柔性苧麻復(fù)合材料制備及其性能表征

趙勇 李丹丹 王強(qiáng) 田偉 祝成炎

摘要：采用納米SiO2為原料，制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的剪切增稠液，按照一定復(fù)合工藝制備剪切增稠-苧麻織物復(fù)合材料。采用SEM、FTIR表征，并對(duì)其進(jìn)行交織阻力、透氣性、拉伸性能等測(cè)試。結(jié)果表明：剪切增稠液是一個(gè)未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定體系。經(jīng)過(guò)浸漬處理，苧麻纖維表面被均勻包覆，織物表面變的粗糙，被大量納米SiO2顆粒填充；隨著浸漬處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，交織阻力增大。織物的透氣性隨著浸漬處理增加而降低，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，透氣性明顯下降；斷裂強(qiáng)力隨著浸漬質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，高速拉伸時(shí)斷裂強(qiáng)力明顯增大。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；交織阻力；透氣性；拉伸性能

中圖分類號(hào)：TS195.644文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-265X（2018）03-0025-04Preparation and Characterization of Flexible Ramie Composite

ZHAO Yong， LI Dandan， WANG Qiang，TIAN Wei， ZHU Chengyan

（Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry

of Education， Zhejiang SciTech University， Hangzhou 310018， China）Abstract：SiO2 was used as raw materials to prepare various concentrations of shear thickening fluid（STF）. According to a certain technique， STFramie fabric composites were made. The composites were characterized with SEM and FTIR， and the interweaving resistance， permeability， tensile properties were tested. The results show that： STF is a stable system without chemical reactions. After the impregnation treatment， ramie fiber surface was uniformly coated. Fabric surface became rough， and it was filled with a large number of nano silica particles. With the increase of the concentration of the impregnation process， interleaving resistance increased， and permeability of the fabric decreased. Permeability significantly decreased when the concentration was 20%. Breaking strength increased with the increasing concentration of impregnation. The breaking strength increased significantly at high speed stretch.

Key words：composites； interweaving resistance； permeability； tensile property

通信作者：祝成炎，Email：cyzhu@zstu.edu.cn柔性復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在防護(hù)服方面，其良好的防刺、抗沖擊等性能和良好的舒適性越來(lái)越受到人們的青睞[12]。以往采用高性能玻璃纖維、高強(qiáng)聚乙烯、芳綸等為柔性復(fù)合材料的原料，但其有成本過(guò)高、不易降解處理的缺陷，對(duì)于一些民用防護(hù)要求不高的領(lǐng)域，柔性苧麻復(fù)合材料越來(lái)越受到人們的關(guān)注，其具有可完全降解、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)[3]。剪切增稠液體廣泛應(yīng)用在防護(hù)領(lǐng)域，能有效提高織物的防刺、抗沖擊、拉伸性能[46]。由于其性能優(yōu)良，剪切增稠復(fù)合材料已廣泛用在軍用領(lǐng)域[78]。透氣性一定程度上反映出織物的舒適性[9]。織物的交織阻力是表示組織點(diǎn)處的經(jīng)紗與緯紗之間的摩擦力，即單紗抽拔出來(lái)所受到的最大阻力[10]。現(xiàn)階段少有文獻(xiàn)對(duì)剪切增稠液體系的穩(wěn)定性進(jìn)行報(bào)道，并且對(duì)柔性復(fù)合材料交織阻力和不同拉伸速度下的拉伸性能研究方面具有單一性[1112]，尚未發(fā)現(xiàn)將兩者進(jìn)行同時(shí)研究的相關(guān)結(jié)論。因此，為制備性能優(yōu)良與舒適性良好的柔性苧麻復(fù)合材料，本文以納米SiO2為原料，制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的剪切增稠液，優(yōu)化復(fù)合工藝，制備出剪切增稠苧麻織物復(fù)合材料試樣。采用SEM、FTIR表征分析，測(cè)試復(fù)合織物的交織阻力、透氣性、拉伸性能，分析剪切增稠苧麻織物復(fù)合效果以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)剪切增稠液對(duì)其性能影響。1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

原料：20 nmSiO2（阿拉丁試劑上海有限公司）；聚乙二醇-200（上海浦東高南化工廠）；無(wú)水乙醇（分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司）；苧麻織物（湖北陽(yáng)新遠(yuǎn)東麻業(yè)有限公司）基本參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)儀器：Instron 3367電子萬(wàn)能材料測(cè)試儀（ITW集團(tuán)應(yīng)斯特朗公司），JJ1型增力電動(dòng)攪拌器（常州普天儀器制造有限公司），JSM5610掃描電子顯微鏡（日本株式會(huì)社），PS40A型超聲波清洗機(jī)（深圳日升五金制品有限公司），LC213型鼓風(fēng)干燥箱（上海愛(ài)斯佩克環(huán)境公司），Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀（美國(guó)熱電公司），YG461D型數(shù)字式織物透氣量?jī)x（溫州方圓儀器有限公司）。

1.2試樣制備

選取納米SiO2為分散相粒子，以聚乙二醇為分散介質(zhì)，在增力攪拌器攪拌和超聲波清洗機(jī)振蕩雙重作用下，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、15%、20%、25%、30%的剪切增稠液，溫度設(shè)定為35 ℃。將剪切增稠液與無(wú)水乙醇混合稀釋處理，體積比例為1∶1.5，攪拌和超聲波振蕩雙重作用25 min，保證其混合均勻。選取尺寸為20 cm×20 cm苧麻織物浸漬處理，浸漬處理時(shí)間為20 min，烘干備用。浸漬處理裝置如圖1。

2性能測(cè)試

SEM觀察：掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合織物微觀形貌。

傅立葉紅外光譜測(cè)試：分別測(cè)試SiO2、聚乙二醇和剪切增稠液。測(cè)試條件設(shè)定為波長(zhǎng)4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)32。

交織阻力測(cè)試：參照FZ/T 01054.3—1999《織物風(fēng)格試驗(yàn)方法 交織阻力試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。設(shè)定試驗(yàn)牽引速度50 mm/min，上下夾持器距離30 mm。

透氣性性能測(cè)試：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5435—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》測(cè)試。試樣在溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%環(huán)境中進(jìn)行調(diào)濕處理，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)壓差100 Pa。

拉伸性能測(cè)試：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7689.5—2001《增強(qiáng)材料 機(jī)織物試驗(yàn)方法 第5部分 玻璃纖維拉伸斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》。試樣尺寸250 mm×25 mm；儀器參數(shù)設(shè)置夾持距離100 mm。

3結(jié)果與分析

3.1SEM測(cè)試與分析

采用JSM5610LV掃描電鏡，觀察SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的剪切增稠液浸漬前后的苧麻織物微觀形貌，如圖2所示。

從圖2中可以看出，浸漬處理前，苧麻纖維表面較整潔，僅有一些片狀果膠。而浸漬處理后的纖維被納米SiO2均勻包覆，纖維表面沒(méi)有光澤、粗糙。未經(jīng)處理的苧麻織物表面較光滑，纖維雜質(zhì)較少，織物內(nèi)部纖維束清晰可見(jiàn)。經(jīng)過(guò)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的剪切增稠液復(fù)合后，織物表面粗糙，可以看到有大量的SiO2顆粒附著在織物表面，并且部分填充在紗線與紗線之間和經(jīng)緯紗交織點(diǎn)上，使得織物內(nèi)部紗線中纖維有效粘結(jié)。

3.2FTIR光譜測(cè)試與分析

采用Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜儀對(duì)SiO2、聚乙二醇和剪切增稠液中的進(jìn)行官能團(tuán)測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果如圖3所示。

由圖3中SiO2的譜圖可以看出，在472、800、1 100 cm-1出的吸收峰分別為Si—O—Si鍵的彎曲振動(dòng)吸收峰、對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰、反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰。在1 650 cm-1處峰主要是游離水等H—O—H彎曲振動(dòng)吸收峰，在3 440 cm-1處峰主要是反對(duì)稱的O—H鍵伸縮振動(dòng)吸收峰。聚乙二醇的C—C鍵、C—O—C鍵、CH2鍵特征吸收峰也與標(biāo)準(zhǔn)譜圖大致相同。二者混合制得剪切增稠液譜圖中的特征峰同時(shí)出現(xiàn)了二氧化硅與聚乙二醇的吸收峰，并且沒(méi)有新的特征吸收峰出現(xiàn)。說(shuō)明配制的剪切增稠液是一個(gè)沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定體系。

3.3交織阻力測(cè)試與分析

剪切增稠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與復(fù)合織物交織阻力的關(guān)系如圖4所示，由圖4可以看出，苧麻織物經(jīng)過(guò)剪切增稠液浸漬處理后，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合織物的交織阻力增加。剪切增稠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與織物交織阻力的擬合曲線的回歸方程為：y=3.04+0.276x，其中方程相關(guān)系數(shù)R=0.986 59，R大于0.9，有明顯的線性關(guān)系。復(fù)合織物的交織阻力與浸漬處理剪切增稠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈較好的正相關(guān)?？椢锝?jīng)緯紗線在交織過(guò)程中，均有不同程度的屈曲，單紗的抽拔過(guò)程可以分為單紗紗線由屈曲狀態(tài)伸直和抽出兩個(gè)過(guò)程。浸漬處理后，苧麻織物紗線與紗線間、紗線自身纖維之間均填充了大量的納米SiO2顆粒，單紗的屈曲部分更是填充了大量的納米SiO2顆粒，纖維之間的抱合力增強(qiáng)。當(dāng)抽拔單紗時(shí)，紗線間的動(dòng)摩擦因數(shù)增大，屈曲伸直過(guò)程紗線受到的阻力增大，抽出過(guò)程同樣如此。但當(dāng)濃度增加到一定程度時(shí)，由于苧麻織物間填充的納米SiO2顆粒趨于飽和，使得苧麻復(fù)合織物的交織阻力增加緩慢。

3.4透氣性測(cè)試與分析

為方便研究，苧麻織物分為5組，記為A、B、C、D、E、F，分別經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、10%、15%、20%、25%、30%的剪切增稠液浸漬處理，由于單層織物透氣性良好，所以選取4層織物為1組，每組織物選擇5處不同部位進(jìn)行測(cè)試，取其平均值，結(jié)果如表2所示，剪切增稠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與復(fù)合織物透氣性的關(guān)系如圖5所示。

3.5拉伸性能測(cè)試與分析

當(dāng)拉伸速度分別為50，100和200 mm/min時(shí)，苧麻復(fù)合織物的拉伸性能參數(shù)如表3所示，復(fù)合織物斷裂強(qiáng)力與拉伸速度關(guān)系如圖6所示。

由表3及圖6可以看出，經(jīng)過(guò)浸漬處理的苧麻復(fù)合織物與原樣相比，斷裂強(qiáng)力增大，斷裂伸長(zhǎng)減小。并且斷裂強(qiáng)力隨浸漬處理濃度增大而增大。經(jīng)過(guò)浸漬處理后，復(fù)合織物紗線與紗線之間、紗線內(nèi)部纖維之間、經(jīng)緯紗交織點(diǎn)上均被大量納米SiO2填充，使得紗線表面變得粗糙，摩擦因數(shù)增大，拉伸過(guò)程中，滑動(dòng)摩擦力增大，引起拉伸斷裂強(qiáng)力增加，斷裂伸長(zhǎng)減小。低速50 mm/min拉伸下增速緩慢，高速200 mm/min拉伸下斷裂強(qiáng)力增加效果明顯，最大斷裂強(qiáng)力與最小斷裂強(qiáng)力差值為107.11 N。說(shuō)明剪切增稠抗快速拉伸變形效果明顯。在低速拉伸下，復(fù)合織物紗線發(fā)生拉伸變形，紗線由屈曲狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，纖維發(fā)生滑移及斷裂；在高速拉伸時(shí)，苧麻復(fù)合織物受到拉伸作用，纖維不易產(chǎn)生移動(dòng)，使纖維同時(shí)承受的縱向載荷增多，紗線與纖維更多的產(chǎn)生斷裂而不是滑移。所以斷裂強(qiáng)力明顯增大，浸漬處理濃度大，填充的二氧化硅顆粒更多，效果更加明顯。

4結(jié)論

a） FTIR測(cè)試表明，SiO2與聚乙二醇的特征吸收峰在剪切增稠液譜圖上均有出現(xiàn)，且沒(méi)有新的特征吸收峰出現(xiàn)，說(shuō)明剪切增稠液是一個(gè)未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定體系。SEM結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)浸漬處理苧麻纖維表面被SiO2均勻包覆。苧麻織物表面變的粗糙，被大量納米SiO2顆粒填充。

b） 經(jīng)過(guò)浸漬處理，復(fù)合織物紗線間紗線動(dòng)摩擦

因數(shù)增加，復(fù)合織物的交織阻力變大。且隨著浸漬處理濃度增加，交織阻力增大。復(fù)合織物的透氣率隨著浸漬處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，透氣性明顯下降。

c） 浸漬處理后，斷裂強(qiáng)力隨著浸漬質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。低速拉伸時(shí)斷裂強(qiáng)力增加不明顯，高速拉伸時(shí)斷裂強(qiáng)力明顯增大。

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