玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料的制備與彎曲性能研究

張宏偉 高曉平

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010080

紡織復(fù)合材料是以紡織材料為增強(qiáng)體, 其他材料為基體復(fù)合而成的一種重要的基礎(chǔ)材料，是現(xiàn)代紡織材料與復(fù)合技術(shù)的集成與創(chuàng)新。紡織復(fù)合材料不僅有顯著的抗應(yīng)力集中、耐沖擊和抗裂紋擴(kuò)展的能力，還可以通過(guò)選擇不同的鋪層方式提升其力學(xué)性能，從而在航空航天、能源環(huán)境、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中發(fā)揮重要作用[1-3]。

紡織材料增強(qiáng)體作為復(fù)合材料的主要承力載體，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有重要影響。相對(duì)于其他紡織基增強(qiáng)體，緯編針織物線圈中的紗線具有特定的取向性和黏聚力[4]，能減少纖維間的滑移，從而增加纖維在特定方向上的穩(wěn)定性，也能避免纖維與復(fù)合材料中樹脂間脫黏現(xiàn)象的發(fā)生[5-6]。因此，以緯編針織物為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，即緯編針織復(fù)合材料一般具有較好的成型性、延伸性、能量吸收性、耐疲勞性等特性[7-9]。目前，眾多學(xué)者對(duì)緯編針織復(fù)合材料力學(xué)性能的研究大多集中在材料的拉伸、壓縮和彎曲性能的測(cè)試與分析[10-14]方面。

本文首先將芳綸與維綸共混制備混紡紗，采用電腦針織橫機(jī)制備線圈結(jié)構(gòu)為滿針羅紋、雙反面和緯平針的3種針織物，再經(jīng)退維工藝去除維綸后得3種純芳綸針織物。然后分別以這3種不同線圈結(jié)構(gòu)的純芳綸針織物為芯層，以單軸玻璃纖維經(jīng)編織物為上、下表層，鋪層疊加后得到三層增強(qiáng)織物。最后以環(huán)氧樹脂和固化劑混合膠液為基體，基于真空輔助樹脂傳遞模塑工藝(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，簡(jiǎn)稱“VARTM”)制備出三層結(jié)構(gòu)的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣。通過(guò)測(cè)試各試樣縱向和橫向的彎曲性能，分析芯層織物線圈結(jié)構(gòu)對(duì)玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣彎曲性能的影響，探討各試樣的結(jié)構(gòu)與其彎曲性能間的關(guān)系，為今后提升夾芯復(fù)合材料力學(xué)性能的研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和設(shè)備

玻璃纖維和碳纖維(E-玻纖，東山泰山玻纖股份有限公司)，F(xiàn)-12型芳綸紗和維綸紗(重慶奧億制線廠化妝品有限公司)，NO.1-692-2A型環(huán)氧樹脂和NO.1-692-2B型固化劑(深圳郎博萬(wàn)先進(jìn)材料有限公司)。龍星 LXC-252S型電腦針織橫機(jī)。

1.2 試樣制備

1.2.1 純芳綸緯編針織物

將繞有芳綸和維綸的兩個(gè)紗筒固定于電腦針織橫機(jī)臺(tái)上，將紗線穿過(guò)并喂入導(dǎo)紗瓷眼，維綸紗纏繞在芳綸紗的表面，維綸、芳綸混紡紗有相同的捻度和張力?；旒徏喛稍黾蛹喚€與織針的摩擦力，便于成圈和編織過(guò)程的順利進(jìn)行。本試驗(yàn)以滿針羅紋、雙反面和緯平針3種線圈結(jié)構(gòu)(圖1)在電腦針織橫機(jī)上制備緯編針織物試樣，編織參數(shù)如表1所示。

圖1 3種緯編針織物的線圈結(jié)構(gòu)

表1 3種緯編針織物的線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)

將制備好的滿針羅紋、雙反面和緯平針3種線圈結(jié)構(gòu)的緯編針織物試樣分別溶于水中，經(jīng)退維工藝流程見(jiàn)圖2即浸泡、攪拌、沖洗和烘干工序，后去除各試樣中的維綸紗，得到純芳綸緯編針織物。

圖2 退維工藝流程

1.2.2 單軸玻纖經(jīng)編織物

以玻璃纖維(玻纖)為紗線，在經(jīng)編織機(jī)的縱向或橫向連續(xù)喂入玻纖紗制備單軸玻纖經(jīng)編織物，然后經(jīng)滌綸Z紗“捆綁”而成，該織物表面平整，浸透性能優(yōu)異，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 單軸玻纖經(jīng)編織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.3 玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料

以純芳綸緯編針織物為芯層，單軸玻纖經(jīng)編織物為上、下表層，鋪層疊加后成為三層增強(qiáng)織物。以質(zhì)量比為100∶30的環(huán)氧樹脂和固化劑混合膠液為基體，通過(guò)VARTM工藝制備出3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣。

以滿針羅紋緯編針織物為例的具體成型工藝如圖3所示。

圖3 VARTM成型工藝制備玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料示意(以滿針羅紋緯編針織物為例)

1.3 結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試

1.3.1 纖維體積分?jǐn)?shù)

參照GB/T 2577-2005《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法》，通過(guò)灼燒法測(cè)定并計(jì)算各玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣中的纖維體積分?jǐn)?shù)。

將試樣在溫度分別為270、350、425 ℃的馬弗爐中灼燒30 min，將灼燒后的試樣從馬弗爐中取出，冷卻后稱取質(zhì)量并記錄結(jié)果(表3)。按式(1)計(jì)算玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣中的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf。

Vf=ρmWf/(ρfWm+ρmWf)×100%

(1)

式中：Wf——灼燒后試樣的質(zhì)量，g；

Wm——增強(qiáng)體質(zhì)量，g；

ρf——纖維密度，g/cm3；

ρm——基體密度，取1.11 g/cm3。

1.3.2 彎曲性能

參照 GB /T 1449-2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》將3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣沿其縱向和橫向分別切割為130 mm×15 mm×2 mm的測(cè)試樣。在WDW-30KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試試樣的彎曲性能，其中，試驗(yàn)儀的恒定加載速率為2 mm/min。

試樣的彎曲性能可采用彎曲強(qiáng)度、彎曲應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)藕蛷澢Ａ縀表征，計(jì)算式如式(2)～式(4)所示。

式中：F——施加載荷，N；

l——跨距,為32mm；

b——試樣寬度,為5mm；

h——試樣厚度，為2mm；

式中：δ——彎曲撓度，mm；

式中：ΔF——載荷差，N；

Δδ——載荷差對(duì)應(yīng)的撓度差，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維體積分?jǐn)?shù)

3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣及其增強(qiáng)體灼燒前后的質(zhì)量和纖維體積分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果列于表3。

表3 各試樣及其增強(qiáng)體灼燒前后的質(zhì)量和纖維體積分?jǐn)?shù)

2.2 彎曲性能

3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料縱/橫向的彎曲性能計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 各試樣縱/橫向的彎曲性能計(jì)算結(jié)果

各試樣的彎曲性能對(duì)比如圖4所示。

圖4 各試樣的彎曲性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)比各試樣縱向的彎曲性能可知：以雙反面織物為增強(qiáng)體的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣的當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量最小，與這一試樣相比，以緯平針織物為增強(qiáng)體的試樣的當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量分別增加了40.20%和45.29%；以滿針羅紋織物為增強(qiáng)基的試樣的當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量最大。

通過(guò)對(duì)比各試樣橫向的彎曲性能可知，以緯平針織物為增強(qiáng)體的試樣的當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量最小。與這一試樣相比：以雙反面針織物為增強(qiáng)基的試樣的當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量分別增加了36.90%和32.79%；以滿針羅紋織物為增強(qiáng)基的試樣的當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量分別增加了115.48%和147.54%。各試樣縱/橫向當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量的差異充分說(shuō)明，復(fù)合材料增強(qiáng)體的織物結(jié)構(gòu)對(duì)其彎曲性能有重要影響。

2.3 影響彎曲性能的因素

對(duì)比3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣縱向和橫向的彎曲載荷-撓度曲線(圖4)發(fā)現(xiàn)，各試樣縱向的最大彎曲載荷明顯不同。其中，以滿針羅紋織物為增強(qiáng)基的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣具有最大的彎曲載荷，以緯平針織物為增強(qiáng)基的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣次之，以雙反面織物為增強(qiáng)基的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣最小。造成這種顯著差異的因素很多，包括增強(qiáng)體中針織物的線圈長(zhǎng)度、縱密和緯密及線圈圈柱的彎曲狀態(tài)等。滿針羅紋針織物的圈柱呈伸直無(wú)彎曲狀態(tài)，雙反面針織物中的圈柱為歪斜狀態(tài)，緯平針織物線圈的圈柱狀態(tài)介于兩者之間。

圖4 試樣縱向和橫向的彎曲載荷-撓度曲線

3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣橫向的最大彎曲載荷較為接近，以滿針羅紋織物為增強(qiáng)基的試樣有較大的撓度，這與該復(fù)合材料試樣的承載結(jié)構(gòu)和芯層織物的線圈結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。橫向彎曲試驗(yàn)中，3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣的主要受力承載體均為增強(qiáng)體織物的針編弧、沉降弧和基體，所以這3種試樣的最大彎曲載荷基本一致。滿針羅紋針織物的正面線圈與反面線圈按1∶1交替編織而成，表現(xiàn)為一列縱行為正面線圈，相鄰縱行為反面線圈，正、反面線圈不平行，由此形成的沉降弧會(huì)發(fā)生較大的扭曲，所以下機(jī)后的滿針羅紋織物會(huì)向線圈縱行相互靠攏，導(dǎo)致橫向產(chǎn)生收縮，橫向密度和厚度增大。因此，當(dāng)滿針羅紋針織物的橫向受力時(shí)，縱行線圈逐漸趨于一個(gè)平面，沉降弧逐漸伸直，表現(xiàn)出較大的橫向延伸性。因此，以滿針羅紋織物為增強(qiáng)基的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣在橫向彎曲測(cè)試中體現(xiàn)出較大的形變。

3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣沿縱向的最大彎曲載荷明顯大于其橫向，這主要是沿不同方向進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣的承載體不同造成的。縱向彎曲試驗(yàn)時(shí)，各試樣的主要承載體是增強(qiáng)體芳綸針織物的線圈和表層的玻璃纖維，而橫向彎曲試驗(yàn)時(shí)，各試樣的主要承載體是基體和增強(qiáng)體芳綸針織物的針編弧和沉降弧。此外，增強(qiáng)體織物中的縱向承載紗線圈數(shù)明顯多于橫向，且基體和增強(qiáng)體材料的力學(xué)性能不同，玻纖的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于芳綸針織物，故3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣縱向的最大彎曲載荷明顯大于其橫向。

3 結(jié)論

本文研究了以玻纖/芳綸針織物為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹脂和固化劑混合膠液為基體的玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣縱向和橫向的彎曲性能，探究了增強(qiáng)體芯層針織物的線圈結(jié)構(gòu)對(duì)玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣彎曲性能的影響，可得如下結(jié)論。

(1)3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料試樣縱向和橫向的彎曲性能差異較大，縱向彎曲當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量從高到低依次為以滿針羅紋織物為增強(qiáng)體的復(fù)合材料、以緯平針織物為增強(qiáng)體的復(fù)合材料、以雙反面織物為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。各復(fù)合材料試樣橫向的當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量從高到低依次為以滿針羅紋織物為增強(qiáng)體的復(fù)合材料、以雙反面織物為增強(qiáng)體的復(fù)合材料、以緯平針織物為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。

(2)玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料的最大彎曲載荷受試樣中纖維體積分?jǐn)?shù)、增強(qiáng)體針織物的線圈長(zhǎng)度、線圈彎曲狀態(tài)、縱密和橫密等多個(gè)因素的影響。其中，線圈圈柱的彎曲狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料試樣的彎曲性能影響較為明顯。針織物增強(qiáng)體中處于伸直狀態(tài)的線圈圈柱可顯著提高復(fù)合材料試樣的最大彎曲載荷。

(3)3種玻纖/芳綸針織物夾芯復(fù)合材料中，承載紗線多的方向具有較好的彎曲性能，復(fù)合材料在該方向所表現(xiàn)出的當(dāng)量強(qiáng)度和當(dāng)量模量較大。