球形天線球面材料的力學(xué)性能研究*

周 琪 蔣經(jīng)華 陳南梁

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海201620；2. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

球形天線球面材料的力學(xué)性能研究*

周 琪1蔣經(jīng)華2陳南梁1,2

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海201620；2. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

為研究球形天線球面材料所需具備的力學(xué)性能，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布進(jìn)行單向拉伸、抗撕裂及頂破等力學(xué)性能測(cè)試，并測(cè)試2種拼接方式對(duì)球形天線球面材料單向拉伸性能的影響，以及TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆為20%的鹽酸和氫氧化鈉溶液腐蝕后的單向拉伸性能。結(jié)果表明：TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力大于緯向；曲面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂強(qiáng)力大于平面拼接的球形天線球面材料；TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布耐堿蝕性能優(yōu)于耐酸蝕性能。

球形天線，球面材料，TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布，單向拉伸，抗撕裂，頂破，拼接

近年來(lái)，世界范圍內(nèi)突發(fā)性的自然災(zāi)害呈上升趨勢(shì)，洪水、海嘯、颶風(fēng)、雪災(zāi)、地震等頻頻發(fā)生，安全問(wèn)題已成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。充氣式球形天線具有質(zhì)量輕、疊后體積小、制作成本低、展開(kāi)可靠性高、堅(jiān)固、形狀易設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)[2]，它能有效解決便攜式固面拆卸天線所帶來(lái)的問(wèn)題，極大地提高險(xiǎn)惡環(huán)境中的信息化水平，在通訊領(lǐng)域具有很大的利用價(jià)值[3]。目前，天線結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)是充氣式球形天線亟需解決的主要關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)前，關(guān)于球形天線的研究主要集中在球形天線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面[4-5]，而關(guān)于陸地用充氣式球形天線的制作過(guò)程和制作材料的研究相對(duì)較少。本課題組在前期研究中初步確定了球形天線的制作工藝，并選取不同規(guī)格高強(qiáng)滌綸絲的PVC夾網(wǎng)布制作球形天線的球面材料[6]。充氣式球形天線及其結(jié)構(gòu)如圖1[7]所示。但后期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PVC夾網(wǎng)布還存在一定的缺陷，如PVC在低溫時(shí)易發(fā)脆，在加工、使用過(guò)程中易受熱、光、氧的作用而降解老化[8-9]。

(a) 實(shí)例

(b) 結(jié)構(gòu)

TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布是以高強(qiáng)滌綸機(jī)織物作為增強(qiáng)材料、TPU作為涂層材料，制作而成的一種膜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[10]。其中，增強(qiáng)材料高強(qiáng)滌綸機(jī)織物具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐用、拉伸性能好及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)；涂層材料TPU為改良的聚氨酯(PU)，其具有耐油、耐磨、耐低溫、不龜裂、不易從基布表面脫落、強(qiáng)度與彈性高，以及低溫屈撓性好、黏接性能優(yōu)良、價(jià)格適中等獨(dú)特的綜合性能優(yōu)勢(shì)，且手感柔軟，還具備防水與透氣性能，可降解，埋于土壤中可以被水解為無(wú)毒性物質(zhì)，符合環(huán)保要求[11-12]。這些性能賦予了TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布輕質(zhì)、高強(qiáng)、衛(wèi)生、環(huán)保等特性[13]。因此，本文選用TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布作為制備球形天線的球面材料。

球形天線球面材料在應(yīng)用中會(huì)遭受各種外力的作用，因此，對(duì)球形天線球面材料的力學(xué)性能研究非常重要。且目前球形天線球面材料的制作主要是通過(guò)拼接的方式實(shí)現(xiàn)的，因此，研究球形天線球面材料的拼接方式，以及拼接后球形天線球面材料的力學(xué)性能，十分必要。另外，球形天線的應(yīng)用環(huán)境——?dú)夂蚨嘧兦译U(xiǎn)惡，故對(duì)球形天線球面材料的酸堿穩(wěn)定性研究也十分必要。因此，本文在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室環(huán)境中，對(duì)TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布進(jìn)行了拉伸、撕裂、頂破等力學(xué)性能測(cè)試；比較了兩種不同拼接方式對(duì)球面天線球面材料單向拉伸性能的影響；對(duì)經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆為20%的鹽酸和氫氧化鈉溶液腐蝕后的TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布進(jìn)行了單向拉伸性能測(cè)試。

1 試驗(yàn)材料

1.1 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布

根據(jù)球形天線球面材料的力學(xué)、電學(xué)等性能要求，并結(jié)合課題組前期所選球形天線球面材料——PVC夾網(wǎng)布的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，確定本文選用TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布作為球形天線球面材料，其具體規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布規(guī)格參數(shù)

1.2 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的拼接

球形天線球面材料是將單片的裁剪片，通過(guò)加熱熨斗在曲面球形拼接模具上熱壓相互拼接而形成的(圖2和圖3)。其中，平面拼接是指利用平面的加熱熨斗在曲面球形拼接模具上熱壓；曲面拼接是指利用曲面的加熱熨斗在曲面球形拼接模具上熱壓，其加熱熨斗的曲率與曲面球形拼接模具熱壓面接近。

圖2 曲面球形拼接模具模型

圖3 拼接實(shí)例

1.3 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的酸堿處理

將TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布分組標(biāo)記并分別放置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆為20%的鹽酸和氫氧化鈉溶液中，密封，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室環(huán)境下靜置腐蝕8、 16、 24、 32、 40 h，然后取出洗凈、干燥，待用。

2 測(cè)試方法

2.1 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布

2.1.1 單向拉伸性能

在球形天線球面材料前期的研究中，單向拉伸性能測(cè)試參照DIN 53354-1981《人造革的檢驗(yàn)：拉伸試驗(yàn)》進(jìn)行，故本文的單向拉伸性能測(cè)試同樣也參照此標(biāo)準(zhǔn)。單向拉伸性能測(cè)試使用多功能電子織物強(qiáng)力儀進(jìn)行，采用等速伸長(zhǎng)模式，測(cè)試?yán)焖俣葹?00 mm/min。

單向拉伸測(cè)試樣為矩形(長(zhǎng)度為300.00 mm、寬度為50.00 mm)，拉伸隔距設(shè)定為200.00 mm、兩端夾持長(zhǎng)度設(shè)定為50.00 mm(圖4)。經(jīng)、緯向試樣各準(zhǔn)備5塊。

圖4 單向拉伸試樣測(cè)試示意

測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度分別控制在(20±2)℃和(65±5)%。此外，為防止單向拉伸性能測(cè)試過(guò)程中試樣產(chǎn)生滑移，避免試樣非正常拉伸斷裂，特在夾持鉗口處用牛皮紙對(duì)試樣進(jìn)行保護(hù)處理。

2.1.2 抗撕裂性能

根據(jù)ASTM D 5733-1995《非織造織物抗撕裂強(qiáng)度的梯形法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》測(cè)試TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的抗撕裂性能。制備梯形抗撕裂性能測(cè)試樣(圖5)，試樣總長(zhǎng)度為150.00 mm、寬度為75.00 mm。 使用多功能電子織物強(qiáng)力儀，夾持使得試樣下底長(zhǎng)度為100.00 mm、上底長(zhǎng)度為25.00 mm，并沿梯形上底正中位置裁剪長(zhǎng)度為15.00 mm的小口。

圖5 撕裂測(cè)試試樣示意

測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度分別控制在(20±2)℃和(65±5)%。

2.1.3 頂破性能

根據(jù)GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》測(cè)試TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的頂破性能，使用多功能電子織物強(qiáng)力儀。頂破性能測(cè)試樣為圓形，半徑為30.00 mm。

測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度分別控制在(20±2)℃和(65±5)%。

2.2 拼接后球形天線球面材料的單向拉伸性能

為研究曲面拼接和平面拼接2種拼接方式對(duì)球形天線球面材料單向拉伸性能的影響，選取TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布和PVC夾網(wǎng)機(jī)織布，分別用曲面拼接和平面拼接的方式，對(duì)裁剪片進(jìn)行熱壓、膠接。2種材料、2種拼接方式所得球形天線球面材料試樣各取5塊。因主要測(cè)試拼縫的單向拉伸性能，所以仍按照拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)，具體測(cè)試同本文2.1.1節(jié)。

2.3 酸堿腐蝕后的TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的單向拉伸性能

沿經(jīng)向和緯向各準(zhǔn)備60塊矩形的酸堿腐蝕后的TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布，用于酸堿腐蝕后的TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的單向拉伸試驗(yàn)。具體測(cè)試同本文2.1.1節(jié)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

3.1 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布

3.1.1 單向拉伸性能

所得TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的單向拉伸測(cè)試結(jié)果歸納于表2。

表2 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布單向拉伸測(cè)試結(jié)果

3.1.2 抗撕裂性能

TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布經(jīng)向和緯向抗撕裂性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和圖6。

表3 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布撕裂測(cè)試結(jié)果

圖6 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布撕裂曲線

在機(jī)織布的梯形撕裂過(guò)程中，撕裂是由拉伸作用造成的[14]。受拉系統(tǒng)在載荷作用下，系統(tǒng)紗線開(kāi)始伸直、變形而形成受力三角區(qū)；隨著受拉系統(tǒng)承受的載荷逐漸增大，系統(tǒng)紗線產(chǎn)生較大形變，受力三角區(qū)逐漸變大，受力三角區(qū)的紗線根數(shù)增多，撕裂強(qiáng)力增大；繼而系統(tǒng)紗線發(fā)生斷裂，受力三角區(qū)發(fā)生移動(dòng)，直到受力三角區(qū)的紗線根數(shù)達(dá)到最多，受力三角區(qū)的變形最大，此時(shí)系統(tǒng)的撕裂強(qiáng)力值達(dá)到最大。

TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布經(jīng)向撕裂強(qiáng)力大于緯向，主要是因?yàn)門(mén)PU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布經(jīng)密大于緯密，經(jīng)向撕裂過(guò)程中所形成的受力三角區(qū)中承載負(fù)荷的紗線根數(shù)多，故受力三角區(qū)能承受較大形變，撕裂強(qiáng)力較大，而緯向撕裂時(shí)所形成的受力三角區(qū)中承載負(fù)荷的受力紗線根數(shù)相對(duì)較少，故撕裂強(qiáng)力較小。

3.1.3 頂破性能

TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布頂破試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果如表4和圖7所示。

表4 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布頂破測(cè)試結(jié)果

圖7 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布頂破曲線

圖7為典型的頂破曲線。TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布在受到頂破作用時(shí)，圓頭頂伸件與TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布由點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布沿負(fù)荷能力小的方向產(chǎn)生紗線變形、斷裂直至試樣完成頂破。頂破缺口沿經(jīng)向呈直線形，表明織物沿經(jīng)向負(fù)荷承載能力優(yōu)于緯向，這個(gè)結(jié)論與織物單向拉伸測(cè)試結(jié)果是一致的。

3.2 拼接后球形天線球面材料

拼接所得球形天線球面材料的單向拉伸性能如圖8所示。

(a) PVC夾網(wǎng)機(jī)織布

(b) TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布

從圖8的單向拉伸曲線可知：曲面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂強(qiáng)力均高于平面拼接的球形天線球面材料；無(wú)論是曲面拼接還是平面拼接，使用TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的球形天線球面材料的拉伸斷裂強(qiáng)力均高于使用PVC夾網(wǎng)機(jī)織布的球形天線球面材料；曲面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂線大多處在拼接線兩側(cè)的弱節(jié)處，這說(shuō)明曲面拼接的球形天線球面材料拼接處的拉伸斷裂強(qiáng)力高于機(jī)織布自身的拉伸斷裂強(qiáng)力，而平面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂線大多處在拼接處，這說(shuō)明平面拼接的球形天線球面材料拼接處的拉伸斷裂強(qiáng)力低于機(jī)織布自身的拉伸斷裂強(qiáng)力。究其原因在于，曲面拼接時(shí)機(jī)織布與曲面模具貼合更平整，熱壓時(shí)布面受力和受熱更均勻，膠膜均勻熔化于拼接處，不會(huì)在拼接處形成凹凸，而平面拼接時(shí)機(jī)織布經(jīng)平面熨斗與曲面模具貼合，易出現(xiàn)受力和受熱不均，使得拼接處出現(xiàn)凹凸，形成了拉伸弱節(jié)。

3.3 酸堿腐蝕后的TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布

圖9反映了TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布拉伸斷裂強(qiáng)力隨酸蝕時(shí)間的變化：0～8 h內(nèi)，TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布沿經(jīng)向和緯向的拉伸斷裂強(qiáng)力都迅速下降；8 h時(shí)，經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力下降到未酸蝕材料經(jīng)向強(qiáng)力的52.74%，緯向拉伸斷裂強(qiáng)力下降到未酸蝕材料緯向強(qiáng)力的63.28%；8～32 h內(nèi)，經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力又緩慢下降了11.95%，緯向拉伸斷裂強(qiáng)力又緩慢下降了13.23%。究其原因在于，酸性環(huán)境中，H+能顯著加速TPU涂層與水發(fā)生水解反應(yīng)，使TPU分子鏈發(fā)生斷裂，TPU涂層力學(xué)性能變差，因此，在酸蝕的0～8 h內(nèi)，TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的拉伸斷裂強(qiáng)力快速下降，且隨著TPU涂層的水解，TPU涂層與滌綸基布結(jié)合牢度快速降低，這進(jìn)一步促使TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的斷裂強(qiáng)力下降。

圖9 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布拉伸斷裂強(qiáng)力隨酸蝕時(shí)間的變化

圖10為T(mén)PU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布拉伸斷裂強(qiáng)力隨堿蝕時(shí)間的變化：TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布在堿蝕的0～32 h，其經(jīng)向和緯向的拉伸斷裂強(qiáng)力分別曲折緩慢地下降了26.85%和13.12%；在堿蝕的32～ 40 h，經(jīng)向和緯向的拉伸斷裂強(qiáng)力卻回復(fù)至初始的經(jīng)向和緯向斷裂強(qiáng)力。在堿性環(huán)境中，滌綸大分子中的酯基(—COO)在堿液中發(fā)生水解反應(yīng)，因此在堿蝕的0～32 h，隨著NaOH緩慢滲透到滌綸基布，TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的拉伸斷裂強(qiáng)力小幅度下降。但由于試驗(yàn)過(guò)程使用的是不同的試樣經(jīng)歷不同時(shí)間的腐蝕，故隨著堿液滲透程度的不同，拉伸斷裂強(qiáng)力曲線呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的下降趨勢(shì)。

圖10 TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布拉伸斷裂強(qiáng)力隨堿蝕時(shí)間的變化

總之，以上是TPU涂層在酸性條件下水解、滌綸基布在堿性條件下水解，以及涂層與基布結(jié)合牢度變化等共同作用的結(jié)果；且可以發(fā)現(xiàn)，TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布拉伸斷裂強(qiáng)力受堿蝕的影響相對(duì)較小。

4 結(jié)論

在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下對(duì)TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布進(jìn)行了拉伸、撕裂、頂破等力學(xué)性能測(cè)試；測(cè)試了曲面拼接和平面拼接2種方式對(duì)球形天線球面材料單向拉伸性能的影響；測(cè)試了TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆為20%的鹽酸和氫氧化鈉溶液腐蝕后的力學(xué)拉伸性能，得出：

(1) TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力高于緯向，經(jīng)向抗撕裂能力優(yōu)于緯向，頂破缺口表現(xiàn)為緯紗的斷裂；

(2) 曲面拼接的球形天線球面材料的拉伸斷裂強(qiáng)力大于平面拼接的球形天線球面材料；

(3) TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布的耐堿腐蝕性?xún)?yōu)于耐酸腐蝕性。酸蝕后的TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布拉伸斷裂強(qiáng)力下降得更快、更多，而相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉溶液對(duì)TPU涂層高強(qiáng)滌綸機(jī)織布拉伸斷裂強(qiáng)力的影響較小。

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Study on mechanical properties of spherical materials in the spherical antenna

ZhouQi1，JiangJinghua2，ChenNanliang1,2

1. College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China; 2. Engineering Research Center of Technical Textile, Ministry of Education， Donghua University, Shanghai 201620，China

In order to study required mechanical properties of spherical materials in the spherical antenna，the mechanical properties, such as the one-way tension, the tearing resistance and the bursting, of the TPU coated high-strength polyester woven fabric were tested, two stitching methods affecting the one-way tensile properties of spherical materials in the spherical antenna were studied, and the one-way tensile properties of the TPU coated high-strength polyester woven fabric after corrosion with 20%(w.t.) hydrochloric acid solution and sodium hydroxide solution were tested in the standard laboratory environment. The results showed that, the tensile breaking strength in the warp direction of the TPU coated high-strength polyester woven fabric was greater than that in the weft direction, the tensile breaking strength of spherical materials in the spherical antenna by curve surface stitching was greater than that by plane stitching, and the ability of alkali corrosion resistance of the TPU coated high-strength polyester woven fabric was superior to that of the acid corrosion resistance.

spherical antenna, spherical material,TPU coated high-strength polyester woven fabric, one-way tensile, tearing resistance, burst, stitch

*中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)應(yīng)用技術(shù)研究項(xiàng)目(J201507)；高性能纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助課題(277-10-0001036)

2016-07-18

周琪，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殛懙赜们蛐纬錃馓炀€的優(yōu)化制作

陳南梁，E-mail：nlch@dhu.edu.cn

TS101.8， TN823+.32

A

1004-7093(2017)03-0022-06