芳綸緯編增強(qiáng)體復(fù)合材料的力學(xué)性能

翟媛媛,劉艷君,趙 瑞,王 進(jìn)

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

芳綸纖維屬于高性能纖維, 具有強(qiáng)度高、模量高、耐輻射、耐高溫、耐酸堿腐蝕、重量輕及絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但芳綸纖維表面光滑,其分子鏈沿纖維軸向排列規(guī)整,結(jié)晶度高,化學(xué)反應(yīng)活性低,與基體的界面結(jié)合能力差。芳綸復(fù)合材料受外力時(shí)易脫落,補(bǔ)強(qiáng)效果差,強(qiáng)力低[4-7],嚴(yán)重影響了芳綸在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用[8]。芳綸的表面改性方法包括化學(xué)改性、物理改性與協(xié)同改性等。采用合適的表面處理方式提高芳綸的表面活性，并增強(qiáng)其與基體的界面結(jié)合能力,同時(shí)也不破壞芳綸自身的優(yōu)異性能[9]，是目前芳綸復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

復(fù)合材料的增強(qiáng)體廣泛采用機(jī)織物與非織造材料,而針織物由于延伸性大、尺寸穩(wěn)定性差一直被認(rèn)為不適合用作增強(qiáng)體材料。但是，機(jī)織物與非織造材料增強(qiáng)體復(fù)合材料存在抗沖擊、剪切性能差等缺陷[10]。近年來(lái),有研究發(fā)現(xiàn)采用延伸性?xún)?yōu)異的緯編針織物作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，具有良好的成型性、耐沖擊性能以及良好的能量吸收性能[11-16]。目前, 國(guó)內(nèi)外對(duì)緯編針織增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了諸多研究。吳波偉等比較4種不同組織結(jié)構(gòu)的緯編針織物增強(qiáng)材料的拉伸性能,發(fā)現(xiàn)雙羅紋空氣層與羅紋空氣層組織的復(fù)合材料拉伸性能較優(yōu)[17]。KIM等研究得出緯編針織增強(qiáng)體具有較好的層間破壞性能[18]。李翠玉等選用UHMWPE纖維，編織了不同結(jié)構(gòu)的針織物作為增強(qiáng)體制備復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)不同織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的彎曲性能有影響,也表明高性能UHMWPE纖維編織的增強(qiáng)體材料具有較好的力學(xué)性能[19]。

本實(shí)驗(yàn)選用芳綸纖維為原料,采用絡(luò)合改性處理芳綸，以提高芳綸與基體界面結(jié)合性能,并編織2種不同組織結(jié)構(gòu)的緯編增強(qiáng)體,通過(guò)手糊成型法制備了2種復(fù)合材料并測(cè)試分析其拉伸、彎曲、壓縮、層間剪切等力學(xué)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑 對(duì)位芳綸纖維(3 220 dtex/2000F,東莞市正豐織帶有限公司); LiCl粉末(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司);丙酮(重慶川東化工生產(chǎn));無(wú)水乙醇(天津市大茂化學(xué)試劑廠);E-51型環(huán)氧樹(shù)脂(星辰化工無(wú)錫樹(shù)脂廠);聚酰胺樹(shù)脂650固化劑(上海樹(shù)脂廠有限公司);去離子水(實(shí)驗(yàn)室自制)。

1.1.2 儀器 JA3003N型電子天平(上海升隆電子科技有限公司)，DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋(天津泰斯特儀器公司)，Quanta-450-FEG+X-MAX50型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(美國(guó)FEI公司)，YG026D型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓紡織儀器廠)，DHG-9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海齊欣科學(xué)儀器有限公司)，5針/25.4毫米飛虎牌手搖橫機(jī)(臺(tái)灣盛美機(jī)械股份有限公司)。

1.2 材料制備

1.2.1 芳綸表面絡(luò)合改性 采用LiCl/無(wú)水乙醇溶液對(duì)芳綸纖維進(jìn)行表面絡(luò)合改性。絡(luò)合改性工藝為:LiCl/無(wú)水乙醇溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%,處理溫度78.5 ℃,處理時(shí)間5 h。

1.2.2 試樣編織 實(shí)驗(yàn)選用1+1滿(mǎn)針羅紋組織與羅紋空氣層組織等2種緯編針織增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)。1+1滿(mǎn)針羅紋組織織物平整度、彈性好,橫向拉伸小,且組織比較密實(shí),尺寸穩(wěn)定性和保形性好;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)。通過(guò)在橫機(jī)上多次編織,得到較優(yōu)編織工藝。試樣組織的規(guī)格及工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 試樣的規(guī)格和工藝參數(shù)

1.2.3 復(fù)合材料制備 根據(jù)GB/T 2567—2008《樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》制作改性處理前后芳綸纖維的E-51環(huán)氧基樹(shù)脂澆鑄體。聚酰胺樹(shù)脂650為固化劑,樹(shù)脂與固化劑配比為10∶3,烘箱溫度為60 ℃,加熱固化2 h。通過(guò)手糊成型工藝制備了出1+1滿(mǎn)針羅紋與羅紋空氣層復(fù)合材料。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 拉伸性能 根據(jù)GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》及GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》,測(cè)試并計(jì)算芳綸復(fù)合材料試樣的拉伸強(qiáng)度。計(jì)算公式為

(1)

式中:σt為拉伸強(qiáng)度,MPa;F為拉伸破壞載荷,N;b為試樣寬度,mm;d為試樣厚度,mm。

1.3.2 彎曲性能 根據(jù)GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》,選用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法測(cè)試試樣彎曲強(qiáng)度,加載速率為10 mm/min,每個(gè)試樣測(cè)試5次,取平均值。彎曲強(qiáng)度計(jì)算式為

(2)

式中:σf為彎曲強(qiáng)度,MPa;P為彎曲破壞載荷,kN;b為試樣寬度,mm;d為試樣厚度,mm;l為跨距,mm。

1.3.3 壓縮性能 參考GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》,測(cè)試試樣壓縮強(qiáng)度,每個(gè)試樣測(cè)試5次,取平均值。壓縮強(qiáng)度計(jì)算式為

(3)

式中:σc為壓縮強(qiáng)度,MPa;Q為壓縮破壞載荷,kN;b為試樣寬度,mm;d為試樣厚度,mm。

1.3.4 層間剪切強(qiáng)度 參照GB/T 28889—2012《復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能試驗(yàn)方法》測(cè)試復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度,加載速度為2 mm/min,每組測(cè)試5個(gè)試樣,取平均值。層間剪切強(qiáng)度計(jì)算式為

(4)

式中:σ1為層間剪切強(qiáng)度,MPa;p為破壞時(shí)的最大載荷,N;b為試樣寬度,mm;d為試樣厚度,mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能

芳綸緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料試樣拉伸性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表 2 芳綸緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料拉伸性能測(cè)試結(jié)果

由表2可知,經(jīng)LiCl/乙醇溶液改性處理前,2種芳綸緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料的縱向拉伸強(qiáng)度均大于橫向,且羅紋空氣層組織復(fù)合材料的縱橫向拉伸強(qiáng)度均大于1+1滿(mǎn)針羅紋。這是由于材料受拉伸時(shí),由于橫、縱向同時(shí)受力的纖維數(shù)量有差異,縱向受力纖維數(shù)量多,因此其縱向拉伸強(qiáng)度較大。羅紋空氣層組織結(jié)構(gòu)緊密、織物厚實(shí),同時(shí)樹(shù)脂進(jìn)入空氣層內(nèi),兩者能更緊密結(jié)合,使得其縱、橫向的拉伸強(qiáng)度較高。

經(jīng)LiCl/乙醇溶液處理后，復(fù)合材料縱、橫向拉伸破壞載荷、拉伸強(qiáng)度都有較大提升,且1+1滿(mǎn)針羅紋組織增強(qiáng)體復(fù)合材料縱向拉伸強(qiáng)度提高率為23.03%。這是由于絡(luò)合劑和酰胺基團(tuán)上的原子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),使芳綸纖維表面粗糙度增大,親水性能增強(qiáng)，機(jī)械咬合點(diǎn)增多,織物與樹(shù)脂基的界面黏結(jié)性能提升。在受拉伸時(shí),樹(shù)脂基與增強(qiáng)體同時(shí)受力,不易產(chǎn)生分層現(xiàn)象,復(fù)合材料的拉伸性能提高。說(shuō)明絡(luò)合改性處理可提高復(fù)合材料的拉伸性能。

2.2 彎曲性能

芳綸緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料試樣彎曲性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表 3 芳綸緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試結(jié)果

從表3可知,改性處理前,2種增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料橫向彎曲強(qiáng)度均大于縱向。羅紋空氣層組織能更好地與樹(shù)脂基體結(jié)合,從而其彎曲強(qiáng)度優(yōu)于1+1滿(mǎn)針羅紋增強(qiáng)體復(fù)合材料。經(jīng)LiCl/乙醇溶液處理后,2種增強(qiáng)體復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度均有很大提升，縱向彎曲強(qiáng)度提高率達(dá)到35.30%～51.87%。說(shuō)明LiCl/乙醇溶液的處理使增強(qiáng)體與基體的界面黏結(jié)性增加,極大地提高了復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

2.3 壓縮性能

芳綸緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料試樣壓縮性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,經(jīng)LiCl/乙醇溶液改性處理后,2種組織復(fù)合材料的縱向壓縮強(qiáng)度均大于橫向,且羅紋空氣層增強(qiáng)體復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度高于1+1滿(mǎn)針羅紋，主要原因與線圈的排列方式及編織形式有關(guān)。經(jīng)改性處理后，2種增強(qiáng)體復(fù)合材料的縱、橫向壓縮強(qiáng)度都得到了明顯提高,說(shuō)明LiCl/乙醇溶液的改性處理極大地提高了復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

表 4 芳綸緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料壓縮性能測(cè)試結(jié)果

2.4 層間剪切性能

芳綸緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料試樣層間剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出:經(jīng)LiCl/乙醇溶液絡(luò)合處理后,2種芳綸緯編針織增強(qiáng)體復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度均增大。1+1滿(mǎn)針羅紋增強(qiáng)體復(fù)合材料的縱、橫向?qū)娱g剪切強(qiáng)度更大;而羅紋空氣層增強(qiáng)體復(fù)合材料的縱向?qū)娱g剪切強(qiáng)度提高率較高，達(dá)到28.25%。原因是經(jīng)LiCl/乙醇溶液絡(luò)合處理，破壞了芳綸纖維表面酰胺鍵中的羰基,芳綸纖維表面的粗糙度增加,樹(shù)脂基與芳綸增強(qiáng)體的接觸面積變大,復(fù)合材料的界面性能得到改善,因此界面剪切強(qiáng)度提升。

3 結(jié) 論

1) 經(jīng)LiCl/無(wú)水乙醇溶液絡(luò)合處理,2種組織結(jié)構(gòu)的芳綸緯編針織增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸、彎曲、壓縮和層間剪切強(qiáng)度均有提高；

2) 2種增強(qiáng)體復(fù)合材料縱向拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度與層間剪切強(qiáng)度比橫向高,而橫向彎曲強(qiáng)度高于縱向；

3) 羅紋空氣層緯編增強(qiáng)體復(fù)合材料比1+1滿(mǎn)針羅紋增強(qiáng)體復(fù)合材料的拉伸、彎曲、壓縮性能更優(yōu)異。