)增加。這是因?yàn)樘畛渎?0%時(shí)更多間隔絲被硅橡膠所包裹，間隔絲之間的空隙得到部分填充，承受載荷能力提升。從圖5（d）可以看出，當(dāng)填充率為70%時(shí)，壓縮率大于10%左右后，曲線的斜率增加，填充率為50%與70%的曲線所經(jīng)歷階段相似，1#、2#、3#、4#的曲線相近，承受載荷能力與純織物相比成倍數(shù)增加。此時(shí)絕大部分間隔絲被硅橡膠所包裹并且間隔絲之間的空隙更少，線性狀態(tài)的曲線斜率緩慢增大，這說(shuō)明柔性緩沖材料中承受

壓力的主要是硅橡膠，且內(nèi)部沒(méi)有被完全壓實(shí)。從圖5（e）可以看出，當(dāng)填充率為100%時(shí)，承受載荷能力明顯變大，可達(dá)到純織物的數(shù)十倍，曲線基本呈現(xiàn)線性狀態(tài)，5種材料承受載荷的變化趨勢(shì)基本相同，此時(shí)硅橡膠完全包裹間隔絲，承受著大部分的壓縮載荷。綜上分析，硅橡膠/經(jīng)編間隔織物復(fù)合柔性緩沖材料隨著填充率的增加，承受載荷能力也逐漸增強(qiáng)。

圖6為不同填充率的柔性緩沖材料在壓縮率為50%時(shí)的載荷—壓縮應(yīng)變曲線和在50%壓縮率下的載荷對(duì)比。從圖6（a）可以看出，當(dāng)壓縮應(yīng)變接近50%時(shí)，未填充硅橡膠的經(jīng)編間隔織物1#、4#、5#載荷—壓縮應(yīng)變曲線出現(xiàn)了屈服階段，斜率逐漸變小，但經(jīng)編間隔織物2#、3#載荷—壓縮應(yīng)變曲線仍有上升趨勢(shì)。圖6（b～e）表示不同柔性緩沖材料在相同填充率下，載荷—壓縮應(yīng)變曲線相似。當(dāng)硅橡膠填充率為30%、50%、70%、100%時(shí)，柔性緩沖材料所承受載荷能力逐漸增加，與純織物相比增加了幾十倍，增加最多的為織物2#。在壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，純織物2#所承受的壓縮載荷為8.85 N，當(dāng)填充率為100%時(shí)所承受壓縮載荷為642.43 N，是純織物的72倍左右。綜上所述，增加硅橡膠的填充率可以成倍數(shù)地提高柔性緩沖材料的載荷能力。當(dāng)柔性緩沖材料受到較小壓縮率時(shí)，主要承受壓力的是間隔絲和少量附著在間隔絲的硅橡膠;當(dāng)填充率增大時(shí)，主要承受壓力的是硅橡膠，此時(shí)柔性緩沖材料被壓實(shí)，承受載荷能力成倍數(shù)增加。

為了探究填充率與最大載荷的線性關(guān)系，本文用Matlab軟件對(duì)不同填充率柔性緩沖材料的壓縮載荷進(jìn)行擬合，最終經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇二項(xiàng)式作為擬合曲線模型。這能夠較為直觀地表達(dá)出填充率與最大壓縮載荷之間的關(guān)系，推算出不同填充率對(duì)壓縮載荷的影響。壓縮率為50%的壓縮載荷—填充率擬合函數(shù)表達(dá)式如表3所示。

由表3可見(jiàn)，所有R2均大于等于0.95，說(shuō)明壓縮載荷與填充率有較好的擬合關(guān)系，因此可以根據(jù)擬合的函數(shù)表達(dá)式來(lái)推測(cè)出不同填充率柔性緩沖材料所能承受的最大壓縮載荷，也可以根據(jù)擬合方程來(lái)反推出柔性緩沖材料所需承受最大壓縮載荷時(shí)的填充率，為進(jìn)一步地探究提供參考。

2.2.2 壓縮率對(duì)柔性緩沖材料壓縮性能的影響

以1#織物為例，探究壓縮率對(duì)柔性緩沖材料壓縮性能的影響，填充率分別為0%、30%、50%、70%、100%柔性緩沖材料在壓縮應(yīng)變?yōu)?5%、50%時(shí)的載荷—壓縮應(yīng)變曲線如圖7所示。

從圖7（a）可知，當(dāng)壓縮應(yīng)變較小時(shí)，柔性緩沖材料的載荷—壓縮應(yīng)變曲線類(lèi)似于線性，說(shuō)明在壓縮應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，柔性緩沖材料沒(méi)有被壓實(shí)，而隨著填充率的增加，曲線斜率增加，柔性緩沖材料具有較好的緩彈性;曲線在壓縮應(yīng)變33%左右時(shí)斜率有明顯變化，當(dāng)填充率為30%、50%時(shí)斜率變大上升，當(dāng)填充率為70%、100%時(shí)斜率先變大后變小，因?yàn)楫?dāng)填充率較小時(shí)間隔層內(nèi)空隙較多，間隔絲和硅橡膠共同承受載荷，填充率較大時(shí)間隔層空隙較少，承受載荷的主要為硅橡膠。此外，隨著壓縮應(yīng)變的增加，柔性緩沖材料被逐漸壓實(shí)，此時(shí)柔性緩沖材料有較好的抗壓能力。

圖7（b）為使用Matlab繪制柔性緩沖材料的樣條插值［9］三維圖。隨著填充率和壓縮率的變化，柔性緩沖材料的壓縮載荷呈現(xiàn)“山”型變化，且隨著填充率和壓縮率的增加壓縮載荷也隨之增加，在填充率為100%、壓縮率為50%時(shí)，壓縮載荷達(dá)到峰值，為773.65 N。根據(jù)插值進(jìn)行預(yù)測(cè)，以硅橡膠作為填料，選用三維插值圖中高亮區(qū)的參數(shù)，可以有效提高復(fù)合柔性緩沖材料的抗壓性能。

2.2.3 經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與柔性緩沖材料壓縮性能的關(guān)系

影響柔性緩沖材料壓縮性能的因素很多，需要構(gòu)造一個(gè)因變量與多個(gè)自變量間的線性數(shù)量關(guān)系模型。其數(shù)學(xué)模型［10］為：

Y=β0+β1X1+β2X2+…+βnXn+ε（2）

ε～N（0，δ2）（3）

式中：βi（i=0，1，2，…，n）為偏回歸系數(shù)，ε表示回歸值與測(cè)量值之間的誤差;E（ε）=0?；貧w系數(shù)采用最小二乘法確定。

本文用定壓縮率壓縮，壓縮載荷代表柔性緩沖材料的抗壓能力，壓縮載荷越大抗壓性越強(qiáng)。編號(hào)和自變量如表4所示。

填充率對(duì)柔性緩沖材料抗壓性能影響比較大，采用SPSS軟件對(duì)壓縮應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，30%、50%、70%、100%填充率柔性緩沖材料的應(yīng)變載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，建立經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與柔性緩沖材料壓縮性能的關(guān)系模型，如表5所示。

由表5可見(jiàn)，R2均大于0.95，說(shuō)明經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與柔性緩沖材料壓縮性能的關(guān)系模型可靠?？蛇M(jìn)一步根據(jù)此模型推測(cè)出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)編間隔織物制備的不同填充率柔性緩沖材料能承受的最大載荷。

使用SPSS軟件得到各自變量標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，用此來(lái)判斷經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓縮性能的影響。此外，因?yàn)楦鱾€(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的單位不同，需要消除量綱將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，本文選取Min-Max法無(wú)量綱化處理各組數(shù)據(jù)［11］。計(jì)算公式如下：

式中：X′i是標(biāo)準(zhǔn)化后的新數(shù)據(jù);Xi是原始數(shù)據(jù);Ximin是一組原始數(shù)據(jù)中最小值;Ximax是一組原始數(shù)據(jù)中最大值。

自變量的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)如表6所示。

根據(jù)表6可得到經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)與不同填充率柔性緩沖材料壓縮性能之間的關(guān)系。不同的填充率，經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柔性緩沖材料壓縮性能影響不同，發(fā)生改變的是間隔絲排列密度和間隔絲傾斜角度。當(dāng)填充率較小時(shí)，主要受力的為經(jīng)編間隔織物，所以間隔絲的排列密度對(duì)壓縮性能的影響比較大。當(dāng)填充率逐漸變大時(shí)，主要受力的為緩沖材料間隔層中的硅橡膠，所以間隔絲傾斜角度對(duì)壓縮的性能影響變大。當(dāng)填充率為30%和50%時(shí)，經(jīng)編間隔織物結(jié)

構(gòu)參數(shù)影響大小排列為織物厚度>間隔絲排列密度>間隔絲傾斜角度>間隔絲直徑;當(dāng)填充率為70%和100%時(shí)，經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)影響大小排列為織物厚度>間隔絲傾斜角度>間隔絲排列密度>間隔絲直徑。

2.3 柔性緩沖材料的動(dòng)態(tài)沖擊性能分析

2.3.1 柔性緩沖材料的載荷—時(shí)間曲線

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了沖擊速度為1 m/s時(shí)，5種經(jīng)編間隔織物在不同硅橡膠填充率下的沖擊載荷—時(shí)間曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，純織物與柔性緩沖材料的沖擊載荷—時(shí)間曲線都只有一個(gè)彈性階段，但是出現(xiàn)的時(shí)間與彈性形態(tài)不同。這是因?yàn)榻?jīng)編間隔織物受到?jīng)_擊時(shí)，間隔絲被快速地壓縮，支撐力比較小;當(dāng)填充了硅橡膠后，柔性緩沖材料受到?jīng)_擊時(shí)，間隔絲與硅橡膠一起抵抗沖擊。在相同的沖擊速度情況下，硅橡膠的填充使得經(jīng)編間隔織物的抗沖擊力得到了很好的改善。當(dāng)沖擊速度一定時(shí)，試樣所受沖擊能量相同，吸收的能量越多，其最大沖擊載荷峰就越小，表明材料的緩沖性能越好［12］。從圖8還可知，5種不同經(jīng)編間隔織物作為增強(qiáng)體，同一種織物的不同填充率所制作的柔性緩沖材料吸收的能量不同，填充率越大的柔性緩沖材料吸收能量越多，所以緩沖性能越好，其曲線形態(tài)不同，說(shuō)明硅橡膠填充率對(duì)緩沖材料的沖擊性能有一定的影響。

2.3.2 填充率對(duì)柔性緩沖材料沖擊性能的影響

5種不同硅橡膠填充率柔性緩沖材料的載荷—時(shí)間曲線如圖9所示。

從圖9（a）可以看出，織物1#、3#、4#、5#在沒(méi)有填充時(shí)，沖擊性能相差不大，與填充率為100%時(shí)的載荷時(shí)間曲線形狀相似，因?yàn)?#、3#、4#、5#為大孔徑經(jīng)編間隔織物，2#為小孔徑經(jīng)編間隔織物，當(dāng)填充率為100%時(shí)的柔性緩沖材料1#、3#、4#、5#比2#的所含硅橡膠量要多。從圖9（b～e）可以看出，當(dāng)時(shí)間達(dá)到2 s左右時(shí)，5種織物制備的柔性緩沖材料所承受的載荷達(dá)到一個(gè)峰值。從圖9（f）得出，隨著填充率的提高，5種織物制備的柔性緩沖材料所承受的載荷量也在減少，說(shuō)明填充的硅橡膠可以提高織物的緩沖能力。

緩沖材料沖擊能量—時(shí)間曲線可分為兩個(gè)部分：一部分是材料吸收的能量，這部分包含了材料在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的熱能和沖擊頭的震動(dòng)等。另一部分是材料未吸收的能量即反彈能量，這部分能量是在沖擊過(guò)程中先被材料以彈性形變的方式吸收，而后又將這部分能量反還給沖擊頭。這個(gè)過(guò)程可以用下式［13］表示：

Etotal=Ea+Er（5）

式中：Etotal是總沖擊能量，J;Ea是復(fù)合材料吸收的能量，J;Er是復(fù)合材料未吸收的能量（反彈能量），J。

由式（5）可知，材料吸收和未吸收的能量和為沖擊總能量，其中忽略在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊系統(tǒng)震動(dòng)。緩沖材料不僅希望在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生較小的最大沖擊力載荷，同時(shí)能延長(zhǎng)反彈區(qū)和平緩區(qū)的長(zhǎng)度，即延緩復(fù)合材料進(jìn)入密實(shí)區(qū)的時(shí)間。

從圖10（a）可知，柔性緩沖材料1#隨著填充率的增加，柔性緩沖材料的反彈能力也在逐漸增加，彈性越好。經(jīng)過(guò)硅橡膠的填充延緩了經(jīng)編間隔織物進(jìn)入平緩區(qū)的時(shí)間，延長(zhǎng)了平緩區(qū)的長(zhǎng)度，改善了織物的性能。除織物本身外，柔性緩沖材料約2.5 s后都進(jìn)入了緩沖區(qū)，當(dāng)填充率為50%時(shí)，平緩區(qū)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，此時(shí)的柔性緩沖材料既有被硅橡膠包裹的間隔絲也有足夠的內(nèi)部空間，緩沖的空間比較大。

圖10（b）是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Matlab軟件得到的填充率—厚度—沖擊載荷三維插值圖。從圖10（b）可知，柔性緩沖材料的沖擊載荷受厚度的影響較大，填充率的影響較小，所以在生產(chǎn)中可以?xún)?yōu)先把厚度較大的間隔織物作為增強(qiáng)體，可有效提高柔性緩沖材料吸收沖擊力的能力，填充率和厚度參數(shù)可參考圖中藍(lán)色區(qū)域，此時(shí)柔性緩沖材料的緩沖性能相對(duì)較好。

2.3.3 經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與柔性緩沖材料沖擊性能的關(guān)系

本試驗(yàn)采用定速?zèng)_擊，選用最大沖擊載荷來(lái)表示柔性緩沖材料的沖擊性能，沖擊載荷越小抗沖擊性能越好。因變量y為最大沖擊載荷，自變量x有織物厚度、間隔絲排列密度、間隔絲傾斜角度、間隔絲直徑，自變量x因素編號(hào)與表4相同。

采用SPSS軟件對(duì)填充率30%、50%、70%和100%的柔性緩沖材料數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，得到非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，建立最大沖擊載荷與經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型，如表7所示。

由表7可見(jiàn)，R2均大于0.95，說(shuō)明柔性緩沖材料沖擊載荷預(yù)測(cè)模型模型可靠?？筛鶕?jù)此模型預(yù)測(cè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)編間隔織物制備的不同填充率柔性緩沖材料的最大沖擊載荷。

使用SPSS軟件分析數(shù)據(jù)后每個(gè)自變量的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)如表8所示。

由表8可知，經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同填充率柔性緩沖材料沖擊性能的影響不同，當(dāng)填充率為30%、50%、70%時(shí)，影響大小排序?yàn)榭椢锖穸?gt;間隔絲傾斜角度>間隔絲排列密度>間隔絲直徑。此時(shí)織物厚度對(duì)柔性緩沖材料的沖擊性能影響最大，這是因?yàn)樵谙嗤拿娣e下，厚度由填充的硅橡膠的量決定，厚度越大硅橡膠填充的越多，當(dāng)沖擊頭下落接觸材料時(shí)分散的能量也越多;間隔絲傾斜角度影響次之，這是因?yàn)榭椢镩g隔絲的傾斜角度越小對(duì)來(lái)自垂直的沖擊力抵抗力越弱。對(duì)填充率為100%的柔性緩沖材料沖擊性能的影響大小排序?yàn)殚g隔絲排列密度>織物厚度>間隔絲傾斜角度>間隔絲直徑。此時(shí)間隔絲排列密度越大，單位面積間隔絲越多，對(duì)其制備的柔性緩沖材料沖擊性能越好。經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，柔性緩沖材料沖擊性能影響大小會(huì)受到填充率的影響。

3 結(jié) 論

1） 硅橡膠可以提高經(jīng)編間隔織物承受載荷的能力，隨著填充率的提高，承受載荷的能力成倍數(shù)增長(zhǎng)。當(dāng)填充率為30%、50%時(shí)，硅橡膠填充柔性緩沖材料具有良好的緩彈性;當(dāng)填充率為70%、100%時(shí)，硅橡膠/經(jīng)編間隔織物柔性緩沖材料具有良好的抗壓性。

2） 填充率對(duì)柔性緩沖材料的承受載荷能力有顯著影響，經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柔性緩沖材料的承受載荷能力有一定的影響。當(dāng)填充率不同時(shí)，經(jīng)編間隔織物的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的程度不同，當(dāng)填充率為30%和50%時(shí)，經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較大的為織物厚度>間隔絲排列密度>間隔絲傾斜角度>間隔絲直徑;當(dāng)填充率為70%和100%時(shí)，經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)影響大小排列為織物厚度>間隔絲傾斜角度>間隔絲排列密度>間隔絲直徑。此外，柔性緩沖材料最大壓縮載荷與填充率和經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)存在多元線性回歸關(guān)系，這為以后硅橡膠/經(jīng)編間隔織物復(fù)合材料應(yīng)用在緩沖領(lǐng)域提供理論參考。

3） 填充率與織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以影響柔性緩沖材料的緩沖能力。填充率對(duì)柔性緩沖材料的緩沖能力有顯著影響，較小的填充率就能改善經(jīng)編間隔織物的緩沖性能;同時(shí)，通過(guò)柔性緩沖材料填充率—厚度—沖擊載荷三維插值圖，得出厚度對(duì)緩沖性能的影響比較大，可以?xún)?yōu)先考慮厚度較大的經(jīng)編間隔織物作為增強(qiáng)體，以有效提高柔性緩沖材料吸收沖擊力的能力，填充率和厚度參數(shù)可參考圖中藍(lán)色區(qū)域，優(yōu)化工藝參數(shù)，減少企業(yè)生產(chǎn)成本。此外，采用多元線性回歸分析經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柔性緩沖材料最大沖擊載荷的影響，建立不同填充率復(fù)合材料的最大沖擊載荷與經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型;根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)分析經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柔性緩沖材料沖擊載荷的影響大小，為應(yīng)用在緩沖領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ)。

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Study on the preparation and properties of warp knitted spacer fabrics/siliconrubber flexible composites

WANG Xuhui1，2， DING Modan1， CHEN Weilai1， WANG Jinfeng1，2

（1a.College of Textile Science and Engineering; 1b.International Institute of Silk， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;2.Zhejiang Sci-Tech University Huzhou Research Institute Co.， Ltd.， Huzhou 313000， China）

Abstract：?To reduce the damage of external impact on the human body， there are sponges， foams and other cushioning materials on the market at present. However， their preparation process and use cause environmental pollution. It is urgent to develop flexible cushioning materials with lightness， softness， durability， superior performance， environmental friendliness and low carbon emissions as helmet linings and insoles.

In this paper， five kinds of warp-knitted spacer fabrics with the same raw materials but different organizational structures were selected as the reinforcing matrix， and silicone rubber was used as the filler to prepare flexible cushioning materials with different filling rates. The compression and cushioning properties were tested and analyzed， and the relationship between the process parameters and properties of the cushioning materials was explored. When the filling rate is 30% and 50%， the flexible buffer material has good elasticity. When the filling rate is 70% and 100%， the flexible buffer material has good compression resistance. Under the same filling rate of different fabrics， the shape of the compression load curve is similar. The load capacity of the flexible buffer material with silicone rubber filling rate of 30%， 50%， 70% and 100% increases as a multiple of the pure fabric. There is a multiple linear regression relationship between the maximum compression and impact load of the flexible cushioning material and the filling rate and the structural parameters of the warp knitted spacer fabric. The process parameters of warp knitted spacer fabrics have different effects on the load performance of buffer materials with different filling rates. When the filling rate is large， the hardness of the flexible buffer material is strengthened and the slow elasticity is weakened. Selecting the highlight zone parameters in the figure can reduce the use of silicone rubber. The filling rate has a significant effect on the cushioning capacity of the flexible cushioning material. A small filling rate can improve the cushioning performance of the warp knitted spacer fabric. The thickness of the warp-knitted spacer fabric has a great influence on the cushioning performance of the flexible cushioning material. The filling rate and thickness parameters can refer to the blue area in the figure to reduce the production cost of the enterprise. In this paper， silicone rubber is filled in the warp knitted spacer fabric， and the influence of filling rate and fabric structure on the performance of the flexible buffer material is investigated. Greenhouse silicone rubber can improve the load bearing capacity and buffering capacity of warp knitted spacer fabrics. With the increase of the filling rate， the load and impact resistance increase exponentially. The filling rate has a great influence on the load capacity of the flexible cushioning material， and the thickness of the warp knitted spacer fabric has a significant influence on the cushioning capacity of the flexible cushioning material. This flexible cushioning material can be applied to the fields of cushioning or protection.

The manufacturing process of this flexible buffer material has basically no pollution to the environment and meets the requirements of environmental protection. Flexible cushioning materials have the ability to slow down and impact resistance， which can protect the body and have great application prospects in the fields of protection and buffering.

Key words：?warp knitted spacer fabric; silicon rubber; flexible cushioning materials; compression performance; low-speed impact performance; protection