孫洪強(qiáng) 粘偉誠 王山英 許蘭濤 田雨勝 吳曉青

(1.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300387;2.福建鑫華股份有限公司，泉州，362241)

我國紡織廠每年產(chǎn)生的邊角料以及廢舊服裝的數(shù)量非常可觀，廢舊紡織品的回收再利用不僅可以節(jié)約大量資源，而且可以減輕紡織工業(yè)對(duì)環(huán)境的污染。非織造生產(chǎn)工藝可以使用各種紡織下腳料，傳統(tǒng)的利用廢舊纖維制造的非織造布主要用在過濾材料、鞋材、建筑內(nèi)飾材料、土工材料、家紡材料、汽車內(nèi)飾和箱包材料等方面。國內(nèi)在開發(fā)利用纖維廢棄物方面起步較晚，只單純地做一些地毯、襯墊和包裝填充物等低檔紡織品［1-3］。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛性好的特點(diǎn)。傳統(tǒng)制作蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料一般是以玻璃鋼、鋁合金和 Nomex紙等為原料［4-8］，大多用在航空航天領(lǐng)域，以及火車、船舶等交通工具上。

目前國內(nèi)外還沒有對(duì)用廢舊纖維非織造布制備蜂窩夾層復(fù)合材料方面的研究，如果對(duì)其進(jìn)行深入的研究，則可以使其在室內(nèi)裝飾工程和家具等方面更好地發(fā)揮作用。另外，該蜂窩夾層復(fù)合材料是由廢舊纖維加工而成的非織造布制備的，

實(shí)現(xiàn)了資源的回收利用，節(jié)約了資源，降低了成本，且原料豐富，能夠達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。因此，開發(fā)一種以廢舊纖維非織造布為原料的蜂窩夾層復(fù)合材料具有重要意義。

本文以廢舊纖維非織造布為原料，制備了蜂窩夾層復(fù)合材料，研究了廢舊纖維非織造布面板的拉伸和彎曲性能以及不同蜂格邊長的蜂窩夾層復(fù)合材料的壓縮和彎曲性能。

1 非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的制備

1.1 模具設(shè)計(jì)

制備蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料時(shí)，先要進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。本研究設(shè)計(jì)了蜂格邊長分別為15、20和30 mm的三種模具。圖1是蜂格邊長為15 mm的模具設(shè)計(jì)簡圖。

1.2 蜂窩夾層復(fù)合材料的制備

圖2是非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的制備流程。

1.2.1 蜂窩面板

采用兩層面密度為95.81 g/m2、厚度為0.48 mm的非織造布作為增強(qiáng)材料，選用乙烯基樹脂，通過真空輔助樹脂模塑成型(VARTM)工藝制得非織造布蜂窩面板。

圖1 蜂窩波紋板模具設(shè)計(jì)簡圖

圖2 非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料制備流程

1.2.2 蜂窩芯子

(1)在制造好的芯模上涂脫模劑，完全干后再涂一次，如此重復(fù)2～3次;

(2)將裁剪好的非織造布稱重，然后平整地鋪放在塑料膜上;

(3)配制樹脂，添加固化劑，攪拌均勻;

(4)將樹脂均勻地涂刷到非織造布上，涂好后蓋上另一層塑料膜，然后用刮板反復(fù)刮幾次，讓塑料膜與涂有樹脂的非織造布緊密結(jié)合，并將其中的氣泡全部趕出;

(5)將上述非織造布放置到模具上，并將其壓制成半六角形，待其固化;

(6)將固化好的半六角形蜂窩芯片取下，裁剪打磨整齊，按所需的高度切割，再用膠黏劑將各波形條黏結(jié)，等膠黏劑固化后即成蜂窩芯子。

本試驗(yàn)制備了蜂格邊長分別為15、20和30 mm的非織造布蜂窩芯子，如圖3所示。

圖3 不同規(guī)格的非織造布蜂窩芯子

1.2.3 蜂窩夾層復(fù)合材料

將面板與蜂窩芯子用膠黏劑黏結(jié)，制成非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料，如圖4所示。

圖4 不同規(guī)格的非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料

2 非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料性能

2.1 蜂窩面板

面板的拉伸性能測試按標(biāo)準(zhǔn) GB/T 1447—2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法進(jìn)行，彎曲性能測試按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1449—2005纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法進(jìn)行。

非織造布蜂窩面板的拉伸和彎曲性能測試結(jié)果見表1。

2.2 蜂窩夾層復(fù)合材料

平壓性能測試按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1453—2005進(jìn)行，彎曲性能測試按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1456—2005進(jìn)行。平壓的加載速度為0.5 mm/min，彎曲的加載速度為2 mm/min。

表1 非織造布蜂窩面板的拉伸和彎曲性能

2.2.1 平壓性能

表2是不同蜂格邊長的非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的平壓性能測試結(jié)果。

表2 非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的平壓性能

蜂格邊長/mm 平壓強(qiáng)度/MPa 芯子平壓模量/MPa 15 2.41 51.24 20 1.43 28.76 30 1.13 20.86

由表2可知:蜂格邊長為20和30 mm的蜂窩夾層復(fù)合材料與蜂格邊長為15 mm的蜂窩夾層復(fù)合材料相比，平壓強(qiáng)度分別降低了40.66%和53.11%，平壓模量分別降低了43.87%和59.29%，以15 mm蜂格邊長的蜂窩夾層復(fù)合材料的平壓性能最好;隨著蜂格邊長的增加，其平壓強(qiáng)度和芯子平壓模量都呈線性減小。這是由于上述幾種規(guī)格的蜂窩夾層復(fù)合材料的蜂格壁厚和蜂格高度相同，在相同面積下蜂格邊長越小，蜂窩芯子與面板的接觸面積越大，參與承載的蜂格越多，因而平壓性能越好。

圖5是蜂格邊長分別為15、20和30 mm的三種非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的平壓載荷—位移曲線，可以觀察到曲線均是在開始階段較平緩，然后斜率變大達(dá)到最大值，最后開始下降。這是因?yàn)樵陂_始階段蜂窩與面板之間結(jié)構(gòu)膠有一定厚度，先是膠層發(fā)生彈性失穩(wěn)，然后隨著載荷的增加蜂窩芯內(nèi)開始有響聲，雙層蜂窩壁內(nèi)部發(fā)生脫膠，同時(shí)單層壁發(fā)生屈曲，逐漸蜂窩夾層復(fù)合材料失去了對(duì)變形的抵抗能力，所以壓力開始逐步下降。

圖5 平壓載荷—位移曲線

2.2.2 彎曲性能

表3是不同蜂格邊長的非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的彎曲性能測試結(jié)果。

表3 非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的彎曲性能

由表3可知，非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的彎曲性能受蜂格邊長的影響很大，蜂格邊長由15 mm增加到30 mm，其彎曲強(qiáng)度、芯子剪切應(yīng)力和面板應(yīng)力都呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，其中以蜂格邊長為15 mm的蜂窩夾層復(fù)合材料的彎曲性能最佳。這是由于蜂格邊長大，單位面積內(nèi)蜂窩芯子與膠的接觸面積小，使其黏結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致面板與芯子之間有效的結(jié)合降低。

3 與用其他材料制成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料的性能比較

傳統(tǒng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料一般采用玻璃鋼、Nomex紙和鋁合金等制成。采用廢舊纖維制備的非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的平壓性能與傳統(tǒng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料的平壓性能比較列于表4。

表4 幾種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料的平壓性能

由表4可知:

(1)廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料的平壓強(qiáng)度較Nomex蜂窩、634環(huán)氧玻璃鋼蜂窩和618環(huán)氧玻璃鋼蜂窩低。最主要原因是廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料是用不連續(xù)的短纖維制成的，在整體性能上較用連續(xù)長纖維制成的材料有一定的差距，而非織造布蜂窩的蜂格邊長遠(yuǎn)比其他材料蜂窩的蜂格邊長要長，這也是導(dǎo)致平壓強(qiáng)度低的一個(gè)因素。

(2)廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料比307聚酯玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料的平壓強(qiáng)度高。由于兩者的蜂格邊長相同，而前者的蜂壁厚度比后者大許多，蜂窩壁厚使蜂窩芯承載的面積大，因而抗壓強(qiáng)度高;廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料比鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料的平壓強(qiáng)度也要高，前者蜂格邊長大但其蜂壁厚，而鋁合金材料本身的抗壓性能要比非織造布復(fù)合材料好，因此可以說明蜂壁厚度對(duì)蜂窩夾層復(fù)合材料的平壓強(qiáng)度有較大影響。

由上可見，在室內(nèi)裝飾工程和對(duì)環(huán)保要求很嚴(yán)格的現(xiàn)代家具行業(yè)中，廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料是一種可供選擇的性能良好的輕質(zhì)板材，具有潛在的應(yīng)用市場。

4 結(jié)論

(1)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，制備非織造布蜂窩芯子;以廢舊纖維非織造布為增強(qiáng)材料，選用乙烯基樹脂，采用VARTM工藝制備面板;再將面板與制好的蜂窩芯子黏結(jié)，即可制備出廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料。

(2)在蜂格邊長分別為15、20和30 mm的非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料中，其平壓強(qiáng)度、芯子平壓模量、彎曲強(qiáng)度、芯子剪切應(yīng)力和面板應(yīng)力都呈現(xiàn)出隨蜂格邊長的增大而減小的趨勢，其中以蜂格邊長為15 mm的材料性能最佳。

(3)在輕質(zhì)板材中，廢舊纖維非織造布蜂窩夾層復(fù)合材料是一種性能很好的可供選擇的材料，在建筑行業(yè)、室內(nèi)裝飾工程和家具行業(yè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用市場。

［1］郭秉臣.非織造布學(xué)［M］.北京:中國紡織出版社，2002:4.

［2］馬建偉，陳韶娟.非織造布技術(shù)概論［M］.北京:中國紡織出版社，2008:3-4.

［3］吳曉青，邱冠雄，李嘉祿，等.廢舊纖維制造裝飾板材的研究［J］.新型建筑材料，2002(5):44-45.

［4］馬文焱，倪晗，姚文戈.鋁蜂窩地板力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2002，42(3):29-30.

［5］迎春，谷秀娥，權(quán)高峰，等.鎂合金蜂窩夾層復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009(15):4，7.

［6］KONG C W，EUN S W，PARK J S，et al.The effect of a honeycomb core on the mechanical properties of composite sandwich plates［J］.Key Engineering Materials，2005，300:2752-2757.

［7］SHAFIZADEH J E，SEFERIS J C.Scaling of honeycomb compressive yield stresses［J］.Composites:part A，2000，31(7):681-688.

［8］王玉瑛，吳榮煌.蜂窩材料及孔格結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2000，20(3):172-177.

［9］趙景麗，張廣成.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2002.

［10］周祝林.玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)制造、性能及設(shè)計(jì)簡介［J］.玻璃鋼，1980(4):26-37.

［11］石琳，權(quán)高峰.結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鎂—鋁蜂窩夾層復(fù)合材料力學(xué)性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，2011，35(3):49-51.