緯編針織復(fù)合材料的原料及結(jié)構(gòu)*

馮亞男 李翠玉 (天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387)

增強體原料和基體材料復(fù)合而成為復(fù)合材料。在紡織復(fù)合材料的發(fā)展中，緯編針織結(jié)構(gòu)增強復(fù)合材料的應(yīng)用較晚［1-4］，但由于它具有一些良好的力學(xué)性能，如較好的能量吸收性能﹑抗沖擊性能等，越來越受到人們的重視［5］。本文闡述了近年來緯編針織結(jié)構(gòu)增強復(fù)合材料采用的主要增強體原料、基體材料和增強體結(jié)構(gòu)，并展望其發(fā)展前景。

1 增強體原料

增強體原料一般采用高強高模纖維，主要有碳纖維［6］、玻璃纖維［7-17］、芳綸［6-8］、滌綸［9］、高強聚乙烯纖維［6，8，10］等，最常用的是玻璃纖維和滌綸。碳纖維在針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的應(yīng)用較少，但在整個復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用很多，主要用在航天航空、汽車等領(lǐng)域，碳纖維在航天領(lǐng)域的應(yīng)用以高強中模為主。芳綸作為一類新型高科技合成纖維主要分為兩種，即間位芳綸(PMIA)和對位芳綸(PPTA)。芳綸質(zhì)量輕、耐酸、耐堿、耐高溫，屬超高強度高模量纖維，具有良好的絕緣性和抗老化性能，且生命周期長。雖然玻璃纖維的性能低于芳綸、高強聚乙烯纖維、碳纖維，但由于玻璃纖維價格便宜，故其應(yīng)用很廣，而其他幾種材料在一般場合應(yīng)用很少。近幾年來由于天然纖維具有一些優(yōu)良的性能，如生物可降解、抗菌、無污染等，苧麻纖維［18-25］和竹原纖維［26］作為增強體原料，應(yīng)用也越來越多。

1.1 玻璃纖維

玻璃纖維的主要成分為 SiO2、CaO、Al2O3、Na2O、B2O3、MgO等，密度介于有機纖維和金屬纖維之間。玻璃纖維的種類有很多種，如E玻璃、S玻璃、A玻璃、C玻璃、D玻璃等［27］。在緯編針織復(fù)合材料中，國內(nèi)常用的玻璃纖維的化學(xué)成分分為中堿和無堿兩種，其中最有代表性的是 E玻璃［11-13］，幾乎不含堿，具有良好的絕緣性、較高的強度和優(yōu)良的化學(xué)阻抗［6，11-12，14］。

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，不會引燃。玻璃纖維單絲的直徑從幾個微米到二十幾個微米，每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成。玻璃纖維通常作為復(fù)合材料中的增強材料，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如航空航天、汽車、醫(yī)學(xué)生物工程等［9，12-17］。

玻璃纖維具有較高的拉伸強度、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性，而且密度小、吸聲、隔熱、絕緣等。玻璃纖維作為第一代高強高模纖維，價格便宜，具有成本優(yōu)勢。在編織時，玻璃纖維一般作為不成圈的襯入紗(雙軸向或多軸向的襯入紗) 。

國內(nèi)外研究的緯編針織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料種類主要有:玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂［7，11-12，17］，玻璃纖維/環(huán)氧樹脂［5，11，16］，玻璃纖維 /乙烯基酯樹脂［7］，玻璃纖維/聚乙烯［12］，玻璃纖維/聚丙烯等。

1.2 滌綸

滌綸是當(dāng)前合成纖維的第一大品種［28］。它具有優(yōu)良的抗皺性、彈性和尺寸穩(wěn)定性，具有優(yōu)良的紡織和服用性能;還有較好的耐化學(xué)試劑性能，能耐弱酸及弱堿，在室溫下，有一定的耐稀強酸的能力，但耐強堿性較差。滌綸作為復(fù)合材料增強體原料，用途非常廣泛，復(fù)合材料中常用高強滌綸絲作為捆綁紗和連接紗。

1.3 高強聚乙烯纖維

高強聚乙烯纖維具有優(yōu)良的耐光性、抗腐蝕性;其強度為當(dāng)今纖維之最，是凱芙拉(Kevlar)纖維的1.4倍，高強碳纖維的3倍;密度為0.97 g/cm3，是高模碳纖維的1/2、芳綸的2/3。它具有良好的抗沖擊性能，這是由于它韌性好、模量高，能量吸收性能好。此外，它還具有良好的耐切割性能、防彈性能［7］。它的能量吸收性能、抗沖擊性能優(yōu)于芳綸［10］。

1.4 苧麻纖維和竹原纖維

苧麻纖維長度長，橫截面呈腰圓形，有中腔、裂紋，縱向有豎紋和橫節(jié)等，在天然纖維中苧麻纖維的強度最大，也是麻類纖維中性能最好的［18］。竹原纖維作為新型的綠色環(huán)保纖維，它是純粹利用機械、物理法將竹壁進行蒸煮而直接制成的，在制取過程中不含任何化學(xué)添加劑，也稱作天然竹纖維。它的截面形態(tài)與苧麻纖維相似［29］，具有很好的吸濕透氣性。

作為天然纖維，苧麻纖維和竹原纖維的一個突出特點是具有較強的抗菌和殺菌作用，其抗菌效果是任何人工添加化學(xué)物質(zhì)所無法比擬的，天然、環(huán)保、持久、保健等特點與人工加工的抗菌纖維截然不同。因竹原纖維含有葉綠素銅鈉，所以還具有很好的除臭作用和防紫外線功能［26］。

近年來國內(nèi)外掀起了研究苧麻纖維、竹原纖維復(fù)合材料的熱潮，主要是利用它們的天然、可降解、對環(huán)境友好、無污染等優(yōu)點。針織復(fù)合材料的原料由合成纖維向天然纖維轉(zhuǎn)變這一發(fā)展趨勢符合創(chuàng)建環(huán)境友好型社會的標(biāo)準(zhǔn)。在研究過程中也利用了苧麻、竹原的其他一些特點，如苧麻價格便宜，竹原纖維抗菌除臭［30］，而且因它們都屬于高性能的可再生資源，因此越來越多的人把它們作為針織復(fù)合材料的增強體來進行研究。但近年來研究的苧麻、竹原纖維針織復(fù)合材料是直接以纖維按相同方向或者不同方向鋪層，層合復(fù)合的比較多，這是由于苧麻、竹原纖維強度大，織成織物再進行復(fù)合難度比較大。它們的應(yīng)用潛力非常大，苧麻增強復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于民用和軍事等領(lǐng)域，竹原纖維作為針織復(fù)合材料增強體，利用其除臭抗菌性能可應(yīng)用在醫(yī)學(xué)方面，意義重大。它們?yōu)樘烊焕w維針織增強復(fù)合材料的研究添加了新內(nèi)容。

2 基體材料

紡織復(fù)合材料的基體材料包括金屬、無機非金屬(合成樹脂、陶瓷橡膠、碳、石墨等)和聚合物，到目前為止緯編針織復(fù)合材料大多屬于聚合物基體復(fù)合材料［27］?；w的主要作用是傳遞載荷，保護增強體，阻止裂紋傳遞。聚合物基體材料分為兩大類:熱固性樹脂和熱塑性樹脂。熱固性樹脂有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂等;熱塑性樹脂有聚丙烯、聚酰胺、聚砜、聚氯乙烯、飽和聚酯樹脂等［31］。目前對熱固性樹脂的研究比較多，常用的熱固性樹脂為不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂;熱塑性樹脂中的聚丙烯是用于復(fù)合材料基體的最重要的聚烯烴，它的用途日益廣泛，我國產(chǎn)量最大的熱塑性樹脂為聚氯乙烯［32］。

不飽和聚酯樹脂適用于受力較小的制品中，其優(yōu)點是價格低廉，固化物的綜合性能好，工藝性也好，且品種豐富;缺點是強度、模量和耐熱性較低，固化收縮率大。

環(huán)氧樹脂收縮率低、力學(xué)性能好、形式多樣、尺寸穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好，但其工藝性差、價格高。

熱固性樹脂易與增強體結(jié)合，固化溫度相對較低，操作簡單。熱塑性樹脂可重復(fù)加工，具有優(yōu)異的抗沖擊韌性、耐疲勞損傷性能，而且成本低、成型工藝簡單，近年來發(fā)展較快［32］。

3 緯編增強體結(jié)構(gòu)

隨著緯編技術(shù)的發(fā)展，緯編織物的優(yōu)越性越來越突出。目前，用于復(fù)合材料增強體結(jié)構(gòu)的緯編針織結(jié)構(gòu)有普通緯編結(jié)構(gòu)、三維成型結(jié)構(gòu)、間隔結(jié)構(gòu)、軸向增強結(jié)構(gòu)等，它們既可以作為熱固性復(fù)合材料的增強體結(jié)構(gòu)，也可以作為熱塑性復(fù)合材料的增強體結(jié)構(gòu)，還能作為柔性復(fù)合材料的增強體結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)外研究比較多的普通緯編結(jié)構(gòu)有單面緯平針［11-16，18，21，25-26］、雙羅紋［12，15，26］、襯墊組織［11-12］、雙面羅紋［14］、滿針羅紋［12，22］、羅紋空氣層［22，26］、畦編組織［12］、羅紋變化組織［12］等，它們主要由針織物基本線圈單元組成。上述組織已經(jīng)有許多文獻［33-34］論述過，這里不再贅述。

三維成型結(jié)構(gòu)有箱形、管形、曲面形等，它們是由電腦橫機編織的三維空心結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)是緯平針、羅紋、雙羅紋等［12］。其主要特點是整體編織，紗線在結(jié)構(gòu)中的連續(xù)性好，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能比較均勻，整體性好。但生產(chǎn)效益低，一般的纖維編織比較困難。

間隔結(jié)構(gòu)是兩個獨立的緯編針織結(jié)構(gòu)由紗線或織物連接而形成的有一定厚度的三維結(jié)構(gòu)［12］，是三維紡織品的一種，有半球形間隔織物、三維間隔織物等［11］。

軸向增強結(jié)構(gòu)由針織紗和襯紗組成。針織紗常使用較柔軟、較細(xì)的高強紗，襯經(jīng)襯緯紗則使用較硬、較粗的高性能紗線。緯編軸向增強結(jié)構(gòu)是由形成緯編地組織的針織紗捆綁襯經(jīng)、襯緯紗形成的，具體來說有單軸向襯緯結(jié)構(gòu)［11］、雙軸向襯經(jīng)襯緯結(jié)構(gòu)［6-9，16-17］、多軸向結(jié)構(gòu)、雙軸向增強三維成型結(jié)構(gòu)、雙軸向增強間隔結(jié)構(gòu)［33-34］。

雙軸向襯經(jīng)襯緯結(jié)構(gòu)襯入的經(jīng)、緯紗最少兩層，最多五層，經(jīng)緯紗可交織，也可不交織，要用專門的機器編織。多軸向結(jié)構(gòu)也有交織和不交織兩種。雙軸向增強三維成型結(jié)構(gòu)是把成型結(jié)構(gòu)和襯經(jīng)襯緯技術(shù)復(fù)合在一起，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。雙軸向增強間隔結(jié)構(gòu)是在緯編間隔針織物兩個表層結(jié)構(gòu)中襯入經(jīng)、緯紗，形成夾心結(jié)構(gòu)，從而提高表面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。上述五種結(jié)構(gòu)的主要缺點是生產(chǎn)效率低、成本高，但由于其力學(xué)性能高，能量吸收性能好，因此具有很好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

本文對緯編針織復(fù)合材料的增強體原料、基體材料和增強體結(jié)構(gòu)進行了綜述，結(jié)果表明緯編針織復(fù)合材料具有很好的發(fā)展前景。在原料方面，使用的原料更加廣泛，不僅有化纖材料，而且還有天然纖維，如苧麻、竹原纖維等，利用天然纖維固有的除臭抗菌、抗紫外線，天然、環(huán)保、持久、保健等特點，在醫(yī)學(xué)方面有很大的應(yīng)用前景。在結(jié)構(gòu)方面，鑒于三維成型結(jié)構(gòu)、間隔結(jié)構(gòu)、軸向增強結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率低、成本高，目前的發(fā)展方向是改進和發(fā)明新的生產(chǎn)設(shè)備，提高生產(chǎn)速度，向低成本方向發(fā)展。軸向增強結(jié)構(gòu)向多軸向多層襯紗方面發(fā)展，將緯編全成型技術(shù)與襯經(jīng)襯緯技術(shù)很好地結(jié)合，生產(chǎn)力學(xué)性能優(yōu)異、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也是一個很好的發(fā)展方向。此外，也可以將襯經(jīng)襯緯技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)性能優(yōu)異的復(fù)合材料。

緯編針織復(fù)合材料由于其良好的適型性、力學(xué)性能，特別是能量吸收性能、抗沖擊性能等，在各個領(lǐng)域越來越受到人們的深入研究和應(yīng)用，正在從實驗室走向?qū)嵺`應(yīng)用。當(dāng)今社會，人們追求綠色、自然、環(huán)保的環(huán)境，緯編針織復(fù)合材料的發(fā)展符合時代的要求，創(chuàng)造環(huán)境友好型社會。

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