UHMWPE短纖維紗增強(qiáng)復(fù)合板性能研究

宋新惠,馬小飛,2,張宏妮眭建華,2

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215021；江蘇省先進(jìn)紡織工程技術(shù)中心，江蘇 南通 226007)

UHMWPE短纖維紗增強(qiáng)復(fù)合板性能研究

宋新惠1,馬小飛1,2,張宏妮1眭建華1,2*

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215021；江蘇省先進(jìn)紡織工程技術(shù)中心，江蘇 南通 226007)

選用以1.21 dtex、51 mm的UHMWPE短纖維制成的2/295.5 dtex紗，編制成單向、雙向、平紋、紗羅、互絞五種增強(qiáng)層用于網(wǎng)格板，選用熱塑性環(huán)氧樹脂，采用涂刷方法制成厚度6 mm平板，取得試驗(yàn)樣條，在WOTEI-20微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測取拉伸和彎曲性能。結(jié)果表明：復(fù)合板材的拉伸、彎曲性能均有增強(qiáng)，彎曲性能增強(qiáng)更為顯著；編入紗線的X向的拉伸、彎曲增強(qiáng)明顯較Y向好，但穩(wěn)定性較差；雙向有編織的板材，拉伸、彎曲增強(qiáng)更穩(wěn)定。

UHMWPE短纖維;網(wǎng)格板;涂刷法

UHMWPE纖維的優(yōu)良性能，決定了它在國家戰(zhàn)略領(lǐng)域和民用工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1]。作為增強(qiáng)體，UHMWPE纖維與樹脂復(fù)合后可以得到質(zhì)量輕、耐沖擊性能、耐磨性能、介電性能優(yōu)異的復(fù)合材料，使得它作為復(fù)合材料也有廣泛的應(yīng)用。目前，UHMWPE纖維編織成不同組織作為增強(qiáng)層的復(fù)合材料大多為緯編針織物[2-3]，還未有編織成機(jī)織物的方法，本文主要探究UHMWPE短纖維紗以經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)層對復(fù)合材料性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料制備

1.1.1 含PE短纖維紗網(wǎng)格板制備

(1)預(yù)制中空形狀的270mm×270mm正方形、厚度2mm亞克力框板，中空部分250mm×250mm，邊部寬10mm。

(2)框板單面四周邊部貼上雙面膠，選用若干根2/295.5dtex的UHMWPE短纖維紗線自然張緊、等距間隔、與邊部垂直并加以粘貼。任意設(shè)定某一方向?yàn)閄向，另一垂直方向?yàn)閅向。

圖1 增強(qiáng)層編織實(shí)物圖

(3)紗線以5種不同結(jié)構(gòu)形式編制成網(wǎng)格板，如圖1所示，制成5種類型網(wǎng)格有沿X單向平行排列的單向型，X、Y雙向垂直排列的雙向型，X向紗線先排列、Y向紗線后以平紋編織的平紋型，X向紗線1絞1、Y向紗線1緯1絞編織的紗羅型，X向相鄰紗線依次相互扭絞、Y向紗線1緯1絞編織的互絞型。1.1.2 增強(qiáng)型復(fù)合板材制備

(1)選用A、B組分環(huán)氧樹脂，按4∶1比例混合并充分?jǐn)嚢?，靜置30 min使其脫泡。

(2)將離型布緊密粘貼于水平臺面，將一個(gè)相同規(guī)格的空板置于分離布上，按空板面積及厚度將混合樹脂定量澆注。

(3)將一個(gè)網(wǎng)格板置于其上，紗線編織面朝下靠貼已澆注樹脂層。

(4)采用涂刷辦法將定量樹脂在網(wǎng)格上方多次涂刷直至覆蓋網(wǎng)格板表面。

(5)置于烘箱40℃烘燥6 h加速凝固，然后自然狀態(tài)下晾曬24 h。

(6)揭去離型布，得到帶有亞克力外框的復(fù)合板，在雕刻機(jī)上制取測試樣品。

另行制取不含增強(qiáng)層的純樹脂空板作為對比樣。

1.1.3 試驗(yàn)條樣制取

參照有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[4]，在WOTEI-20微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試板材拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，拉伸試驗(yàn)條樣100mm×10mm，X、Y向樣品數(shù)各10個(gè)；彎曲試驗(yàn)條樣50mm×10mm，X、Y向樣品數(shù)各10個(gè)。取樣方法如圖2所示。

圖2 測試樣品制取

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

(1)拉伸性能試驗(yàn)

拉伸速度為5mm/min，測取各樣品的拉伸強(qiáng)度T值，單位MPa。各向取強(qiáng)度平均值記作Tx、Ty及偏差CVx、CVy，并計(jì)算強(qiáng)度增長率εx、εy，

(1)

式中，ε代表εx、εy，T代表Tx、Ty，T0為空板強(qiáng)度值。

(2)彎曲性能試驗(yàn)

彎曲速度為5mm/min，測取各樣品的彎曲強(qiáng)度K值，單位MPa。各向取強(qiáng)度平均值Kx、Ky及偏差CVx、CVy，并計(jì)算強(qiáng)度增長率εx、εy，

(2)

式中，ε代表εx、εy，K代表Kx、Ky，K0為空板強(qiáng)度值。

拉伸、彎曲試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 WOTEI-20萬能材料試驗(yàn)儀及拉伸、彎曲試驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能

根據(jù)測試數(shù)據(jù)和有關(guān)計(jì)算，取得表1所示的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

(1)X向ε值均在22%以上，最大值接近65%。Tx值由大到小的樣品依次為平紋型、單向型、紗羅型、互絞型、雙向型。CVx值由小到大的樣品依次為互絞型、平紋型、單向型、紗羅型、雙向型，最小值3.5%，最大值接近33%。

(2)Y向ε值僅在6%以上，最大值接近30%。Ty值由大到小的樣品依次為雙向型、互絞型、單向型、紗羅型、平紋型。CVy值由小到大的樣品依次為互絞型、雙向型、單向型、紗羅型、平紋型，最小值0.09%，最大值10%以下。

2.2 彎曲性能

根據(jù)測試數(shù)據(jù)和有關(guān)計(jì)算，取得表2所示的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

(1)X向ε值均在46%以上，最大值達(dá)到110%。Kx值由大到小的樣品依次為單向型、平紋型、紗羅型、互絞型、雙向型。CVx值由小到大的樣品依次為互絞型、紗羅型、平紋型、單向型、雙向型，最小值僅3.08%，最大值達(dá)到33.59%。

(2)Y向ε值在26%以上，最大值達(dá)到106.81%。Ty值由大到小的樣品依次為單向型、互絞型、紗羅型、平紋型、雙向型。CVy值由小到大的樣品依次為紗羅型、單向型、平紋型、互絞型、雙向型，最小值9.88%，最大值23.90%。

3 結(jié)論

(1)使用UHMWPE短纖紗增強(qiáng)后，復(fù)合板材的拉伸、彎曲性能均有增強(qiáng)，其中彎曲性能增強(qiáng)更為顯著。

(2)先期編入紗線的X向的拉伸、彎曲增強(qiáng)明顯優(yōu)于Y向，但其增強(qiáng)的穩(wěn)定性明顯差于Y向。

(3)有編織的平紋型、紗羅型、互絞型板材，其拉伸、彎曲增強(qiáng)的穩(wěn)定性優(yōu)于未編織的單向型和雙向型。

[1] 晏雄.產(chǎn)業(yè)用纖維制品學(xué)[M].北京:中國紡織出版社，2010.

[2] 周凱,許淑燕,熊杰,等.UHMWPE交織雙軸向緯編復(fù)合材料高應(yīng)變率壓縮性能研究[J].功能材料,2009(3):490-493.

[3] 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(11):84-90.

[4] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T2567-2008：樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2008.

江蘇省先進(jìn)工作工程技術(shù)中心2015年開放項(xiàng)目“基于UHMWPE短纖紗指標(biāo)耐熱高強(qiáng)復(fù)合型材研究”(XJFZ2015/3)

2016-10-12