UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料制備及性能研究

魏 冬，薛 濤，孟家光

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西西安 710048)

UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料制備及性能研究

魏 冬，薛 濤，孟家光

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西西安 710048)

采用平板硫化機制備UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料，確定基體配制的工藝，同時對改性前后的UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能、壓縮性能及層間剪切性能等基本力學(xué)性能進(jìn)行了探究，分析了不同增強體下復(fù)合材料的破壞情況。實驗結(jié)果表明，最佳的基體工藝為：環(huán)氧樹脂：固化劑=10:3，稀釋劑丙酮10%，擴散劑鄰苯二甲酸二丁酯20%，混合溫度50℃，攪拌時間20min；對比分析改性前后的針織增強體復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)，增強體選用羅紋半空氣層襯緯組織更為理想。

超高分子量聚乙烯纖維 針織增強體 力學(xué)性能 基體工藝

0 前言

針織組織富有彈性、懸垂性和高能量吸收性，特別是其可成型性在生產(chǎn)異形的復(fù)合材料增強體中有著突出的優(yōu)勢，近年來在復(fù)合材料的研究與應(yīng)用中越來越受到人們的關(guān)注[1-2]。高性能纖維針織增強體復(fù)合材料有著梭織增強體復(fù)合材料所無可比擬的優(yōu)良特性，自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外對高性能纖維針織增強體復(fù)合材料的研究日益加強[3-5]。而UHMWPE纖維作為繼碳纖維、芳綸之后的第三大高技術(shù)纖維，因其質(zhì)量、比強度比模量、韌性、耐磨損性能等比其他高性能纖維表現(xiàn)更為優(yōu)越，在消防、環(huán)保、航空航天、工程塑料、建筑等軍工和民用等領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用[6-8]。

針織增強體與其他紡織結(jié)構(gòu)增強體復(fù)合材料相比，針織增強體復(fù)合材料剛度和強度總體稍遜色于梭織和編織結(jié)構(gòu)增強體復(fù)合材料，但比梭織和編織結(jié)構(gòu)增強體復(fù)合材料擁有更好的互融性和各向同性[9-10]。本文通過UHMWPE纖維各種針織增強體與環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合，制備出了UHMWPE纖維各種針織增強體復(fù)合材料，確定了最佳的基體工藝，并對其拉伸、彎曲、壓縮和層間剪切性能進(jìn)行了測試表征。

1 試驗

1.1 實驗材料及儀器

紗線：1600D/1385F UHMWPE纖維(北京特力化纖有限公司)。

試劑：E-51型環(huán)氧樹脂(分析純，無錫樹脂廠)、聚酰胺樹脂(分析純，鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司)、丙酮(分析純，濟寧佰一化工有限公司)。

設(shè)備：5針/25.4mm 飛虎牌手搖橫機(臺灣盛美機械股份有限公司)、XLB-D型平板硫化機(鄭州大眾機械制造有限公司)。

1.2 編織工藝參數(shù)

為了比較不同針織結(jié)構(gòu)對其復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，設(shè)計與試織了五種增強體：包括滿針羅紋、羅紋半空氣層組織及其襯緯組織、雙層平針組織和針織機織層合結(jié)構(gòu)，以上組織結(jié)構(gòu)的編織工藝參數(shù)如下頁表1。

表1 針織增強體的編織工藝參數(shù)

1.3 織物工藝參數(shù)測試

1.3.1 織物厚度

參照GB/T13762-92土工布厚度測定方法。均勻加壓10N，同一塊增強體挑選不同部位測試，測試10次，取平均值。

1.3.2 織物密度

參照FZ70002-91針織物線圈密度測試方法。將下機后的針織物靜置達(dá)到平衡后進(jìn)行測試。

1.3.3 線圈長度

參照FZ/T 01031測定針織增強體的線圈長度，選用脫散法求其實際長度[11]。

1.3.4 平方米克重

參照GB/T13762-92土工布單位面積質(zhì)量的測定方法，表2為各種織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表2 各種織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.4 針織增強體復(fù)合材料的制備

1.4.1 基體配比

環(huán)氧樹脂是熱塑性型樹脂，需在環(huán)氧樹脂中添加適量的固化劑。本試驗選用固化劑是聚酰胺樹脂650。根據(jù)低分子量聚酰胺樹脂配比環(huán)氧樹脂的計算公式[12]：

w(PA)=(56100/(AV)×fn)×EV

式中：PA指聚酰胺樹脂；

fn是系數(shù)，fn=n+2/n+1；(n 為—CH2CH2—的重復(fù)數(shù)減去1)

EV指環(huán)氧值；(E-51的環(huán)氧值為0.51mol/100g)

AV指胺值；(PA650胺值為400)

由公式5-1計算，w(PA)=(56100/400×2.5)×0.51=28.611

經(jīng)計算，聚酰胺樹脂的理論用量為 28.611%。在實驗過程中，會有部分樹脂的損失，故確定固化劑用量為30%。

1.4.2 基體配制工藝確定

經(jīng)過對環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂特點進(jìn)行研究和計算，樹脂與固化劑的最佳配比為10:3；因固化劑的粘稠度較大，復(fù)合時基體涂覆不勻且與環(huán)氧樹脂混合受阻，需要加入適量的丙酮和鄰苯二甲酸二丁酯；樹脂和固化劑在適當(dāng)?shù)臏囟认禄旌陷^為充分，故混合前需將樹脂與固化劑在一定溫度下保持一定時間。經(jīng)過多次重復(fù)試驗得到了基體的配制工藝，如表3所示。

表3 基體的配制工藝

1.4.3 熱壓工藝選定

在確定最佳工藝的過程中，需根據(jù)樹脂的性能指定適當(dāng)?shù)臏囟取毫皶r間，溫度、壓力過高過低，保壓時間過長過短均不適宜。過高過長，不僅延長了生產(chǎn)周期，還使樹脂交聯(lián)過大，密度增加，導(dǎo)致增強體與樹脂基體之間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，制品在頂出時會發(fā)生破裂現(xiàn)象；過低過短，則會導(dǎo)致樹脂固化不完全，制品在脫模后會繼續(xù)收縮而出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象[13]?？梢?，合理的熱壓工藝對復(fù)合材料成型及其物化性能尤為重要。本課題選定的熱壓工藝如下：

(1)首先預(yù)熱30min，加壓0.5MPa，50℃。

(2)接下來在50℃下保溫3h，升壓到2.0MPa。

(3)隨后，升溫至80℃，30min，保壓2.0MPa。

(4)緊接著保溫保壓(80℃、2.0MPa)5h。

(5)室溫靜置，直至成型穩(wěn)定。

1.4.4 復(fù)合材料制備

按計算好的基體配比，分別稱量環(huán)氧樹脂和固化劑，50℃下預(yù)熱20min，混合均勻，依次加入一定量的分散劑和促進(jìn)劑，在超聲波清洗器中振蕩 5min 左右；將稱量好的聚酰胺樹脂和配制好的環(huán)氧樹脂倒入不銹鋼容器中用玻璃杯攪拌均勻，涂在事先用簽子撐平整的UHMWPE纖維增強體上，用刮板將織物正反面的樹脂涂抹均勻。然后在常溫下進(jìn)行自然固化，使樹脂從粘流態(tài)固化到凝膠態(tài)。等復(fù)合材料預(yù)成坯基本固化后，將其放在平板硫化機型腔內(nèi)進(jìn)行熱壓，接著脫模取樣，打磨處理，得到待測試樣。

1.5 測試方法

1.5.1 拉伸性能

參照GB/T1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進(jìn)行測試。

為防止試樣與試驗機夾頭之間相對滑移，在試樣的兩端粘結(jié)加強片，并在室溫下固化24h以上，加強片選用比試樣彈性模量低的鋁片，長×寬×厚為50×25×1mm。測試溫度為23℃，相對濕度為45%，拉伸速度為10mm/min，夾具間距離為10cm，每組測試5個試樣，結(jié)果取平均值。

1.5.2 彎曲性能測試

參照GB/T1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB/T1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，對所制得的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行分類、編號、劃線，并測量試樣工作段任意三處的寬和厚，每組測試5個試樣，結(jié)果取平均值?？绾癖冗x5/10，則跨距為30mm，試驗加載速度為10mm/min。其彎曲強度計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：σf一彎曲強度，MPa；

P一破壞時的最大載荷，N；

l一跨距，mm；

h一試樣厚度，mm；

b一試樣寬度，mm。

1.5.3 壓縮性能測試

參照GB/T 1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB/T 1448-2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》來加工試樣。壓縮試驗加載速度為3mm/min，每組測試5個試樣，結(jié)果取平均值。

1.5.4 層間剪切性能測試

參照GB/T 28889-2012測定復(fù)合材料層間剪切強度，計算公式如式(2)[14]所示，加載速度為2mm/min，每組測試5個試樣，結(jié)果取平均值。

( 2)

式中：σILSS一層間剪切強度(Mpa)；

P一破壞時的最大載荷(N)；

b一試片寬度(m)；

d一試片厚度(m).

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

對UHMWPE纖維不同增強體改性前后復(fù)合材料的經(jīng)緯向進(jìn)行拉伸強度測試，計算結(jié)果如表4所示。

表4 UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料拉伸性能

從表4可以看出：不同增強體UHMWPE纖維復(fù)合材料的纖維體積含量及其斷裂強度不同，且兩者之間有著一定的關(guān)系。雙層增強體復(fù)合材料的拉伸強力明顯大于單層增強體復(fù)合材料，增強體的拉伸強度均在25MPa以上，其中滿針羅紋的最大，其次是羅紋半空氣層襯緯組織、雙層平針組織和羅紋半空氣層組織，最小的是針織機織層合結(jié)構(gòu)。明顯可以看出纖維體積含量越高，對應(yīng)的拉伸強度越大。這是因為UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料的拉伸強度主要取決于增強體主體強度，UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料中纖維體積含量越高，其對應(yīng)拉伸強度越大。

表中明顯看出經(jīng)向拉伸強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于緯向拉伸強度，只有羅紋半空氣層增強體的緯向拉伸強度大于經(jīng)向拉伸強度。這是因為線圈的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)所致的，當(dāng)UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料試樣受到經(jīng)向拉伸時，主要是線圈的圈柱1承受載荷，若把每一個線圈兩個圈柱近似看成是兩根經(jīng)向紗線，那么試樣經(jīng)向的每英尺紗線根數(shù)為12根；而當(dāng)UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料試樣受到緯向拉伸時，主要是線圈的沉降弧2和針編弧3承受載荷，此時可以把上一個線圈的沉降弧和本橫列線圈的針編弧近似看作是一根緯向紗線，則試樣緯向每英尺紗線根數(shù)為7.5根。因為經(jīng)向拉伸試樣紗線根數(shù)大于緯向，所以UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料經(jīng)向拉伸強度總是大于緯向。之所以羅紋半空氣層襯緯組織增強體的緯向拉伸強度大于經(jīng)向拉伸強度是由于該組織沿緯向墊入了UHMWPE長絲，在受到拉伸時，每英尺墊入紗的根數(shù)為7.5根，所承載的每英尺紗線總根數(shù)為15根，所以羅紋半空氣層增強體UHMWPE纖維復(fù)合材料的緯向拉伸強度大于經(jīng)向拉伸強度。

圖1 線圈結(jié)構(gòu)圖

通過單位體積含量纖維的拉伸強度進(jìn)行比較，增強體為針織機織層合結(jié)構(gòu)的UHMWPE纖維復(fù)合材料經(jīng)向的最大，為78.72MPa，羅紋半空氣層襯緯組織的UHMWPE纖維復(fù)合材料緯向的最大，為75.91MPa，綜合考慮UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料的經(jīng)緯向拉伸性能，所研究的針織增強體中羅紋半空氣層襯緯組織更為理想。

2.2 彎曲性能

對UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料各試樣的彎曲性能分別進(jìn)行測試，測試計算結(jié)果如表5所示。

表5 UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料彎曲性能

從表5可以看出：不同增強體的UHMWPE纖維復(fù)合材料的彎曲強度均在20MPa以上，其中滿針羅紋改性經(jīng)向的最大，為51.88MPa，最小的是針織機織層合結(jié)構(gòu)未改性緯向彎曲強度，為22.01MPa。從中得出纖維體積含量越高，對應(yīng)的彎曲強度越大。經(jīng)鉻酸改性后的UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料的彎曲性能得到了明顯的改善，漲幅可達(dá)到24.67%，同時經(jīng)向彎曲強度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于緯向彎曲強度。究其原因，也是由于試樣的經(jīng)向紗線數(shù)多于緯向。同時，未經(jīng)改性的復(fù)合材料的彎曲斷口處基體幾乎從纖維表面完全剝離，而經(jīng)改性之后，UHMWPE纖維復(fù)合材料的彎曲性能得到了較大改善，其復(fù)合材料的斷口較為整齊，界面性能良好，可見鉻酸改性UHMWPE纖維可以提高其復(fù)合材料的彎曲強度。

通過單位體積含量纖維的彎曲強度進(jìn)行比較，增強體為羅紋半空氣及其襯緯組織的結(jié)構(gòu)的UHMWPE纖維復(fù)合材料經(jīng)向的最大，為73.86MPa，羅紋半空氣層襯緯組織的UHMWPE纖維復(fù)合材料緯向的最大，為72.08MPa，綜合考慮UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料的經(jīng)緯向彎曲性能，所研究的針織增強體中羅紋半空氣層襯緯組織更為理想。

2.3 壓縮性能

對UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料各試樣的壓縮性能分別進(jìn)行測試，結(jié)果如表6所示。

表6 UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料壓縮性能

從表6可以看出：經(jīng)鉻酸改性后的UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料的壓縮強度有了小幅度地提高，最大漲幅可達(dá)到13.57%，同時，經(jīng)緯向復(fù)合材料的壓縮強度相差不大，均在45MPa以上；就單位體積含量復(fù)合材料的壓縮強度可知，改性之后UHMWPE纖維針織物增強體復(fù)合材料的壓縮強度較改性之前均有小幅度增加，經(jīng)緯向壓縮強度沒有明顯差異，壓縮性能表現(xiàn)更為優(yōu)異的是針織機織層合結(jié)構(gòu)，經(jīng)緯向位體積含量復(fù)合材料的壓縮強度均在120MPa以上。與UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料的彎曲性能相比，其壓縮強度顯示出很高的各向同性，研究者認(rèn)為，壓縮載荷的破壞模式十分依賴于樹脂基體的性能，盡管針織結(jié)構(gòu)的方向?qū)嚎s性能有一定影響，但是主要控制因素還是基體的性能。

2.4 層間剪切性能

對UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料各種試樣層間剪切性能分別進(jìn)行測試，計算結(jié)果如表7所示。

表7 UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料層間剪切性能

從表7可以看出：各增強體UHMWPE纖維復(fù)合材料層間剪切強度均在30MPa以上，增強體為滿針羅紋的經(jīng)緯向復(fù)合材料的層間剪切強度最大，可達(dá)到77.19MPa和79.93MPa，明顯看出改性后復(fù)合材料的層間剪切性能得到了極大的改善，最大提高率可達(dá)到 45.3%。經(jīng)改性后，增強體表面不僅出現(xiàn)大量的細(xì)槽和孔洞等，增大了增強體與樹脂基體的接觸面積，同時增強體引入了極性基團，有了更多的和環(huán)氧樹脂相似的結(jié)構(gòu)和非極性，在范德華力的作用下很好地與環(huán)氧樹脂基體相結(jié)合。通過單位體積纖維含量σLLSS的分析，增強體改性后的強度均在85MPa以上，表明改性后UHMWPE纖維針織增強體復(fù)合材料具有優(yōu)良的界面性能。

3 結(jié)論

(1)通過研究確定了最佳的基體工藝為：環(huán)氧樹脂：固化劑=10:3，稀釋劑丙酮10%，擴散劑領(lǐng)苯二甲酸二丁酯20%，混合溫度50℃，攪拌時間20min。

(2)UHMWPE纖維針織增強體與基體復(fù)合工藝流程為：鋪平織物→涂抹樹脂→冷卻至半固化→涂脫模劑→置于平板硫化機中→合上模具→預(yù)熱50℃ MPa→保溫加壓2.0MPa→保壓升溫80℃ →保溫保壓5h →冷卻成型24h→脫模取樣→打磨整理→裁剪打磨。

(3)將最優(yōu)鉻酸表面改性工藝處理前后的UHMWPE纖維各種針織增強體與環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合，制備出了UHMWPE纖維針織物增強體復(fù)合材料，并對其拉伸、彎曲、壓縮和層間剪切性能進(jìn)行了測試表征，對比分析改性前后的針織增強體復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)，增強體選用羅紋半空氣層襯緯組織更為理想。

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2017-06-07

陜西省教育廳重點試驗室專項項目(15JS030)；陜西省產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心科研資助項目(2015ZX-06)。

魏冬(1993-)，男，碩士研究生，研究方向：針織新材料、新技術(shù)、新工藝。

孟家光(1964-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。

TS102

A

1008-5580(2017)04-0068-06