紗羅網(wǎng)格織物增強PP/黃麻復(fù)合材料力學(xué)性能

吳帥，吳華偉，王春紅，鹿超，左祺

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387； 2.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000)

天然纖維增強熱塑性樹脂復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的韌性、密度小、易加工、可設(shè)計性高以及對環(huán)境友好等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾、體育用品和家裝建筑等領(lǐng)域[1]。與其它天然纖維相比，黃麻纖維以其產(chǎn)量高、中等比強度、密度小和廉價[2–5]等優(yōu)勢成為重要研究對象，以黃麻纖維作為增強體制備的復(fù)合材料環(huán)保性能優(yōu)越[6]。聚丙烯(PP)密度小、熔點低，同時具備中等剛度和強度，是目前應(yīng)用最為廣泛的熱塑性樹脂之一[7]。

目前，麻纖維增強熱塑性復(fù)合材料多數(shù)以單一增強體的形式出現(xiàn)，比如非織造布增強熱塑性復(fù)合材料，織物增強熱塑性復(fù)合材料等。非織造布增強熱塑性復(fù)合材料具有較高的變形能力和能量吸收能力，且工藝簡單，成本較低[8]。非織造布增強樹脂基復(fù)合材料單位成本的拉伸性能優(yōu)越，但是增強纖維排列雜亂無序，各向異性，與織物相比對非織造布的性能預(yù)測會更加困難[9]?？椢镌鰪姌渲鶑?fù)合材料雖然力學(xué)性能優(yōu)越，材料尺寸穩(wěn)定性好，但是熱塑性樹脂熔融狀態(tài)下黏度大，織物增強體結(jié)構(gòu)緊密，使得樹脂難以浸漬[10–11]。另外紗線的加捻結(jié)構(gòu)、機織物和編織物中紗線屈曲的存在以及針織物的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，均會使得復(fù)合材料力學(xué)性能下降[12–14]。

復(fù)合材料的力學(xué)性能受增強體結(jié)構(gòu)的限制，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)單一時其可設(shè)計性受到限制。國外的Bcomp公司率先提出將天然纖維網(wǎng)格織物與平紋織物聯(lián)合使用，通過真空樹脂傳遞模塑(VRTM)成型工藝制備復(fù)合材料[15–16]。研究結(jié)果表明，增加單層網(wǎng)格織物可使復(fù)合材料的承載能力提升250%。Stephen[17]使用單向纖維(碳纖維、玻纖等)增強熱固性樹脂作為增強桿，將增強桿作為加強筋制備復(fù)合材料，增強了最終產(chǎn)品的單向力學(xué)性能。

張旭峰等[18]采用濕法預(yù)浸工藝分別將平紋織物和網(wǎng)格織物浸漬，然后將植物纖維網(wǎng)格織物覆蓋在平紋織物上通過樹脂傳遞模塑料成型(RTM)、模壓等工藝制備復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，含加強筋復(fù)合材料承載力提升約20%～40%。董曉陽等[19]將含鏤空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維增強樹脂預(yù)浸料鋪放在連續(xù)纖維增強樹脂預(yù)浸料上，通過模壓工藝制成三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用于電池箱上蓋。采用的鏤空網(wǎng)格的連續(xù)增強纖維材料與短切纖維增強復(fù)合材料混合制備預(yù)浸料，可以實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)強度的需求，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

目前有關(guān)加筋型復(fù)合材料，大部分的研究集中于織物增強熱固性樹脂基復(fù)合材料，而以熱塑性樹脂為基體，以非織造布為增強體形式的研究較薄弱。為了擴展非織造布增強復(fù)合材料的應(yīng)用，解決其承載力不足的問題，筆者通過對半自動小樣織機進行改造，采用弱捻單股黃麻粗紗織造紗羅網(wǎng)格織物，同時將黃麻纖維與PP纖維混合開松梳理成非織造布，然后將紗羅網(wǎng)格織物覆蓋在PP/黃麻非織造布表面，最后通過模壓成型工藝制備紗羅網(wǎng)格增強PP/黃麻復(fù)合材料(LRPJC)。為了研究LRPJC的力學(xué)性能，以相同的制備工藝條件分別制備了PP/黃麻復(fù)合材料(PJC)和平紋網(wǎng)格織物增強PP/黃麻復(fù)合材料(PRPJC)。測試結(jié)果表明，LRPJC與PJC和PRPJC相比具有更好的拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能。動態(tài)機械分析(DMA)儀三點彎曲測試結(jié)果表明，隨著溫度的升高LRPJC具有優(yōu)異的黏塑性、阻尼性能，具有應(yīng)用在汽車外飾領(lǐng)域的前景。

1 實驗部分

1.1 原材料

黃麻纖維：長度為70 mm，直徑100～350 μm,濉溪縣蘊豐麻紡有限公司；

PP纖維：纖維細度840D，長度64 mm，軟化點溫度120℃，熔點180℃，山東壽光永旭防水材料有限公司；

單股弱捻黃麻粗紗：直徑1 mm，嘉琦繩網(wǎng)有限公司；

PP紗線：直徑0.5 mm，山東捷銳化纖繩網(wǎng)有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

小和毛機：XFH型，青島市膠南針織機械廠；

小型羅拉梳理機：天津嘉誠機電設(shè)備有限公司改造組裝；

花式捻線機：HN32-04型，蘇州市華飛紡織科技有限公司；

半自動小樣織機：DWL150型，蘇州市華飛紡織科技有限公司；

塑料制品液壓機：Y/TD71-45A型，天津市天鍛壓力機有限公司；

萬能強力機：Instron3369型，美國Instron公司；

數(shù)顯擺錘沖擊試驗機：XCJD系列，承德金和儀器制造有限公司；

DMA儀：DMA242E型，德國耐馳公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：Phenom XL型，荷蘭Phenom-World公司；

超景深三維顯微系統(tǒng)：Z16APOA型，徠卡微系統(tǒng)有限公司。

1.3 復(fù)合材料的制備

(1) PP/黃麻非織造布制備。

采用小和毛機對黃麻纖維和PP纖維分別進行開松，然后混合處理(黃麻與PP質(zhì)量比為4∶6）。采用小型羅拉梳理機將混合纖維進行梳理成氈。

(2)紗羅網(wǎng)格織物織造。

為了提高單股黃麻紗上機強力、減少黃麻粗紗的毛羽以及縮短PP樹脂熔融狀態(tài)下的浸漬距離，通過花式捻線機，使用PP紗線對單股弱捻黃麻粗紗進行包纏處理。

對半自動小樣織機進行改進，用于紗羅網(wǎng)格織物的織造。紗羅網(wǎng)格織物的組織圖、示意圖及實物圖如圖1所示。為了與紗羅網(wǎng)格織物進行比較，以相同的材料和鋼筘制備了平紋網(wǎng)格織物。

圖1 紗羅網(wǎng)格織物的組織圖、示意圖、實物圖

(3)復(fù)合材料的制備。

將PP/黃麻纖維非織造布沿著梳理方向鋪放，然后將紗羅網(wǎng)格織物覆蓋在PP/黃麻非織造布表面，最后將其放入塑料制品液壓機中進行模壓加工。

首先是預(yù)處理，將溫度升至80℃(上下模同時到達指定溫度，下同)，壓力調(diào)至5 MPa，保壓60 min，去除纖維中的水分。然后將溫度階梯式(10℃為一階)升至150℃，卸壓1 min，然后加壓至5 MPa，保壓4 min，如此循環(huán)3次去除處于高彈態(tài)基體中的氣泡，減少成品復(fù)合材料中的孔隙，保證其力學(xué)性能的優(yōu)越性[20]。最后將壓力調(diào)至14 MPa，溫度階梯式調(diào)至185℃，保壓11 min。以相同的成型工藝分別制備LRPJC，PJC和PRPJC，相關(guān)參數(shù)列于表1。

表1 復(fù)合材料基本參數(shù)

1.4 性能測試與表征

(1)力學(xué)性能測試。

拉伸性能按照GB/T 1447–2005測試。試樣長×寬×厚為250 mm×25 mm×d(d為試樣厚度，mm)，拉伸速度為5 mm/min，拉伸試樣跨距為170 mm，每組測試5個試樣取其平均值。

彎曲性能按照GB/T 9341–2008測試。試樣長×寬為(20×d)×25 mm；加載速度為1 mm/min；彎曲試樣跨距為16×d。每組測試5個有效試樣取其平均值作為最后結(jié)果。

沖擊性能按照GB/T 1043.1–2008測試。試樣長×寬為(25×d)×15 mm；沖擊試樣跨距為20×d。擺錘能量7.5 kJ，沖擊速度為3.8 m/s，擺錘預(yù)揚角為160°。每組測試10個有效試樣取其平均值作為最后結(jié)果。

動態(tài)力學(xué)性能測試。采用三點彎模式，試樣長×寬×高為60 mm×12 mm×d，升溫速度5℃/min，振幅15 μm，頻率1 Hz。

(2)微觀斷面分析。

SEM：對試樣噴金處理，然后采用SEM對斷面微觀形貌進行觀察并拍照；

超景深測試：采用超景深三維顯微系統(tǒng)觀察斷面的形狀以及纖維抽拔斷裂的形態(tài)。

(3)復(fù)合材料拉伸/彎曲過程能量吸收。

復(fù)合材料拉伸試樣測試過程中，試樣的能量吸收受拉伸強度和斷裂伸長率共同影響[21]。定義試樣拉伸過程中吸收的能量除以試樣的橫截面積為單位面積上的能量吸收值如(1)式所示。

式中：at——試樣拉伸斷裂吸收的能量，kJ/m2；

xmax——試樣拉伸至斷裂最大位移，mm；

fs——試樣拉伸測試過程中受到的力，N；

b——試樣寬度，mm；

d——試樣厚度，mm。

復(fù)合材料彎曲測試存在兩種能量積分值用于評價試樣在彎曲過程中的能量吸收，一種是整個彎曲過程中的能量吸收，另一種是彎曲損傷應(yīng)力之前的能量吸收[21]。為了準確地比較彎曲過程中的能量吸收，只討論彎曲損傷應(yīng)力之前的能量吸收。定義彎曲試驗過程中吸收的能量除以試樣的橫截面積為單位面積上的能量吸收值如(2)式所示。

式中：af—試樣彎曲過程吸收的能量，kJ/m2；

xN——試樣彎曲載荷最大時彎曲位移，mm；

ff—試樣彎曲測試過程中受到的力，N。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的力學(xué)性能及損傷機理

LRPJC，PJC和PRPJC的拉伸性能如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料的拉伸性能

由圖2可以看出，LRPJC的拉伸強度、拉伸彈性模量分別為43.09 MPa，5.02 GPa，PJC的拉伸強度、拉伸彈性模量分別為40.27 MPa，4.16 GPa，PRPJC的拉伸強度、拉伸彈性模量分別34.68 MPa和4.15 GPa。其中，LRPJC的拉伸性能最優(yōu)。與PJC相比，LRPJC的拉伸強度、拉伸彈性模量分別提高7%，20.67%。與PRPJC相比，LRPJC的拉伸強度、拉伸彈性模量分別提高24.25%，20.96%。

LRPJC和PJC的拉伸斷裂失效形式如圖3所示，可以看到LRPJC的力學(xué)失效主要是因為纖維斷裂和基體斷裂所致，而PJC的力學(xué)失效主要是因為纖維的抽拔斷裂導(dǎo)致。黃麻纖維的抽拔斷裂與直接斷裂相比，力學(xué)性能未得到充分的利用。另外，通過超景深三維顯微系統(tǒng)觀察復(fù)合材料拉伸斷面，如圖4所示。從圖4可以清楚地看到，PJC的拉伸斷面呈“鋸齒狀”，纖維抽拔得更多，而LRPJC的拉伸斷面相比PJC的拉伸斷面則更加平整。紗羅網(wǎng)格織物的強力要高于黃麻纖維，因此在試樣拉伸過程中，保證了黃麻纖維斷裂的同時性，提高了復(fù)合材料吸收能量的能力，使得黃麻纖維的力學(xué)性能得到充分利用，進而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖3 PJC和LRPJC拉伸斷裂失效形式

圖4 PJC和LRPJC的拉伸斷面SEM照片

平紋網(wǎng)格織物和紗羅網(wǎng)格織物結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。PRPJC的拉伸性能之所以最差，主要有兩個原因，一方面平紋網(wǎng)格織物的經(jīng)緯紗交織產(chǎn)生的屈曲較為明顯，經(jīng)緯紗屈曲的存在嚴重影響著復(fù)合材料的力學(xué)性能。另一方面，紗羅網(wǎng)格織物經(jīng)緯紗由絞經(jīng)固定，織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而平紋網(wǎng)格織物由于經(jīng)緯密度太小而導(dǎo)致織物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，進而織物經(jīng)緯紗在復(fù)合材料中分布不勻使得拉伸性能下降。

圖5 平紋網(wǎng)格織物和紗羅網(wǎng)格織物示意圖

復(fù)合材料的彎曲性能如圖6所示。從圖6可以看出，PJC的彎曲強度和彎曲彈性模量分別為59.83 MPa和5.10 GPa，LRPJC的彎曲強度和彎曲彈性模量分別為71.13 MPa和6.6 GPa，PRPJC的彎曲強度和彎曲彈性模量分別為64.17 MPa和5.43 GPa。其中LRPJC的彎曲性能最優(yōu)，LRPJC相比PJC彎曲強度和彎曲彈性模量分別提高18.87%和23.33%。LRPJC相比PRPJC彎曲強度、彎曲彈性模量分別提高10.84%和21.55%。

圖6 復(fù)合材料的彎曲性能

在彎曲測試過程中同時存在著復(fù)合材料下半部分拉伸，上半部分壓縮以及內(nèi)部的剪切等形變方式。紗羅網(wǎng)格織物覆蓋在復(fù)合材料表面起到類似于鋼筋的作用，可以有效地提高復(fù)合材料的損傷應(yīng)力。此外，在相同的應(yīng)力下，加筋的復(fù)合材料具有高應(yīng)變，減緩基部復(fù)合材料因受拉以及受壓帶來的損傷，進而提高復(fù)合材料的承載能力。

2.2 復(fù)合材料拉伸/彎曲過程能量吸收

復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖7可以看到，在相同的應(yīng)變條件下，LRPJC具有高應(yīng)變和高應(yīng)力。加筋復(fù)合材料在到達最大值載荷后并未直接失效，而是階梯式下降，主要是因為非織造布部分應(yīng)力失效后加強筋再逐個失效，起到一定的承載作用，保證了復(fù)合材料具有更好的韌性。

圖7 復(fù)合材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8為在試樣拉伸過程中3種復(fù)合材料吸收的能量值。由圖8可以看出，PJC，LRPJC和PRPJC的吸收能量值分別為3 927.97，8 367.44，5 498.63 J。單位面積上能量吸收值分別為75.1，124.64，88.92 kJ/m2。LRPJC在拉伸實驗過程中單位面積吸收能量值最大，與PJC相比，提高了65.97%，與PRPJC相比提高了40.17%。

圖8 PJC，LRPJC和PRPJC拉伸過程能量吸收值

復(fù)合材料彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示。當復(fù)合材料到達損傷應(yīng)力時，加筋的復(fù)合材料具有更高的應(yīng)力和應(yīng)變值。圖10為在試樣彎曲過程中三種復(fù)合材料吸收的能量。PJC，LRPJC和PRPJC的能量吸收值分別為174.06，579.58，398.29 J。三種復(fù)合材料的單位面積上的能量吸收值分別為3.61，8.51，7.02 kJ/m2。LRPJC單位面積上的能量吸收值比PJC單位面積上的能量吸收值提高135.45%，突出了加筋復(fù)合材料優(yōu)異的韌性。

圖9 復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖10 PJC，LRPJC和PRPJC彎曲過程的能量吸收值

2.3 復(fù)合材料沖擊過程的能量吸收

為了更加直觀地描述復(fù)合材料的能量吸收問題，進行了簡支梁沖擊實驗。簡支梁沖擊實驗結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看到，PJC，LRPJC，PRPJC復(fù)合材料的沖擊強度分別為22.93，55.3，38.96 kJ/m2，其中LRPJC與PJC相比，其沖擊強度提高141.17%，與彎曲過程中能量吸收有著相同的趨勢。沖擊強度的提高進一步說明紗羅網(wǎng)格織物增強PP/黃麻復(fù)合材料韌性的提高以及沖擊破壞時吸收能量的能力優(yōu)異性。

圖11 復(fù)合材料的簡支梁沖擊性能

2.4 復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能分析

優(yōu)良的阻尼特性能起到減振降噪的作用，進而使機械系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強[22]。損耗因子tanδ即儲能模量E'與損耗模量E''比值，常用來反映材料的黏性特性以及阻尼特性[23]。

復(fù)合材料的儲能模量、損耗模量和損耗因子如圖12所示。由圖12可以看出，在交變應(yīng)力模式下，LRPJC的儲能模量低于PJC，但隨著溫度的升高，LRPJC的儲能模量下降速率明顯低于PJC，說明隨著溫度的升高，LPJRC力學(xué)損耗速率小。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之前，LRPJC的損耗因子上升的速率高于PJC，峰值后，二者以幾乎相近的速率下降。通過比較損耗因子發(fā)現(xiàn)，LRPJC的損耗因子大于PJC，這說明在25～100℃，隨著溫度的提高，LRPJC具有更好的黏塑性和阻尼性能。

圖12 復(fù)合材料儲能模量、損耗模量和損耗因子

3 結(jié)論

(1)單股弱捻黃麻粗紗增強PP復(fù)合材料具有一定的強力與剛度，將平紋網(wǎng)格織物和紗羅網(wǎng)格織物與非織造布聯(lián)合使用，可以有效地提高非織造布復(fù)合材料的承載能力。

(2)網(wǎng)格織物作為加強筋用于增強PP/黃麻復(fù)合材料，其拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能均高于未加筋的PP/黃麻復(fù)合材料。

(3)與平紋網(wǎng)格織物相比，紗羅網(wǎng)格織物經(jīng)緯紗互不交織，通過絞經(jīng)固定經(jīng)緯紗，保證織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，紗羅網(wǎng)格織物作為加強筋增強PP/黃麻復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能。此外，隨著溫度升高，紗羅網(wǎng)格織物增強PP/黃麻復(fù)合材料具有更好的黏塑性和阻尼性能。

紗羅網(wǎng)格織物以其獨特的特征，經(jīng)緯紗無屈曲產(chǎn)生且通過絞經(jīng)固結(jié)使得織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，利于異型件的制備。且以紗羅網(wǎng)格織物作為增強材料與PP/黃麻復(fù)合材料復(fù)合使用可以有效地提高PP/黃麻復(fù)合材料的力學(xué)性能，使其具有在汽車外飾等高承載力領(lǐng)域的應(yīng)用前景。