劉雙雙,田 偉,王潔瑜,胡丹峰,祝成炎,

(浙江理工大學(xué),a.現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國家工程技術(shù)研究中心; b.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018)

玄武巖、玻纖、丙綸機(jī)織復(fù)合材料的拉伸性能研究

劉雙雙a,田 偉b,王潔瑜a,胡丹峰a,祝成炎a,b

(浙江理工大學(xué),a.現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國家工程技術(shù)研究中心; b.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310018)

以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)纖維,丙綸為基體纖維,采用包纏技術(shù)制備復(fù)合線,織造不同纖維混雜比例的平紋預(yù)制件及三維預(yù)制件,直接熱壓成型制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,研究纖維混雜比例及預(yù)制件結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響。結(jié)果表明:隨著玻璃纖維體積含量的增加,平紋組織復(fù)合材料的緯向抗拉強(qiáng)度先增大后減小,斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小,彈性模量逐漸增大,當(dāng)玻纖含量在51%～59%之間時(shí),復(fù)合材料力學(xué)性能相對(duì)最好;三維預(yù)制件復(fù)合材料中,4層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能較4層準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)好,較4層正交結(jié)構(gòu)差,多層預(yù)制件復(fù)合的復(fù)合材料,其力學(xué)性能好于相同層數(shù)的三維預(yù)制件復(fù)合材料。

玄武巖纖維; 玻璃纖維; 丙綸; 三維機(jī)織物; 復(fù)合材料; 拉伸性能

0 引 言

熱塑性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有較好的機(jī)械性能,能滿足各種實(shí)際應(yīng)用對(duì)材料性能的要求,成為目前研究的熱點(diǎn)[1]。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,力學(xué)性能是評(píng)價(jià)其產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo),因此也成為國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向。其中,對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備和性能研究較多,取得了較大地進(jìn)展[2-4],對(duì)玄武巖纖維及其復(fù)合材料的研究相對(duì)滯后,但仍有一定的研究成果[5-6]。隨著三維織物織造技術(shù)的發(fā)展,三維機(jī)織復(fù)合材料也隨之發(fā)展起來,而且以其優(yōu)異的性能迅速成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),相關(guān)研究同樣取得了重大進(jìn)展[7-11]。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,選擇玄武巖纖維和玻璃纖維為增強(qiáng)纖維,以發(fā)揮兩者的性能優(yōu)勢(shì)和協(xié)同作用;選擇丙綸為基體纖維,采用包纏技術(shù)制備復(fù)合線,織造不同纖維混雜比例的平紋預(yù)制件;不同組織結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制件,直接熱壓成型制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。研究纖維混雜比例及預(yù)制件結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響,為拓寬玄武巖、玻纖、丙綸機(jī)織復(fù)合材料的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

實(shí)驗(yàn)原料:玄武巖纖維(浙江石金玄武巖纖維有限公司提供);玻璃纖維(杭州泰克斯復(fù)合材料有限公司提供);丙綸(紹興超特合纖有限公司提供),原料規(guī)格及性能如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原料規(guī)格及性能

實(shí)驗(yàn)儀器:HKV151B型花式捻線機(jī)(浙江精工科技股份有限公司);ASL2000-20-E自動(dòng)織樣機(jī)(天津市隆達(dá)機(jī)電科技發(fā)展有限公司);XLB25-D型平板硫化機(jī)(浙江雙力集團(tuán)湖州星力橡膠機(jī)械制造公司);INSTRON 3367電子萬能材料測(cè)試儀(INSTRON)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 包纏復(fù)合線的制備

分別將玄武巖纖維、玻璃纖維與丙綸纖維無捻并合,再用丙綸包覆形成具有混雜效果的包纏復(fù)合線,一方面使得復(fù)合線中具有較高比例的基體丙綸,保證熱壓過程中熔融的丙綸充分包覆增強(qiáng)纖維;另一方面克服單一纖維的缺陷,實(shí)現(xiàn)纖維之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。包纏復(fù)合線的組合設(shè)計(jì)及體積比例如表2所示。

1.2.2 機(jī)織預(yù)制件的織造

1.2.2.1 平紋預(yù)制件的織造

在自動(dòng)織樣機(jī)上織造經(jīng)密100根/10 cm、緯密60根/10 cm的平紋組織預(yù)制件,經(jīng)緯紗線組合如表3所示。

表2 復(fù)合線紗線組合及體積比例

表3 經(jīng)緯紗線組合

1.2.2.2 三維機(jī)織預(yù)制件的織造

三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般可根據(jù)織物的厚度要求預(yù)選經(jīng)緯紗層數(shù),然后確定各層經(jīng)緯紗與垂紗的交織規(guī)律,畫出織物的結(jié)構(gòu)示意圖,再根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖畫出織物組織圖,然后得到上機(jī)圖,進(jìn)行織造。本實(shí)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)2層角聯(lián)鎖、4層角聯(lián)鎖、4層正交、4層準(zhǔn)正交等三維機(jī)織物,其經(jīng)向結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。采用自動(dòng)織樣機(jī),以916 tex玄武巖/丙綸包纏復(fù)合線為經(jīng)紗,860 tex玻璃纖維/丙綸包纏復(fù)合線為緯紗,織造經(jīng)密100根/10 cm、緯密200根/10 cm的三維機(jī)織預(yù)制件。

圖1 三維預(yù)制件的經(jīng)向結(jié)構(gòu)

1.2.3 復(fù)合材料的制備

參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[12],確定模壓參數(shù),采用直接熱壓成型工藝制備復(fù)合材料。將預(yù)制件放入課題組自主設(shè)計(jì)的加工模具中,放入平板硫化機(jī)熱壓成型。溫度由室溫升至220℃,同時(shí)加預(yù)壓力2 MPa,防止熔融丙綸皺縮引起織物變形,施加保壓壓力5 MPa,經(jīng)過45 min恒溫保壓,然后加循環(huán)水冷卻至室溫,制得所需復(fù)合材料。

1.2.4 復(fù)合材料拉伸性能測(cè)試

采用INSTRON 3367電子萬能材料測(cè)試儀對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,拉伸方法參照GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料試驗(yàn)方法總則》和GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行操作。拉伸試樣如圖2所示,試樣尺寸如表4所示。測(cè)試條件:拉伸速度50 mm/min,溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度(65±10)%。

圖2 復(fù)合材料板材拉伸試樣

表4 試樣尺寸

注:復(fù)合材料拉伸試樣由切割機(jī)切割可得,試樣厚度d由厚度儀測(cè)試而得,每組試樣的厚度值以5次實(shí)際測(cè)試值的平均值為準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維混雜比例對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

由于復(fù)合材料中經(jīng)紗組分保持不變,只改變緯紗組分比例,因此,本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了復(fù)合材料的緯向拉伸性能指標(biāo)。圖3所示為不同玻纖體積含量下復(fù)合材料緯向抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系圖。

圖3 復(fù)合材料緯向拉伸性能與玻璃纖維體積含量的關(guān)系

從圖3中可以看出,隨著緯向玻璃纖維體積含量的增加,丙綸體積含量的減少,復(fù)合材料緯向抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)玻璃纖維體積含量達(dá)到約55%左右時(shí),緯向抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。復(fù)合材料緯向斷裂伸長(zhǎng)率則隨著玻纖體積含量的增加逐漸減小。分析其原因可知,當(dāng)玻璃纖維體積含量小于55%時(shí),丙綸的體積含量相對(duì)較多,基體丙綸能較好浸潤(rùn)組織結(jié)構(gòu)和充分包覆增強(qiáng)纖維,復(fù)合材料的成型質(zhì)量相對(duì)較好,此時(shí),復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度主要取決于增強(qiáng)纖維本身的力學(xué)性能,因此,隨著玻璃纖維體積含量的提高,復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨之增大,斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小,力學(xué)性能逐漸增強(qiáng);而當(dāng)玻璃纖維體積含量超過55%時(shí),丙綸的體積含量降低到一定程度,基體不能完整包覆和浸潤(rùn)增強(qiáng)纖維,導(dǎo)致部分增強(qiáng)纖維呈現(xiàn)游離狀態(tài),基體丙綸對(duì)增強(qiáng)體的包覆支撐作用減弱,增強(qiáng)纖維之間的抱合力相對(duì)較小,能承受的最大載荷變小,因此,當(dāng)玻璃纖維含量超過55%時(shí),復(fù)合材料的力學(xué)性能有所下降。

彈性模量主要反映復(fù)合材料抵抗彈性變形的能力,是體現(xiàn)復(fù)合材料力學(xué)性能的另一重要指標(biāo)。圖4所示為不同玻纖體積含量下復(fù)合材料彈性模量的變化趨勢(shì)。

圖4 復(fù)合材料緯向彈性模量與玻璃纖維體積含量的關(guān)系

從圖4中可以看出,隨著玻璃纖維體積含量的增加,復(fù)合材料的緯向彈性模量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì),并且在玻璃纖維體積含量超過50%時(shí)上升較快,超過55%之后上升較為緩慢。說明增強(qiáng)纖維的力學(xué)性能對(duì)復(fù)合材料彈性模量的影響起主要作用,隨著玻璃纖維體積含量的增加,丙綸含量也不至于過少,復(fù)合材料成型良好,質(zhì)地較硬,抗彈性變形能力增強(qiáng),因而彈性模量逐漸增大。根據(jù)回歸方程和擬合曲線可以得到曲線的頂點(diǎn),即彈性模量達(dá)到最大值的點(diǎn)。分析得出,在玻璃纖維體積含量約為80%時(shí),復(fù)合材料緯向彈性模量達(dá)到最大,此時(shí),如果再增加玻璃纖維的含量,復(fù)合材料的緯向彈性模量反而會(huì)下降。這是由于隨著玻璃纖維含量的持續(xù)增加,丙綸含量相對(duì)過少,玻璃纖維呈現(xiàn)游離狀態(tài),不能被丙綸充分包覆和浸潤(rùn),因此復(fù)合材料成型效果會(huì)比較差,質(zhì)地相對(duì)較軟,容易變形,彈性模量也就會(huì)隨之下降。

2.2 預(yù)制件結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

表5和表6所示為相同經(jīng)緯紗組分,不同預(yù)制件結(jié)構(gòu)所制復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試結(jié)果。

表5 不同預(yù)制件結(jié)構(gòu)復(fù)合材料緯向拉伸結(jié)果

從表5中可以看出,4層三維預(yù)制件復(fù)合材料中,4層正交結(jié)構(gòu)的緯向抗拉強(qiáng)度和彈性模量較大,斷裂伸長(zhǎng)率較小,力學(xué)性能相對(duì)最好,4層角聯(lián)鎖次之,4層準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)相對(duì)較差。分析其原因可知,4層正交結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是紗線彎曲少,多呈平直狀態(tài)排列,不存在層間剝離問題,其結(jié)構(gòu)的整體性較好,預(yù)制件也相對(duì)較薄,基體丙綸熔融后容易浸潤(rùn)織物內(nèi)部層間結(jié)構(gòu),包覆增強(qiáng)纖維,有利于增強(qiáng)三維正交結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能。而角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物的紗線有相對(duì)較多的屈曲,其預(yù)制件相對(duì)比較厚,而柔曲性能相對(duì)較好,丙綸熔融后在短時(shí)間內(nèi)不容易完全滲透到組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部,對(duì)纖維包覆性相對(duì)較差,因此,角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的力學(xué)性能稍差。4層準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是紗線部分呈平直狀態(tài)排列,部分呈彎曲狀態(tài),整體性較正交結(jié)構(gòu)差,制品厚度又小于角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)內(nèi)部丙綸浸潤(rùn)和包覆效果相對(duì)較差,因此力學(xué)性能較差。此外,多層預(yù)制件復(fù)合制得的復(fù)合材料,其力學(xué)性能均優(yōu)于單層三維織物制成的復(fù)合材料,且多層三維織物復(fù)合所得復(fù)合材料的力學(xué)性能要優(yōu)于多層平紋組織復(fù)合材料。

表6 不同預(yù)制件結(jié)構(gòu)復(fù)合材料經(jīng)向拉伸結(jié)果

對(duì)比表5和表6可知,不同預(yù)制件結(jié)構(gòu)復(fù)合材料經(jīng)向拉伸力學(xué)性能指標(biāo)的變化趨勢(shì)與緯向基本相似,尤其是復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度值。但是,相同預(yù)制件結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,其緯向的力學(xué)性能均優(yōu)于經(jīng)向的力學(xué)性能。這是因?yàn)閷?duì)于所有預(yù)制件,特別是三維預(yù)制件,其經(jīng)線排列并未有太大改變,只是由于不同的織物結(jié)構(gòu),經(jīng)紗的屈曲程度和狀態(tài)不同,對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響較緯紗方向相對(duì)較小;而緯紗方向,由于不同的織物結(jié)構(gòu),尤其是三維立體織物,大大提高了織物厚度方向上的緯紗密度,其玻璃纖維含量和丙綸含量都大幅度增加,因此纖維束的增加和更多丙綸的包覆明顯提高了復(fù)合材料緯向的力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

本文以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)纖維,丙綸為基體纖維,采用包纏技術(shù)制備包纏復(fù)合線,以相同線密度的玄武巖/丙綸包纏復(fù)合線為經(jīng)紗,不同纖維混雜比例的玻璃纖維/丙綸包纏復(fù)合線為緯紗,制織平紋組織預(yù)制件,再以相同線密度的兩種包纏復(fù)合線分別為經(jīng)緯紗,織造三維機(jī)織預(yù)制件,采用統(tǒng)一的模壓參數(shù)直接熱壓成型制備丙綸基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,對(duì)所得復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,研究纖維混雜比例及預(yù)制件結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響。研究結(jié)果如下:

a) 保持經(jīng)紗組分不變,改變平紋預(yù)制件的緯紗組分比例,隨著復(fù)合材料中玻璃纖維體積含量的增加,復(fù)合材料的緯向抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)玻璃纖維體積含量約為55%左右時(shí),緯向抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。復(fù)合材料的緯向斷裂伸長(zhǎng)率隨著玻纖量的增加則逐漸減小,緯向彈性模量逐漸增大,但不會(huì)隨著玻纖含量的持續(xù)增加而持續(xù)增大。

b) 當(dāng)玻璃纖維體積含量在51%～59%之間時(shí),復(fù)合材料的緯向抗拉強(qiáng)度和彈性模量均較大,此時(shí)復(fù)合材料的力學(xué)性能相對(duì)最好。

c) 保持經(jīng)緯紗組分不變,三維預(yù)制件復(fù)合材料中,4層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的緯向抗拉強(qiáng)度略小于4層正交結(jié)構(gòu),但略大于4層準(zhǔn)正交結(jié)構(gòu)。多層預(yù)制件復(fù)合制得的復(fù)合材料,其緯向力學(xué)性能均優(yōu)于相同層數(shù)的三維織物制成的復(fù)合材料。

d) 不同預(yù)制件結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸性能其變化趨勢(shì)與緯向基本相似,但經(jīng)向的力學(xué)性能均較緯向的力學(xué)性能差。

[1] 章亞東,段躍新,左 璐,等.經(jīng)編織物法制備連續(xù)增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的微觀形貌和浸潤(rùn)過程分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2004,21(6): 63-69.

[2] 葉 飛,田 偉,馮兆行,等.玻璃纖維/滌綸混雜熱塑性機(jī)織復(fù)合材料的制備及其性能[J].紡織學(xué)報(bào),2011,32(11): 28-32.

[3] 劉曉燁,戴干策.麻纖維/玻璃纖維混雜增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的性能研究[J].塑料工業(yè),2007,35(6): 35-38.

[4] 張蔭楠,王春紅,馬崇啟.苧麻纖維/玻璃纖維混雜增強(qiáng)聚丙烯樹脂基復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2012(S1): 63-67.

[5] 胡顯奇,羅益鋒,申屠年.玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料[J].高科技纖維與應(yīng)用,2002,27(2): 1-5.

[6] 邱菊生,鐘智麗,石 磊,等.纖維組分比例對(duì)玄武巖/聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能影響研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,29(1): 23-26.

[7] 黃學(xué)峰,張立泉,朱夢(mèng)蝶,等.三維機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能分析與研究[J].玻璃纖維,2011(3): 13-17.

[8] 祝成炎,高禎云,朱俊萍.組合式3D機(jī)織物復(fù)合材料的拉伸性能[J].紡織學(xué)報(bào),2005,26(5): 14-19.

[9] 田 偉,祝成炎.玻璃纖維/丙綸混雜3D機(jī)織物及其復(fù)合材料的研制[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2003,21(12): 6-9.

[10] 王 靜,祝成炎.玻/滌混雜3D機(jī)織復(fù)合材料拉伸性能的研究[J].材料工程,2007(S1): 179-183.

[11] 雷憶三,陳 佳,張瑞剛,等.3D纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2010,27(5): 37-41.

[12] 劉雙雙,田 偉,胡丹峰,等.丙綸基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型工藝探討[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014,31(6): 631-635.

(責(zé)任編輯：張祖堯)

Study on Tensile Properties of BF/GF/PP Woven Composites

LIUShuang-shuanga,TIANWeib,WANGJie-yua,HUDan-fenga,ZHUCheng-yana,b

(a.Modern Textile Processing Technology National Engineering Research Center; b.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

By using basalt fiber and glass fiber as the reinforced fibers,and polypropylene fiber as the matrix fiber,wrapping technology was adopted to prepare composite yarns to make tabby preformed unit and 3D preformed unit with different proportions of fibers.Fiber reinforced composites were prepared directly through hot press molding.Effects of different fiber components and structure of preformed units on tensile properties of composites were studied.Results show that the zonal tensile strength of the plain composites increases first then decreases with the rise in volume content of glass fiber; elongation at break declines gradually; elasticity modulus increases gradually.When the volume content of glass fiber is between 51% and 59%,mechanical properties of composites reaches the best.Among 3D composites,the tensile property of 4-layer angle interlock structure is better than that of 4-layer quasi-orthogonal structure and worse than that of 4-layer orthogonal structure.The multilayered composites have much better tensile properties than 3D woven composites with the same layers.

basalt fiber; glass fiber; polypropylene; 3D woven fabrics; composites; tensile properties

1673-3851 (2015) 02-0169-05

2014-06-27

科技部國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2011DFB51570);浙江理工大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(11110032661206);“紡織科學(xué)與工程”浙江省重中之重一級(jí)學(xué)科優(yōu)秀研究生學(xué)位論文培育基金項(xiàng)目(11110031211202/005/093)

劉雙雙(1990-),女,吉林松原人,碩士研究生,主要從事纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備及力學(xué)性能方面的研究。

祝成炎,E-mail:cyzhu@zstu.edu.cn

TB332

A