柔性多軸向經(jīng)編聚氨酯涂層織物的拉伸性能

郭囊括， 李麗輝， 代方銀， 陳 楊， 敬凌霄,4

(1. 西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 重慶 400044； 2. 西南大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院， 重慶 400715； 3. 重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院， 重慶 400044； 4. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

柔性多軸向經(jīng)編聚氨酯涂層織物的拉伸性能

郭囊括1， 李麗輝2， 代方銀1， 陳 楊3， 敬凌霄1,4

(1. 西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 重慶 400044； 2. 西南大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院， 重慶 400715； 3. 重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院， 重慶 400044； 4. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

為獲得多軸向經(jīng)編聚氨酯涂層織物的各向增強性能，沿涂層織物0°、22.5°、45°、67.5°和90° 5個方向裁取試樣，以單軸拉伸試驗為基礎(chǔ)，分析了織物的拉伸曲線和彈性模量；同時采用數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)(DIC)，分析了織物的形變特征，計算了泊松比。利用正交各向異性模型對22.5°和67.5°方向的彈性模量和泊松比進行預(yù)測。結(jié)果表明：該材料具有良好的延伸性，各個方向試樣的延伸度均大于400%；越接近67.5°彈性模量越大；由DIC云圖分析得知，拉伸初期該材料的橫向收縮變形是不均勻的，中間收縮較快，邊緣收縮得較慢，而縱向拉伸變形相對均勻；使用正交各向異性關(guān)系對涂層織物的彈性模量和泊松比有較準確的預(yù)測，誤差的絕對值都小于23.69%。

多軸向經(jīng)編； 涂層織物； 拉伸性能； 正交各向異性

多軸向經(jīng)編柔性復(fù)合織物是指在增強結(jié)構(gòu)上覆蓋一層高分子物或者其他化合物而形成的一種高分子復(fù)合材料，具有密度低，強度高，韌性好等特點。鋪層的增強紗線可設(shè)計性強，且能充分發(fā)揮其力學(xué)性能，因此該柔性復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑工程、汽車工業(yè)、風(fēng)力發(fā)電的葉片等領(lǐng)域[1-2]。在實際應(yīng)用中對其力學(xué)性能的掌握十分必要。文獻[3]通過拉伸試驗，探索紗線層面密度，層數(shù)及鋪層順序等對織物斷裂強力的影響。對比機織增強基布、經(jīng)編雙軸向、經(jīng)編多軸向的增強基布以及將材料涂層后的拉伸性能發(fā)現(xiàn)，多軸向經(jīng)編織物的性能最優(yōu)[4-5]?；诤侠砑僭O(shè)建立了多軸向經(jīng)編織物的理論模型[6]，結(jié)合現(xiàn)代多軸向經(jīng)編技術(shù)進一步深入研究，建立了帶有短切氈的單元結(jié)構(gòu)模型[7-8]。文獻[9-10]通過拉伸試驗發(fā)現(xiàn)PVC建筑膜材是典型的正交各項異性材料，通過3次拉伸試驗后，發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜材的彈性常數(shù)符合正交各項異性關(guān)系，且都滿足正交各項異性關(guān)系[11]。但是以上復(fù)合材料的增強織物均為機織物，而對于多軸向經(jīng)編增強織物拉伸性能的研究相對較少。

本文以單軸拉伸為基礎(chǔ)，配合數(shù)字圖像系統(tǒng)(DIC)[12-13]。對多軸向經(jīng)編滌綸增強織物的拉伸性能進行深入研究。試驗對材料小變形范圍內(nèi)拉伸曲線的特征及重要工程參數(shù)的計算作了詳細討論，并使用正交各項異性模型預(yù)測該涂層織物偏軸方向的彈性模量和泊松比。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及設(shè)備

圖1示出柔性多軸向經(jīng)編織物的結(jié)構(gòu)。增強紗線為滌綸工業(yè)長絲，捆綁紗為滌綸工業(yè)長絲的拉伸變形絲。增強紗線從4個方向襯入，襯入順序為經(jīng)向為90°和-45°方向，緯向0°和45°方向，紗線襯入完成后用捆綁紗固定。基布的寬度為1.27 m，平均厚度為0.138 mm，面密度為217 g/m2。復(fù)合材料的制造采用的流延法，將熔融的聚氨酯(PU)顆粒與基布擠壓粘合在一起，壓合后涂層材料的平均厚度為1.28 mm，平均面密度為1 418.8 g/m2。

單軸拉伸試驗使用的是瑞格爾6100萬能拉伸試驗機，預(yù)加張力為5 N，加載速度為100 mm/min，應(yīng)變率為0.0278/s。試樣形變測試使用的是數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)系統(tǒng)，圖片采集頻率為5幀/s。試驗在采集圖片時使用了2個相機，以便測出試樣三維的形變情況。

1.2 試樣的準備

試樣裁剪以基布的緯向為基準方向，分別沿偏離基準方向的0°、22.5°、45°、67.5°和90°這5個方向裁取試樣，每組的有效試樣為3個。試樣的外形尺寸為200 mm×50 mm，有效拉伸尺寸為中心的100 mm×50 mm。由于DIC系統(tǒng)測試試樣泊松比的需要，試驗前需要在試樣的表面噴涂對比度明顯的白底黑點的散斑。圖2示出拉伸前噴好散斑的試樣實物圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物拉伸性能分析

圖3示出試樣5個方向的拉伸載荷-位移曲線。由曲線可知試樣的拉伸位移均大于400 mm，說明試樣的延伸率可以達到400%。可以知道拉伸后期試樣各個方向的載荷均保持在500 N左右，而此時材料內(nèi)部的增強纖維已經(jīng)斷裂，說明復(fù)合材料內(nèi)部的增強纖維斷裂以后，該柔性復(fù)合材料仍然能夠承受住一定的拉力，具有較低的危險系數(shù)。

2.2 織物模量分析

圖4示出試樣拉伸前段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？煽闯?5°方向的斷裂強力最大，并且明顯高于其他角度，初始模量也偏高。這主要是由于45°方向的增強紗線的質(zhì)量最大。從圖中還可看出，67.5°～90°方向初始模量也較大，90°方向的模量高。這是因為該方向的紗線經(jīng)過整經(jīng)，紗線排列平直程度高，因此達到相同的伸長率就需要更大的拉力，從而導(dǎo)致模量上升。 67.5°處于45°和90°之間，該方向試樣內(nèi)部斜向紗線多且長，導(dǎo)致拉伸初始階段存在較大剪切力，從而使該角度的初始模量變大。

從圖4的應(yīng)力-應(yīng)變曲線還可以看出，除0°方向外，其余角度的曲線在拉伸初始階段都有1個明顯的轉(zhuǎn)折點。圖5示出雙折射計算泊松比的示意圖。為了得到更精確的初始模量，除0°外，都采用雙直線擬合，得到模量E1(初始模量)和E2(0到最大應(yīng)力的80%)。圖6示出各角度彈性模量的值。后文驗證正交各項異性關(guān)系預(yù)測時用的是E1。

2.3 織物泊松比分析

圖7示出DIC計算的應(yīng)變云圖。圖7(a)為DIC重構(gòu)的試樣表面，重構(gòu)圖上的點是確定試樣的初始位置的坐標原點，泊松比就是利用這些點坐標位置的改變來計算。圖7(b)、(c)是試樣整體拉伸1 mm時，X方向和Y方向的應(yīng)變云圖?？梢钥闯?，X方向的形變是不均勻的，從藍色部分得知試樣中心區(qū)域收縮較快，而邊緣的收縮相對較慢。還可以看出Y方向試樣的形變相對X方向均勻，但也不完全均勻，因此試驗在計算泊松比時選取了DIC重構(gòu)圖上獲得的所有橫向線段和縱向線段進行計算。

圖8示出未拉伸時試樣DIC重構(gòu)的側(cè)視投影圖。在拉伸前試樣不平直，且由于材料運輸及夾具原因不可避免，因此在計算織物實際應(yīng)變時不僅需要考慮x,y平面位移的變化，還需考慮z方向的位移。故本文計算泊松比的方法為：根據(jù)DIC輸出試樣上全部點的三維坐標位置，計算所有橫向線段縮短的平均值和縱向線段伸長的平均值，相除后取絕對值，經(jīng)擬合得到試樣的泊松比，結(jié)果見表1。

3 正交各向異性材料模型

正交各向異性材料滿足以下方程式[9-10]：

(1)

表1 試樣的泊松比Tab.1 Poisson′s ratios of specimens

式中：1、2代表材料的主軸方向；x、y分別代表加載的方向；E，ν和G分別代表彈性模量，泊松比和剪切模量。G未知，但是可用45°方向的模量和泊松比代替。讓E3=E45°，ν3=ν45°，因此有:

(2)

利用式(2)即可預(yù)測出22.5°和67.5°方向的初始模量和泊松比。表2所示為初始模量的預(yù)測結(jié)果。表3為泊松比的預(yù)測結(jié)果。

表2 彈性模量的預(yù)測結(jié)果Tab.2 Predicted results of elastic modulus

表3 泊松比的預(yù)測結(jié)果Tab.3 Predicted results of Poisson′s ratios

由表2得出22.5°和67.5°彈性模量預(yù)測結(jié)果的誤差分別為-22.38%和14.43%。由表3得出22.5°和67.5°泊松比預(yù)測結(jié)果分別為-6.56%和-23.69%。高強工業(yè)滌綸絲彈性大，紗線柔軟，使得增強紗鋪層規(guī)整程度低，在拉伸過程中容易受到其他角度紗線及表面膜材的影響，不同試樣計算得到的彈性模量的離散程度較大。所以，22.5°和 67.5°方向的彈性模量和泊松比的預(yù)測結(jié)果誤差都小于23.69%。說明正交各向異性模型對材料彈性模量和泊松比有良好預(yù)測。

4 結(jié) 論

1)由多軸向經(jīng)編柔性材料的拉伸曲線可知，材料是各向異性的，拉伸強力與材料的方向及該方向的紗線密度有關(guān)。

2)由模量可知，67.5°方向的初始模量最大，說明斜向紗線多而長時剪切力對材料初始模量影響較大。

3)通過DIC記錄結(jié)果得知初始階段材料的橫向變形是不均勻的，中間區(qū)域變形快，邊緣區(qū)域變形慢；但縱向拉伸形變相對橫向比較均勻。

4)通過正交各向異性模型預(yù)測的22.5°和67.5°方向彈性模量和泊松比的誤差絕對值都在23.69%以內(nèi)，屬可接受范圍。說明通過單軸拉伸試驗得到的柔性多軸向經(jīng)編織物的彈性常數(shù)和泊松比符合正交各向異性關(guān)系。

FZXB

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Tensile properties of polyurethane-coated multi-axial warp knitted fabric

GUO Nangkuo1， LI Lihui2, DAI Fangyin1, CHEN Yang3， JING Lingxiao1,4

(1. College of Textiles and Garments， Southwest University, Chongqing 400715, China； 2. College of Mathematics and Statistics, Southwest University, Chongqing 400715, China; 3. College of Aeronautics and Astronautics, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 4. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In order to study on the reinforcement properties of PU-coated multi-axial warp knitted fabric, five directions with 0°, 22.5°, 45°, 67.5° and 90° of this material were cut for uniaxial tension experiment. The tensile curves and the elastic modulus were analyzed. The deformation behaviors were observed and Poisson′s ratios were calculated by utilizing the digital image correlation (DIC) system. Lastly, orthotropic model was used to predict the elastic modulus and Poisson′s ratio in 22.5° and 67.5° directions. It is found that this coated fabric has a great elongation with more than 400%in five directions. And the closer to 67.5° is, the greater of the elastic modulus is. At the beginning of tensile, it can be obtained by the DIC system that the transverse shrink deformations are inhomogeneous, it shrinks faster in the center but slower at the edge of the specimens, but the longitudinal tensile deformation is relatively uniform. There is a good prediction of the elastic modulus and Poisson′s ratio by using orthotropic model, and the absolute error value is less than 23.69%.

multi-axial warp knitted; coated fabric; tensile property; orthotropic anisotropy

10.13475/j.fzxb.20150706405

2015-07-28

2016-07-21

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(XDJK2013C132，XDJK2014C127)

郭囊括(1992—)，女，碩士生。主要研究方向為多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的力學(xué)性能。李麗輝，通信作者，E-mail: llhlx@swo.edu.cn。

TB 332

A