織物經(jīng)緯向?qū)柘鹉z制品成型工藝及力學(xué)性能的影響

姬 敏，雷海軍

（西北橡膠塑料研究設(shè)計院有限公司，陜西 咸陽 712023）

橡膠材料具有柔軟易變形、彈性高、環(huán)境適應(yīng)性好等特點，織物材料具有強(qiáng)度和模量高等特點，橡膠材料與織物材料復(fù)合而成的橡膠制品結(jié)合兩者優(yōu)勢，在國防和民用工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-2]。

硅橡膠與織物復(fù)合的橡膠制品具有密封、減震和降噪等功能，主要通過橡膠與織物模壓硫化而成，其中織物主要為滌綸針織布、玻璃纖維布等，織物對保證橡膠制品的尺寸穩(wěn)定性和強(qiáng)度等具有重要的作用[3-4]。

目前關(guān)于橡膠與織物復(fù)合的研究主要集中于粘合強(qiáng)度和制品的成型工藝等?？椢镆蚬逃袑傩?，一般經(jīng)向和緯向會存在不同的變形和力學(xué)性能，織物經(jīng)緯向?qū)嶋H生產(chǎn)和應(yīng)用會有一些影響，但關(guān)于織物經(jīng)緯向的研究較少[5-6]。

滌綸針織布具有良好的耐磨性能和環(huán)境適應(yīng)性等，一般復(fù)合于橡膠制品表面，以改善橡膠制品的強(qiáng)度、耐磨性能和尺寸穩(wěn)定性；滌綸網(wǎng)眼布具有大量的網(wǎng)眼，一般復(fù)合于橡膠制品內(nèi)部或表面，用于提高橡膠制品的強(qiáng)度和剛度等，橡膠制品的尺寸穩(wěn)定性好；玻璃纖維布為一種無機(jī)非金屬材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、斷裂強(qiáng)度較高等特點，一般復(fù)合于橡膠制品內(nèi)部或表面，可提高橡膠制品的強(qiáng)度和剛度，制品尺寸穩(wěn)定性好，同時可改善橡膠制品的耐高溫性能、滿足阻燃功能要求[7-8]。

本工作基于織物與硅橡膠復(fù)合制品方面的工作經(jīng)驗，選用典型的滌綸針織布、滌綸網(wǎng)眼布、玻璃纖維布3種織物與硅橡膠復(fù)合，研究織物經(jīng)緯向?qū)柘鹉z制品成型工藝及力學(xué)性能的影響，期望為橡膠與織物復(fù)合制品的生產(chǎn)和使用提供參考。

1 實驗

1.1 主要原材料

50級硅橡膠，西北橡膠塑料研究設(shè)計院有限公司產(chǎn)品；滌綸針織布、滌綸網(wǎng)眼布、玻璃纖維布（見圖1—3），市售品。

圖1 滌綸針織布（箭頭方向為緯向）

圖2 滌綸網(wǎng)眼布（箭頭方向為緯向）

圖3 玻璃纖維布（箭頭方向為緯向）

1.2 主要設(shè)備和儀器

C-50-PCD型電熱平板硫化機(jī)，上海輕工機(jī)械股份有限公司產(chǎn)品；CMT-4502型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試樣制備

力學(xué)性能和收縮率測試用試樣采用235 mm×140 mm×2 mm的模具進(jìn)行硫化，硫化條件為160 ℃/8 MPa×20 min。

成品測試用試樣采用P形樣段模具進(jìn)行硫化，硫化條件為160 ℃/8 MPa×25 min。

1.4 性能測試

試樣硫化后停放16 h，各項性能按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 經(jīng)緯向性能

2.1.1 織物的經(jīng)緯向性能

滌綸針織布、滌綸網(wǎng)眼布和玻璃纖維布的經(jīng)緯向性能按照FZ 65001—1995《特種工業(yè)用織物物理機(jī)械性能試驗方法》測試，結(jié)果如表1所示。

表1 不同織物的經(jīng)緯向性能

由表1可知：3種織物的經(jīng)向斷裂強(qiáng)力均大于緯向斷裂強(qiáng)力，緯向拉斷伸長率均大于經(jīng)向拉斷伸長率，其中滌綸針織布的經(jīng)向拉斷伸長率與緯向拉斷伸長率相差較大，緯向拉斷伸長率為經(jīng)向拉斷伸長率的近4倍；滌綸網(wǎng)眼布的緯向拉斷伸長率為經(jīng)向拉斷伸長率的近2倍；玻璃纖維布的經(jīng)向和緯向拉斷伸長率均較小，緯向拉斷伸長率大于經(jīng)向拉斷伸長率。織物經(jīng)緯向性能主要與織物材料及編制方法等有關(guān)，屬于織物固有屬性。

2.1.2 織物/硅橡膠復(fù)合材料的經(jīng)緯向性能

織物/硅橡膠復(fù)合材料參考HG/T 2580—2008《橡膠或塑料涂覆織物 拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率的測定》，從織物經(jīng)向和緯向兩個角度測試力學(xué)性能，因織物比橡膠先發(fā)生破壞，以織物破壞時的最大力為試驗結(jié)果，如表2所示。

由表2可知：織物/硅橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能與織物力學(xué)性能變化趨勢基本一致，經(jīng)向拉斷力均大于緯向拉斷力，緯向拉斷伸長率均大于經(jīng)向拉斷伸長率，其中滌綸針織布/硅橡膠復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向拉斷伸長率相差較大，緯向拉斷伸長率為經(jīng)向拉斷伸長率的近5倍；滌綸網(wǎng)眼布/硅橡膠復(fù)合材料的緯向拉斷伸長率為經(jīng)向拉斷伸長率的近2倍；玻璃纖維布/硅橡膠復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向拉斷伸長率均較小，緯向拉斷伸長率為經(jīng)向拉斷伸長率的近2倍。

表2 織物/硅橡膠復(fù)合材料的經(jīng)緯向性能

為清晰表征不同織物對織物/硅橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能的貢獻(xiàn)，以純硅橡膠作為對比，織物/硅橡膠復(fù)合材料拉伸力隨伸長率的變化如圖4—6所示。

由圖4—6可知：隨著伸長率增大，純硅橡膠的拉伸力緩慢增大，3種織物/硅橡膠復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向拉伸力均增大，經(jīng)向拉伸力增大速率快于緯向拉伸力；復(fù)合材料中織物先出現(xiàn)斷裂，橡膠繼續(xù)變形，拉伸力大大減小；在相同拉伸力作用下，滌綸針織布/硅橡膠復(fù)合材料的緯向伸長率最大，變形最大；玻璃纖維布/硅橡膠復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向伸長率都較小，其中緯向伸長率顯著大于經(jīng)向伸長率。分析原因，織物與橡膠材料復(fù)合后，因橡膠材料變形大，模量小，復(fù)合材料的力學(xué)性能主要由織物提供，因織物經(jīng)緯向性能不同、織物種類不同，復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的拉伸力和伸長率。

圖4 滌綸針織布/硅橡膠復(fù)合材料的拉伸力學(xué)曲線

圖5 滌綸網(wǎng)眼布/硅橡膠復(fù)合材料的拉伸力學(xué)曲線

圖6 玻璃纖維布/硅橡膠復(fù)合材料的拉伸力學(xué)曲線

2.2 成型工藝

對于織物/硅橡膠制品的成型工藝，從收縮率、硫化成型和其他方面進(jìn)行分析。

2.2.1 收縮率

模壓橡膠制品的收縮率是模具設(shè)計中一個非常重要的因素，對于織物與橡膠復(fù)合制品，其收縮率與織物的厚度、層數(shù)和放置位置等有關(guān)[9]。3種織物/硅橡膠復(fù)合材料的收縮率如表3所示。

由表3可知：3種織物與硅橡膠復(fù)合后，復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向收縮率都顯著降低，織物層數(shù)增大后復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向收縮率進(jìn)一步降低，經(jīng)向收縮率顯著小于緯向收縮率；織物經(jīng)緯向?qū)?fù)合材料收縮率的影響大于織物層數(shù)對收縮率的影響；滌綸針織布/硅橡膠復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向收縮率相差較大，緯向收縮率為經(jīng)向收縮率的5倍左右；滌綸網(wǎng)眼布/復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向收縮率相差較小，緯向收縮率為經(jīng)向收縮率的1.5倍左右；玻璃纖維布/硅橡膠復(fù)合材料的經(jīng)向和緯向收縮率均較小，緯向收縮率為經(jīng)向收縮率的4倍。分析原因，模壓硫化后橡膠會收縮，織物與橡膠復(fù)合后，因織物的模量大于橡膠的模量，織物的熱膨脹系數(shù)小于橡膠的熱膨脹系數(shù)，織物限制橡膠收縮；由于織物的經(jīng)向變形小于緯向變形，復(fù)合材料在收縮過程中，在織物變形小的經(jīng)向不易變形收縮，導(dǎo)致復(fù)合材料的經(jīng)向收縮率小于緯向收縮率。在實際生產(chǎn)中，對于精度要求較高的橡膠制品，模具設(shè)計時應(yīng)充分考慮織物經(jīng)緯向?qū)κ湛s率的影響；在橡膠制品成型時，需根據(jù)模具設(shè)計時的收縮率確定織物的經(jīng)緯方向，固化成型工藝，才能保證橡膠制品質(zhì)量穩(wěn)定。

表3 3種織物/硅橡膠復(fù)合材料的收縮率

2.2.2 硫化成型

硅橡膠制品表面一般要求光滑、平整，在工藝允許的情況下，應(yīng)減少織物搭接，實現(xiàn)更好的橡膠制品整體性能、力學(xué)性能和表面質(zhì)量等。為滿足不同場合的應(yīng)用要求，硅橡膠制品有各種結(jié)構(gòu)形式，對于一般規(guī)整結(jié)構(gòu)（如中空P形直條、平片狀等）制品，織物按制品外形拉平包覆即可，但異形制品表面無法展開平鋪成一個平面，織物包覆成為異形制品成型工藝的難點。

對于異形制品，可利用滌綸針織布較大的緯向變形，實現(xiàn)表面織物無搭接成型；滌綸網(wǎng)眼布存在網(wǎng)眼，橡膠可滲入網(wǎng)眼并硫化在一起，織物拼接對橡膠制品功能的影響較小；玻璃纖維布因變形小，僅可通過織物搭接實現(xiàn)表面貼合織物。

某表面包覆滌綸針織布的異形制品結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于制品表面無法展開形成一個平面，利用滌綸針織布較大的緯向伸長率，織物緯向朝向制品局部展開時織物長度大的方向，織物先局部包覆，隨后利用織物緯向的大變形緩慢拉伸變形和包覆，最終實現(xiàn)制品整體表面包覆，織物無搭接、制品表面質(zhì)量好。

圖7 表面包覆織物異形制品結(jié)構(gòu)示意

2.2.3 其他

硅橡膠制品在包裝、轉(zhuǎn)運和安裝過程中，存在彎曲變形，伸長率較小的織物/硅橡膠復(fù)合制品彎曲后表面會出現(xiàn)折痕，甚至導(dǎo)致織物斷裂，影響制品外觀和使用壽命。對于長直條制品，所用滌綸針織布、滌綸網(wǎng)眼布的經(jīng)緯向分別為長度方向，使用性能良好，但玻璃纖維布經(jīng)向為制品長度方向時，會出現(xiàn)折痕，甚至織物斷裂情況，主要原因為玻璃纖維布伸長率小，在擠壓時變形不夠?qū)е聭?yīng)力集中。

玻璃纖維布的緯向伸長率大于經(jīng)向伸長率，因此玻璃纖維布緯向作為制品長度方向可顯著改善織物的彎折問題，從而滿足制品的使用要求。由于織物整卷緯向為整卷織物寬度方向，在制品長度過大、幅寬方向尺寸無法滿足制品長度要求的情況下，則可沿寬度方向（緯向）向長度方向（經(jīng)向）傾斜裁剪，分享緯向的變形，制品也可滿足實際使用要求。

2.3 成品力學(xué)性能

硅橡膠密封制品主要通過其被壓縮后產(chǎn)生的回彈力補(bǔ)償實現(xiàn)密封，同時該回彈力也是制品壓縮安裝難易程度的一個重要參數(shù)。硅橡膠制品結(jié)構(gòu)種類較多，本工作選取中空P形結(jié)構(gòu)典型件（見圖8），采用100 mm樣段，參考GB/T 7757—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》進(jìn)行壓縮試驗，典型件壓縮示意見圖9，壓縮率為30%，壓縮量為7.2 mm，織物方向為橡膠型材中空斷面環(huán)形方向。3種織物/硅橡膠制品的壓縮試驗結(jié)果如圖10—12所示。

圖8 中空P形結(jié)構(gòu)典型件剖面示意

圖9 中空P形結(jié)構(gòu)典型件壓縮示意

圖10 滌綸針織布/硅橡膠制品的壓縮力-壓縮量曲線

圖11 滌綸網(wǎng)眼布/硅橡膠制品的壓縮力-壓縮量曲線

圖12 玻璃纖維布/硅橡膠制品的壓縮力-壓縮量曲線

從圖10—12可以看出，增加織物后，橡膠制品的壓縮力增大，經(jīng)向壓縮力大于緯向壓縮力。分析原因，在織物/橡膠復(fù)合制品中，因受織物限制，橡膠變形所需的力大；在相同變形下，織物經(jīng)向變形所需的力大于緯向變形所需的力。

在織物/硅橡膠制品選材和設(shè)計時，為實現(xiàn)所需的壓縮力，也可以通過調(diào)整織物種類和織物方向?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，此外為保證制品質(zhì)量的一致性，制品成型時需注意織物方向。

3 結(jié)論

（1）滌綸針織布、滌綸網(wǎng)眼布、玻璃纖維布的緯向拉斷伸長率均大于經(jīng)向拉斷伸長率，織物/硅橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能主要由織物提供，復(fù)合材料的緯向拉斷伸長率均大于經(jīng)向拉斷伸長率。

（2）橡膠復(fù)合織物后，收縮率明顯降低，復(fù)合材料的經(jīng)向收縮率小于緯向收縮率。

（3）在成型時，對于表面復(fù)合滌綸針織布的異形制品，利用滌綸針織布緯向的大變形，可實現(xiàn)異形制品表面織物無搭接成型；利用織物緯向變形大的特點，將玻璃纖維布緯向作為制品長度方向，可顯著改善玻璃纖維布/硅橡膠制品易彎折的問題，滿足制品使用要求。

（4）增加織物的中空P形硅橡膠制品的壓縮力增大，經(jīng)向壓縮力大于緯向壓縮力。

（5）因織物經(jīng)緯向性能不同，在硅橡膠制品模具設(shè)計時應(yīng)充分考慮織物方向?qū)?fù)合材料收縮率的影響，在成型中應(yīng)根據(jù)織物經(jīng)緯向變形的差異控制織物變形，在制品設(shè)計時充分考慮織物經(jīng)緯向?qū)Τ善妨W(xué)性能的影響，固化織物方向，改進(jìn)制品成型工藝，保證制品的質(zhì)量一致性。