經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)軟質(zhì)聚氨酯復(fù)合材料的壓縮性能

王棟棟，龍海如

(東華大學(xué)，上海 201620)

經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)軟質(zhì)聚氨酯復(fù)合材料的壓縮性能

王棟棟，龍海如*

(東華大學(xué)，上海 201620)

采用一步法發(fā)泡工藝制備了6種經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)軟質(zhì)聚氨酯復(fù)合材料，并進(jìn)行壓縮性能測(cè)試，探討了織物表面結(jié)構(gòu)、聚氨酯泡沫中的含水量對(duì)復(fù)合材料壓縮性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：織物表面結(jié)構(gòu)緊密(含有更多間隔絲)的復(fù)合材料壓縮性能較好；但隨著含水量的增加，材料的抗壓能力下降；含水量少的材料雖然耐壓，但手感較硬，舒適性差。

經(jīng)編間隔織物；軟質(zhì)聚氨酯泡沫；壓縮性能

經(jīng)編間隔織物是指在前后針床上單獨(dú)編織的兩個(gè)表面，通過間隔紗連接而形成的三維立體結(jié)構(gòu)織物[1]。與傳統(tǒng)的二維織物、夾層結(jié)構(gòu)的材料等相比，經(jīng)編間隔織物可一次性編織且兩表面不會(huì)發(fā)生脫層現(xiàn)象，具有良好的透氣性、力學(xué)性能等，被應(yīng)用于許多領(lǐng)域[2-4]。近年來，許多研究者對(duì)該材料的性能進(jìn)行了研究，指出織物的厚度、間隔絲的直徑、排列方式等影響著織物的壓縮性能[5-6]。但是間隔絲易“失穩(wěn)”的特點(diǎn)限制了該材料的應(yīng)用。

軟質(zhì)聚氨酯泡沫是由多元醇、異氰酸酯及其他助劑反應(yīng)制備而成的高分子聚合物[7]，其優(yōu)良的彈性被廣泛應(yīng)用于墊材、功能面料、運(yùn)動(dòng)裝備等領(lǐng)域。研究人員對(duì)聚氨酯泡沫性能做了大量的分析，如配方中水分含量、表面活性劑、催化劑、交聯(lián)劑的變化來改變泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響聚氨酯泡沫的性能[8-11]。

經(jīng)編間隔織物常與聚氨酯泡沫的性能對(duì)比，但以間隔織物為增強(qiáng)體、聚氨酯為基體組成的材料研究較少。利用軟質(zhì)聚氨酯泡沫優(yōu)良的彈性，減緩間隔絲易“失穩(wěn)”的現(xiàn)象，制備一種新的材料(經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)軟質(zhì)聚氨酯泡沫復(fù)合材料)，并對(duì)材料的壓縮性能進(jìn)行測(cè)試。

1 試驗(yàn)部分

1.1 經(jīng)編間隔織物

試驗(yàn)選用了在機(jī)號(hào)為E20的雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)上編織的4種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)編間隔織物，采用150 dtex的滌綸復(fù)絲編織兩表面，采用直徑為0.05 mm的滌綸單絲編織間隔層，其表面組織及具體參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1中A、B為經(jīng)緞組織，從圖1中可以看出B的縱密要大于A；C為經(jīng)平組織。由表1可知，表面結(jié)構(gòu)緊密的織物SF5和SF6含有更多的間隔絲。

1.2 復(fù)合材料制備

采用一步法發(fā)泡工藝在室溫下制備經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)軟質(zhì)聚氨酯復(fù)合材料。按配方稱取一定量的多元醇、水、表面活性劑、催化劑等，攪拌2～3 min配成A料。稱取一定量的異氰酸酯為B料，將B料倒入裝有A料的杯中，高速攪拌4 s后倒入模具中，并迅速將織物置于模具中后快速合模，使聚氨酯泡沫均勻地填充在織物中，熟化15 min后開模。

此外，為探究聚氨酯配方中不同含水量對(duì)材料性能的影響，制備了含有1份、1.5份以及2份水的經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)軟質(zhì)聚氨酯復(fù)合材料，具體參數(shù)見表2。

1.3 性能測(cè)試

壓縮性能按照GB/T 8168-2008進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 典型復(fù)合材料分析

以復(fù)合材料C6的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為代表分析材料在不同壓縮階段的壓縮行為，并與相同厚度下的純聚氨酯的壓縮行為進(jìn)行對(duì)比。它們的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

由圖2可知，復(fù)合材料C6在整個(gè)壓縮過程中的壓縮強(qiáng)度明顯大于聚氨酯的壓縮強(qiáng)度，這說明經(jīng)編間隔織物對(duì)復(fù)合材料壓縮性能起到了增強(qiáng)作用。材料的整個(gè)壓縮過程可分為3個(gè)階段。第Ⅰ階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大迅速上升，聚氨酯泡沫和間隔絲同時(shí)承力，間隔絲由于被泡沫包覆使其抗彎性能得以提高。材料在第Ⅱ階段呈現(xiàn)出“小應(yīng)力，大變形”，該階段材料的變形主要包括間隔絲的彎曲和聚氨酯泡沫的變形甚至破裂。當(dāng)應(yīng)力超過材料所能承受范圍時(shí)，材料發(fā)生快速致密化進(jìn)入第Ⅲ階段。

表1 經(jīng)編間隔織物的基本參數(shù)

表2 復(fù)合材料及聚氨酯的基本參數(shù)

注：C3～C6表示聚氨酯配方中含有1.5份的水，C6(1)和C6(2)表示分別含有1份和2份水。

對(duì)于材料的壓縮性能，通常以屈服階段中上屈服點(diǎn)的強(qiáng)度以及屈服階段所占的范圍來評(píng)價(jià)抗壓性能、能量吸收的好壞?？箟盒阅芸梢酝ㄟ^材料在壓縮階段所做功W來表征：

(1)

能量吸收效果可采用能量吸收率E來表征：

(2)

圖3是C6的壓縮及能量吸收曲線。在Ⅰ階段，C6能量吸收隨應(yīng)變的增大而增加，并且能量吸收率在位于上屈服點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大；進(jìn)入Ⅲ階段，C6的能量吸收隨應(yīng)變的增大出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。圖中的陰影部分表示C6從Ⅰ階段至Ⅱ階段所做的功。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 間隔織物表面結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料壓縮性能的影響

復(fù)合材料C3～C6的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變及能量吸收曲線如圖4和圖5所示，表3為材料壓縮過程中的相對(duì)指標(biāo)?？梢园l(fā)現(xiàn)C5與C6的壓縮強(qiáng)度要大于C4與C3，并且所有材料從初始階段到屈服階段的應(yīng)變均超過50%。

由表1可知，間隔織物SF3與SF6、SF4與SF5的厚度十分接近，但SF5和SF6的表面結(jié)構(gòu)較SF3、SF4緊密(SF5與SF6的縱密要大于SF3與SF4)，更重要的是，表面結(jié)構(gòu)緊密的間隔織物中含有更多的間隔絲。與聚氨酯復(fù)合后，表面結(jié)構(gòu)緊密的復(fù)合材料C6和C5的硬度大于C3和C4的硬度。在壓縮過程中，含間隔絲較多的材料(較硬的材料)可承受更多的壓力，而聚氨酯泡沫對(duì)間隔絲的包覆作用，又進(jìn)一步提高了間隔絲的抗彎性能，從而材料具有更好的抗壓性能。從表3中可知，C5和C6的壓縮評(píng)價(jià)指標(biāo)均要優(yōu)于C4和C3。

材料編號(hào)總壓縮功/J能量吸收率初始階段到屈服階段應(yīng)變/%應(yīng)力/MPa壓縮功/JC321.450.24550.620.47711.74C422.990.25051.250.51413.09C527.020.26852.950.60616.99C627.360.26350.830.59516.14

2.2.2 聚氨酯配方中含水量對(duì)復(fù)合材料壓縮性能的影響

不同含水量的復(fù)合材料的壓縮曲線如圖7所示。從圖中觀察到：含1份水的復(fù)合材料C6(1)壓縮性能要好于含有1.5份水及2份水的復(fù)合材料。

從表2可知，含有1份水的復(fù)合材料C6(1)的密度為0.377g/cm3，硬度為72，要大于含有1.5份及2份水的復(fù)合材料的密度及硬度。材料的密度和硬度隨著含水量的增加而下降，聚氨酯泡沫的泡孔卻隨著含水量的增加而增大甚至發(fā)生破裂，如圖6所示。

泡沫泡孔增大，材料硬度下降導(dǎo)致材料在壓縮過程中易于變形，并且泡沫對(duì)間隔絲的支撐作用也進(jìn)一步減弱，使得含水量較多的復(fù)合材料容易被壓陷，抗壓縮能力變差。含1份水的復(fù)合材料C6(1)的密度、硬度大，抵抗壓縮的能力好，但由于材料較硬，手感較差，其舒適性不如含水量較多的材料。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)編間隔織物作為增強(qiáng)體，提高了復(fù)合材料的壓縮性能。所有復(fù)合材料從初始階段到屈服階段的應(yīng)變均超過50%，這說明所制得的復(fù)合材料的抗壓能力較理想。

(2)聚氨酯泡沫對(duì)間隔絲的包覆作用影響材料的壓縮性能，表面結(jié)構(gòu)緊密(含有更多間隔絲)的復(fù)合材料具有較好的抗壓縮性能。

(3)含水量的增加會(huì)導(dǎo)致材料抗壓能力的下降，但含水量少的復(fù)合材料硬度偏大，手感及舒適度差，在選擇聚氨酯配方時(shí)，需綜合考慮。

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Compression Properties of Warp-knitted Spacer Fabric Reinforced Flexible Polyurethane Composites

WANG Dong-dong, LONG Hai-ru*

(Donghua University, Shanghai 201620, China)

Six kinds of warp knitted spacer fabric reinforced flexible polyurethane composites were prepared by one-step foaming process. Compression test was carried out to investigate the effects of fabric surface structure, water content of polyurethane foam on the compression properties of composites. The results showed that composites with denser surface structure (containing more spacer yarns) had good compression performance. However, the compressive capacity decreased with the increase of water content of PU. Composite with lower water content had a better compression, but the hand-feeling was poor.

warp-knitted spacer fabric; flexible polyurethane foam; compression properties

2016-09-28

王棟棟(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：針織復(fù)合材料，E-mail：george_dongdong.wang@outlook.com。

*通信作者：龍海如，男，教授，E-mail：hrlong@dhu.edu.cn。

TS187

A

1673-0356(2016)11-0021-04