緯編針織交織復(fù)合材料的制備工藝研究

楊燕寧，孟家光，程燕婷，劉曉巧

（西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西西安 710048）

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[1]已普遍應(yīng)用在航空航天、軍工、航海、交通運(yùn)輸、建筑、體育等領(lǐng)域。紡織復(fù)合材料具有好的整體性[2]，適宜制作形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的構(gòu)件，加工成型方便，成本相對(duì)較低。紡織復(fù)合材料已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木材及金屬合金，被普遍應(yīng)用于工程領(lǐng)域。緯編結(jié)構(gòu)易變形[3]，在之前被認(rèn)定不適宜用于復(fù)合材料增強(qiáng)體，而近十幾年來(lái)，由于其延伸性、懸垂性、抗沖擊疲勞性能好，生產(chǎn)效率高和生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，逐漸出現(xiàn)在復(fù)合材料的應(yīng)用中。目前，對(duì)緯編針織物的探究逐漸增加與深化，緯編針織物用作復(fù)合材料的增強(qiáng)體也得到了快速發(fā)展。本研究主要在橫機(jī)上編織3種有代表性的緯編針織結(jié)構(gòu)。芳綸纖維既具有高模量高強(qiáng)度[4-5]，又具有耐腐蝕、耐磨損[6-7]等優(yōu)點(diǎn)，而超強(qiáng)聚乙烯纖維既具有高比強(qiáng)度和高比模量[8-9]，又具有密度小、耐沖擊和耐低溫[10]等特性，將兩種高性能纖維結(jié)合起來(lái)使用能夠使整體織物的質(zhì)量減輕，耐光、耐熱性能得到改善，充分發(fā)揮二者的優(yōu)異性能，編織出來(lái)的增強(qiáng)體具有十分優(yōu)越的性能。模壓成型具有生產(chǎn)效率高，外形尺寸控制準(zhǔn)確，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜制品可一次成型等優(yōu)點(diǎn)，因此，選用該成型方法制備芳綸與超強(qiáng)聚乙烯纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料。

本研究針對(duì)芳綸和超強(qiáng)聚乙烯纖維難以編織的特點(diǎn)，通過(guò)不斷試織選擇合適的編織工藝，設(shè)計(jì)并編織滿(mǎn)針羅紋、羅紋空氣層和集圈-平針復(fù)合組織增強(qiáng)體織物，實(shí)現(xiàn)在橫機(jī)上的編織，并測(cè)試了各種織物的基本參數(shù)，選用模壓成型工藝制備出芳綸與超強(qiáng)聚乙烯纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料。

1 編織

芳綸纖維由于其絲束沒(méi)有加捻且紗線(xiàn)表面剛性大，較光滑。超強(qiáng)聚乙烯纖維由于沒(méi)有捻度且摩擦強(qiáng)度較小，其紗線(xiàn)幾乎不吸水，編織時(shí)易起毛，需要在濕態(tài)下進(jìn)行編織。由于這兩種纖維很難編織，采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550 處理，并通過(guò)不斷試織選擇合適的編織工藝。同時(shí)，要在橫機(jī)機(jī)號(hào)允許的條件下，采用較粗的紗線(xiàn)編織較為密實(shí)的增強(qiáng)織物，增加復(fù)合材料中織物的體積占比，增強(qiáng)復(fù)合材料的整體性能。而能在橫機(jī)上編織無(wú)需裁剪就能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的織物，有助于后續(xù)復(fù)合材料的成型加工，而且改變工藝很方便；同時(shí)，緯編針織結(jié)構(gòu)延伸性好、易成型且成本低，因此，通過(guò)在橫機(jī)上多次試織3 種緯編針織交織增強(qiáng)體織物，得到3 種增強(qiáng)體織物組織的較優(yōu)編織工藝參數(shù)表，如表1所示；還需要調(diào)節(jié)合適的給紗張力和牽伸拉力。

表1 不同組織編織工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中選用的3 種緯編針織交織增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)為滿(mǎn)針羅紋組織、羅紋空氣層組織和集圈-平針復(fù)合組織。滿(mǎn)針羅紋組織比較密實(shí)，編織的織物平整度、彈性較好，橫向拉伸小，尺寸穩(wěn)定性和保形性好，滿(mǎn)針羅紋組織實(shí)物圖如圖1所示。羅紋空氣層織物橫向延伸性小，尺寸穩(wěn)定性好，織物厚實(shí)、挺括、豐滿(mǎn)。超強(qiáng)聚乙烯纖維的加入，增強(qiáng)了織物緯向的拉伸強(qiáng)力，羅紋空氣層組織實(shí)物圖如圖2所示。圖3為集圈-平針復(fù)合組織實(shí)物圖，由圖3可知，織物正反面呈現(xiàn)不同的性能和風(fēng)格，織物正面顯示的是芳綸紗線(xiàn)，反面是超強(qiáng)聚乙烯紗線(xiàn)。如果是表面需要耐高溫的部件，可以將芳綸所在的正面朝向外面；如果是在航海等領(lǐng)域抵抗沖擊性的，可以將超強(qiáng)聚乙烯纖維面作為外面使用。

圖1 滿(mǎn)針羅紋組織實(shí)物圖

圖2 羅紋空氣層實(shí)物圖

圖3 集圈-平針復(fù)合組織實(shí)物圖

2 制備

2.1 樹(shù)脂體系的選擇及其特征

基體樹(shù)脂是權(quán)衡復(fù)合材料性能的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。樹(shù)脂基體的性能直接關(guān)系到樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能，因此，選擇樹(shù)脂時(shí)要特別注意。一般要求選用的樹(shù)脂與纖維之間有一定的潤(rùn)濕性、界面粘結(jié)性，固化收縮率要小，賦予產(chǎn)品需要的力學(xué)、物理和化學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)采用環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂，其分子結(jié)構(gòu)式如下所示：

環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)式

從分子結(jié)構(gòu)可知，分子鏈上具有環(huán)氧主鏈結(jié)構(gòu)以及不飽和聚酯的雙鍵結(jié)構(gòu)，環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂環(huán)氧主結(jié)構(gòu)使其具有更強(qiáng)的物理性能和優(yōu)異的耐熱性；分子鏈末端的不飽和雙鍵結(jié)構(gòu)使得環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂具有高反應(yīng)活性，樹(shù)脂可快速固化，所以，環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂兼顧了環(huán)氧樹(shù)脂和不飽和聚酯的優(yōu)良性能。因此，環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂具有不飽和樹(shù)脂的特點(diǎn)，但優(yōu)于不飽和樹(shù)脂，具有較好的剛度、強(qiáng)度、耐腐蝕性能、黏度低和易加工等特點(diǎn)。因而，在發(fā)電領(lǐng)域用于制作風(fēng)車(chē)葉片，在航海方面用于生產(chǎn)輪船潛艇的部件，并可用于化工廠(chǎng)大型儲(chǔ)罐等，尤以玻璃鋼使用最廣。環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂有耐熱、耐腐蝕、低收縮等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種成型工藝。

綜合考慮制品的性能要求以及樹(shù)脂的特性，選用2-過(guò)氧化甲丁酮為引發(fā)劑，異辛酸鈷為促進(jìn)劑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到樹(shù)脂固化配方，環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂、固化劑與促進(jìn)劑的質(zhì)量比為100∶2∶1。

2.2 復(fù)合工藝的選擇

織物增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料成型工藝一般有模壓成型、層壓成型、片狀模塑料成型、手糊成型、樹(shù)脂傳遞模塑成型和反應(yīng)注射模塑成型等。

模壓成型模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模具結(jié)構(gòu)圖

模壓成型是將一定量的預(yù)混料或預(yù)浸料加入金屬對(duì)模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓來(lái)固化成型，與其他成型工藝相比，模壓成型生產(chǎn)效率較高，外形尺寸控制準(zhǔn)確，可有效降低制造成本，表面光潔，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜制品可一次成型，能有效避免分子取向，不會(huì)損壞復(fù)合材料制品性能，因此，選用該成型方法制備芳綸與超強(qiáng)聚乙烯纖維交織增強(qiáng)體復(fù)合材料。

2.3 制備過(guò)程

在復(fù)合前需要對(duì)增強(qiáng)體織物進(jìn)行清洗，再將織物浸漬于配制好的樹(shù)脂膠液中，使二者充分接觸；待樹(shù)脂膠液替換了織物孔隙里存在的空氣，把凡士林均勻地涂覆在模具的凸模和凹模的表面上，在凹模上倒上一層樹(shù)脂鋪平；然后將增強(qiáng)體織物鋪放到凹模中，在織物上面再倒上一層樹(shù)脂，等待樹(shù)脂達(dá)到凝膠狀態(tài)。加料完成后，將凸模和凹模相閉合，閉模后樹(shù)脂通過(guò)滲透慢慢進(jìn)入增強(qiáng)體織物內(nèi)部，在常溫有一定壓力的條件下使其充分固化。完成固化后，取下上方的凸模，制作完成的復(fù)合材料試樣如圖5所示。

圖5 制作完成的復(fù)合材料試樣

2.4 基本參數(shù)

織物的密度、厚度、纖維體積分?jǐn)?shù)和單位面積質(zhì)量是影響復(fù)合材料性能的重要因素，需對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 各種組織結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)

3 結(jié)論

（1）針對(duì)芳綸和超強(qiáng)聚乙烯纖維難以編織的特點(diǎn)，通過(guò)不斷試織選擇合適的編織工藝，設(shè)計(jì)并編織滿(mǎn)針羅紋、羅紋空氣層和集圈-平針復(fù)合組織增強(qiáng)體織物，實(shí)現(xiàn)在橫機(jī)上的編織。測(cè)試織物的基本參數(shù)，結(jié)果顯示，織物滿(mǎn)足作為復(fù)合材料增強(qiáng)體的要求。同時(shí)，總結(jié)編織時(shí)易出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題，并給出相應(yīng)的解決辦法。

（2）以芳綸與超強(qiáng)聚乙烯纖維交織增強(qiáng)體織物為增強(qiáng)體，環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂為基體，確定基體配比工藝為環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂、固化劑與促進(jìn)劑的質(zhì)量比為100∶2∶1，通過(guò)模壓成型工藝制備出滿(mǎn)針羅紋、羅紋空氣層和集圈-平針復(fù)合組織增強(qiáng)體復(fù)合材料。