變密度三維針刺織物設(shè)計與制備

李 磊,容治軍,仇普霞,李 鑒

(北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司,北京 102100)

三維針刺是一種低成本成型技術(shù),是將纖維網(wǎng)胎和二維布組合成的單元結(jié)構(gòu)逐個疊層針刺形成三維結(jié)構(gòu)[1-4]。刺針可將纖維刺入織物厚度方向,提高織物及其復(fù)合材料的層間強度[5,6]。針刺工藝可對玻璃纖維[7,8]、碳纖維[9,10]和石英纖維[2、11]等高性能纖維進(jìn)行三維成型加工,三維針刺織物已應(yīng)用于陶瓷基和樹脂基先進(jìn)復(fù)合材料[12-14]。三維針刺織物具有優(yōu)異的工藝設(shè)計性,通過控制針刺成型參數(shù),可實現(xiàn)針刺織物的變密度梯度設(shè)計。

1 變密度針刺設(shè)計

實現(xiàn)針刺織物變密度設(shè)計主要控制單元層重量和單元層厚度[15]。試驗設(shè)計的針刺織物密度沿厚度方向發(fā)生變化,共設(shè)計2個密度梯,高密區(qū)密度為0.4 g/cm3±0.02 g/cm3、低密區(qū)密度為0.2 g/cm3±0.02 g/cm3。此外,理論設(shè)計高密區(qū)的厚度為6 mm±0.2 mm,低密區(qū)的厚度為6 mm±0.2 mm。生產(chǎn)時最先針刺高密區(qū),在高密區(qū)基礎(chǔ)上針刺低密區(qū)域,分布結(jié)構(gòu)見圖1所示,下側(cè)為高密區(qū)上側(cè)為低密區(qū)。

圖1 變密度針刺織物鋪層示意圖

2 試驗與分析

2.1 成型正交試驗方案

原材料規(guī)格、布與網(wǎng)胎占比和針刺密度是影響變密度三維織物密度和厚度的重要因素。因此,以高密區(qū)原材料規(guī)格(A、g/m2)、低密區(qū)的原材料規(guī)格(B、g/m2)、布與網(wǎng)胎占比(C、石英平紋布:石英網(wǎng)胎)和針刺密度(D、針/cm2)為因素,設(shè)計四因三水平正交試驗,見表1。試驗中針刺深度為同一水平。

表1 正交試驗因素及水平

2.2 針刺設(shè)備

北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司自研平板針刺機,刺針型號C-222。

2.3 原材料

石英平紋布和網(wǎng)胎規(guī)格參數(shù)見表2。

表2 原材料規(guī)格參數(shù)

2.4 正交試驗結(jié)果及分析

以石英平紋布和石英網(wǎng)胎為原材料,根據(jù)正交試驗方案,設(shè)計9個樣品,每個樣品長寬尺寸為(330±10)mm×(330±10)mm。樣品的正交試驗結(jié)果見表3。從表3可以看出,制備樣品的重量有一定的波動,但差異不大。質(zhì)量越相近,則參數(shù)測算數(shù)據(jù)對比誤差越小,更適合對比分析。相較于理論設(shè)計值,表3中多數(shù)樣品高密區(qū)實測密度小于0.4g/cm3±0.02 g/cm3,實際測量厚度大于6 mm±0.2 mm;低密區(qū)實測密度大于0.2 g/cm±0.02 g/cm3,實際測量厚度小于6 mm±0.2 mm。序號為9的變密度織物厚度遠(yuǎn)大于12 mm±0.4 mm,局部區(qū)域有開層的現(xiàn)象。

表3 變密度織物參數(shù)測量結(jié)果

實際以整體厚度、整體密度、高密區(qū)密度、低密區(qū)密度為考察指標(biāo)進(jìn)行分析,正交試驗結(jié)果分析表見表4所示。通過極差值(R)的大小評價各因素對試樣參數(shù)的影響。極差值越大的因素表示不同水平給指標(biāo)造成的影響較大,通常是主要因素;極差值越小的因素表示不同水平給指標(biāo)造成的影響較小,通常是次要因素[16-18]。

表4 正交試驗分析結(jié)果

織物厚度與織物密度成反比例關(guān)系,4個因素對織物整體厚度和整體密度的影響程度為C>D≈A>B,即布與網(wǎng)胎占比影響最大、針刺密度和高密區(qū)原材料種類次之、低密區(qū)原材料種類影響最弱。自然狀態(tài)下石英網(wǎng)胎呈蓬松狀態(tài),網(wǎng)胎占比越多織物層間越蓬松厚度越大,直接降低織物的密度;網(wǎng)胎占比越多織物壓縮針刺后回彈越強,使刺入織物厚度方向的纖維束對厚度的壓縮趨勢減弱。在相同布與網(wǎng)胎占比下,針刺密度增大刺入厚度方向的纖維束越多,平紋布層的層間距越小厚度回彈的趨勢越弱,整體厚度隨之減小密度隨之變大。高密區(qū)平紋布的面密度數(shù)值越小制備所需的布層越多,布層疊加后織物整體厚度增大,使織物密度減小。低密區(qū)原材料面密度差值變化對整體密度影響較小。以整體厚度12 mm為依據(jù)選擇的最優(yōu)的工藝參數(shù)為A1B2C2D2。

4個因素對高密區(qū)密度的影響程度為C>A>D>B,即布與網(wǎng)胎占比影響最大、高密區(qū)原材料種類次之、針刺密度再次之、低密區(qū)原材料種類影響最小。平紋布面密度大于網(wǎng)胎,單位厚度內(nèi)的平紋布占比增多織物密度隨之提高。平紋布面密度數(shù)值越大相鄰布層的間距越小,針刺量增大時平紋布層間會分布更多的針刺纖維束,對平紋布層間的網(wǎng)胎厚度產(chǎn)生壓縮效果,在減小高密區(qū)織物厚度的同時提高密度值。以高密區(qū)密度0.4 g/cm3為依據(jù)選擇的最優(yōu)工藝參數(shù)為A1B1C1D3。

4個因素對低密區(qū)密度的影響程度為C>D>A≈B,即布與網(wǎng)胎占比影響最大、針刺密度次之、低密區(qū)和高密區(qū)原材料種類影響最小。低密區(qū)織物中網(wǎng)胎比例越大,單位厚度內(nèi)的平紋布越少,利于低密區(qū)密度降低;針刺量減少刺入厚度方向的纖維束對織物的壓縮趨勢越小,使織物變厚密度減小;低密區(qū)和高密區(qū)平紋布面密度減小后,布層疊加額外產(chǎn)生的厚度增量較小,對低密區(qū)的密度變化影響小。以低密區(qū)密度0.2 g/cm3為依據(jù)選擇的最優(yōu)工藝參數(shù)為A1B1C3D1。

通過實驗分析得出高密區(qū)原材料種類、布與網(wǎng)胎占比和針刺密度是影響變密度織物整體密度的主要因素。但制備參數(shù)需考慮織物增加和降低密度的需求,根據(jù)設(shè)計要求值分區(qū)優(yōu)化。高密區(qū)域原材料種類為285 g/m2、65 g/m2、布與網(wǎng)胎占比為89∶11、針刺密度為10 針/cm2時,有利于提高織物密度;低密區(qū)域原材料種類為100 g/m2、65 g/m2、布與網(wǎng)胎占比46∶54、針刺密度為10 針/cm2時,有利于降低織物密度。因此,制備高密區(qū)最佳工藝參數(shù)為A1C1D2,制備低密區(qū)最佳工藝參數(shù)為B3C3D2。

2.5 優(yōu)化后的變密度參數(shù)

按照優(yōu)化方案制備變密度針刺織物,織物參數(shù)測量結(jié)果見表5所示。從表5可以看出高密區(qū)織物密度為0.39 g/cm3,接近設(shè)計值0.4 g/cm3±0.02 g/cm3;低密區(qū)密度為0.20 g/cm3,接近設(shè)計值0.2 g/cm3±0.02 g/cm3。此外,高密區(qū)厚度為6.2 mm,低密區(qū)厚度為5.9 mm,與設(shè)計狀態(tài)近似。

表5 最優(yōu)工藝制備織物參數(shù)測量結(jié)果

3 結(jié)語

以原材料規(guī)格、布與網(wǎng)胎占比和針刺密度為因素,設(shè)計四因三水平正交試驗,通過測量9個變密度針刺織物參數(shù)分析獲得如下結(jié)論:

影響變密織物整體密度的因素依次為布與網(wǎng)胎占比>高密區(qū)原材料種類>針刺密度>低密區(qū)原材料種類。變密度針刺參數(shù)需分區(qū)域設(shè)計,制備高密區(qū)針刺織物的最佳參數(shù)為原材料種類為285 g/cm2和65 g/cm2、纖維占比為89∶11、針刺密度為5 針/cm2;制備低密區(qū)針刺織物最佳參數(shù)為100 g/cm2和65 g/cm2、纖維占比為46∶54、針刺密度為5 針/cm2。

提高原材料中網(wǎng)胎占比有利于提高針刺織物厚度降低密度,但在針刺過程中需適當(dāng)提高針刺密度并給予織物一定的壓縮量,保證針刺織物在層間的有效連接。