孫西超　陶鳳儀　朱文怡　王錫瓊　奚柏君

摘要：基于管狀紡織復(fù)合材料在翻襯過(guò)程中要求承受復(fù)雜的應(yīng)力與應(yīng)變，對(duì)非織造布復(fù)合材料的研制工藝和性能進(jìn)行了探討。以壓強(qiáng)、溫度和時(shí)間3因子正交試驗(yàn)研究了熱壓復(fù)合工藝，探索了樹(shù)脂配比和固化時(shí)間對(duì)真空輔助成型（VARI）工藝的影響，最后采用熱壓復(fù)合和VARI聯(lián)合工藝制備了非織造布復(fù)合材料并對(duì)其進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：熱壓成型工藝的最佳工藝為壓強(qiáng)5 MPa、溫度為140 ℃、時(shí)間為90 s；樹(shù)脂、固化劑和稀釋劑的質(zhì)量比為100∶80∶20；非織造布復(fù)合材料的斷裂應(yīng)力達(dá)到了21 MPa以上，即表明非織造布復(fù)合材料研制工藝設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：非織造布；管道修復(fù)；復(fù)合材料；熱壓成型；真空輔助成型；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TS176.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2017）02-0006-04

Abstract：On the basis that tubular textile composite material is required to bear complicated stress and strain in the process of turnover lining， this paper discusses preparation process and properties of nonwoven composite material， studies hotpressing compound technology with orthogonal test with pressure， temperature and time factors， explores the influence of resin proportioning and curing time on vacuum assisted resin infusion （VARI） process and finally prepares nonwoven composite material with hotpressing compound and VARI combined process and characterizes it. The result shows optimal process of hotforming process is pressure 5 MPa， temperature 140 ℃ and time 90 s； mass ratio of resin， curing agent and diluent is 100∶80∶20； breaking stress of nonwoven composite material is over 21 MPa， indicating the rationality of preparation process design of nonwoven composite material.

Key words：nonwoven fabric； pipeline rehabilitation； composite material； hotforming； vacuum assisted resin infusion； mechanical property

管道非開(kāi)挖紡織內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)指在不開(kāi)挖土地的條件下，以紡織材料為骨架制成管狀織物，對(duì)其進(jìn)行防滲膜涂層和樹(shù)脂浸漬處理，然后采用翻轉(zhuǎn)法利用氣壓使之翻轉(zhuǎn)緊貼在舊管道內(nèi)壁上，熱固成型后形成內(nèi)壁光滑的紡織內(nèi)襯管，完成對(duì)舊管道的維護(hù)與修復(fù)[1]。國(guó)外管狀紡織復(fù)合材料應(yīng)用于管道修復(fù)技術(shù)已比較成熟，但引進(jìn)成本較高，國(guó)內(nèi)則處于初始研究階段[2]。非織造布因能夠滿足大管徑管道所需求的厚度、剛度和強(qiáng)度，故被廣泛應(yīng)用于管道非開(kāi)挖紡織內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)中的增強(qiáng)體材料，其中針刺非織造布的織造工藝完善、產(chǎn)品性能穩(wěn)定且多元化，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和占有率[34]。

當(dāng)采用非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)進(jìn)行受損的管道翻襯施工時(shí)，管狀非織造布復(fù)合材料由萎縮的狀態(tài)變成管狀，其需要承受復(fù)雜的應(yīng)力與變形[5]，導(dǎo)致管道修復(fù)用非織造布復(fù)合材料破裂的主要形式是拉伸破壞，主要涉及管道修復(fù)用非織造布復(fù)合材料的橫、縱向的斷裂應(yīng)力及斷裂伸長(zhǎng)率[6]，因此復(fù)合材料在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將其斷裂應(yīng)力作為主要衡量指標(biāo)。然而單一非織造布由于強(qiáng)力低而很難用作高效的管道非開(kāi)挖修復(fù)用增強(qiáng)體材料，對(duì)片狀非織造布復(fù)合材料的研究對(duì)管狀非織造布的進(jìn)一步探索有一定的預(yù)見(jiàn)性[7]，國(guó)內(nèi)有關(guān)樹(shù)脂基復(fù)合材料研究較多，但有關(guān)熱壓成型工藝和VARI工藝聯(lián)合工藝制備非織造布復(fù)合材料的報(bào)道未見(jiàn)述及。本文采用熱壓與VARI聯(lián)合工藝制備非織造布復(fù)合材料，優(yōu)化熱壓復(fù)合工藝，樹(shù)脂固化時(shí)間與配比，探索熱壓復(fù)合工藝和真空成型工藝對(duì)非織造布復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響，為制備高效的管狀非織造布復(fù)合材料提供一定的基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)部分

1.1材料

熱塑性氨綸彈性體（TPU，厚度0.06 mm，上海安勞實(shí)業(yè)有限公司）；耐高溫AB膠環(huán)氧樹(shù)脂（E44-環(huán)氧樹(shù)脂/650固化劑）（吳江合力樹(shù)脂廠）；無(wú)水乙醇（分析純，99%，南京化學(xué)股份有限公司）；滌綸針刺非織造布（原材料為滌綸；平方米質(zhì)量為448 g/m2；厚度3.30 mm；經(jīng)、緯向的斷裂應(yīng)力分別為4.90 MPa、4.06 MPa；經(jīng)、緯向的斷裂伸長(zhǎng)率分別為50.92%、90.64%；浙江富瑞森水刺無(wú)紡布有限公司）

1.2設(shè)備

3365型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)英斯特朗公司），XLB型熱壓機(jī)（上海齊才液壓機(jī)械有限公司），DZG6050型電熱真空干燥箱（上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），USB digital microscope和VARI工藝設(shè)備（浙江理工大學(xué)紡織CAD實(shí)驗(yàn)室）。

1.3非織造布復(fù)合材料的研制

工藝流程：針刺非織造布→熱壓成型→VARI成型→非織造布復(fù)合材料。

1.3.1熱壓成型復(fù)合材料的制備

管道修復(fù)用復(fù)合材料須具有一定的抗透水性、抗透氣性及翻襯時(shí)力學(xué)性能[1，8]，采用TPU作為防滲膜，其特點(diǎn)是耐油，耐水，耐磨，化學(xué)惰性強(qiáng)，密封能力好，溫度適應(yīng)范圍廣，粘結(jié)強(qiáng)力高，從而增加防滲膜與非織造布的界面結(jié)合強(qiáng)度以及纖維間的粘著力。

由于TPU熱熔性能較好，故本文預(yù)制件采用熱壓復(fù)合工藝處理，試驗(yàn)所用1層織物和2層TPU，熱壓復(fù)合工藝示意見(jiàn)圖1。

優(yōu)化熱壓成型工藝有利于提高復(fù)合材料的防滲性能和斷裂強(qiáng)度，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：

選用L9（34）正交表格，以壓強(qiáng)、溫度和時(shí)間為3因子，每個(gè)因子分3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。以材料的經(jīng)向斷裂應(yīng)力σ為綜合指標(biāo)對(duì)熱壓工藝進(jìn)行優(yōu)化，斷裂應(yīng)力計(jì)算如式（1），因子水平如表1所示。

σ=Fb·d（1）

式中：σ為斷裂應(yīng)力，MPa；F為斷裂強(qiáng)力，N；b為試樣的寬度，mm；d為試樣的厚度，mm。

1.3.2非織造布復(fù)合材料的制備

VARI工藝是一種成本較低的復(fù)合材料的成型技術(shù)，其原理是在常溫下，真空泵抽真空加載負(fù)壓力，無(wú)需額外的壓力，利用樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂均勻地浸漬在織物中，固化后形成一種新型的復(fù)合材料。

VARI工藝主要應(yīng)用于3D機(jī)織物的樹(shù)脂灌注領(lǐng)域[910]，本文將VARI工藝用于樹(shù)脂浸潤(rùn)非織造布領(lǐng)域，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。非織造布復(fù)合材料的制備工藝流程如下。

（a）模具的準(zhǔn)備

VARI工藝示意圖見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)采用復(fù)合材料固化的模具為玻璃板，將其平整放置，原料按照?qǐng)D2依次放置，最后用密封膠帶將兩層真空袋粘結(jié)防止漏氣。

（b）樹(shù)脂膠液的制備

結(jié)合文獻(xiàn)[11]可知，若稀釋劑的添加量過(guò)多，則延緩樹(shù)脂固化時(shí)間；若稀釋劑的添加過(guò)少，則不利于樹(shù)脂的流動(dòng)。為使樹(shù)脂更好地浸潤(rùn)在織物中，需加入適量的稀釋劑，以增加樹(shù)脂的流動(dòng)性，一般稀釋劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

樹(shù)脂固化時(shí)間在VARI工藝中對(duì)試樣的制備時(shí)間和管狀非織造復(fù)合材料在修復(fù)后固化成型有一定的指導(dǎo)意義[12]。試驗(yàn)探索不同配比的環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和稀釋劑，如100∶100∶20、100∶80∶20、100∶50∶20、100∶20∶20，混合均勻后抽真空，在20 ℃下觀察樹(shù)脂固化時(shí)間。

（c）樹(shù)脂膠液的灌注

開(kāi)啟真空泵抽去空氣，當(dāng)壓力值穩(wěn)定在-0.08 MPa時(shí)，將樹(shù)脂導(dǎo)入管插入樹(shù)脂膠液中，使樹(shù)脂通過(guò)導(dǎo)入管進(jìn)入成型裝置。

（d）真空袋薄膜的剝離

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)剝離上層的真空袋薄膜，然后在室溫固化，最后剝離導(dǎo)流網(wǎng)和脫膜布，得到非織造布復(fù)合材料。

1.4性能測(cè)試

參照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》，采用數(shù)字式織物厚度儀測(cè)試；非織造布的厚度按照FZ/T 6005—1991《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》，采用電子織物強(qiáng)力機(jī)測(cè)試非織造布的力學(xué)性能；利用USB digital microscope在放大100倍情況下觀察非織造布及復(fù)合材料的形貌。

2結(jié)果與分析

2.1熱壓成型工藝優(yōu)化

正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果如表2所示。從綜合指標(biāo)斷裂應(yīng)力判定，3個(gè)因子對(duì)其影響程度大小順序?yàn)閴簭?qiáng)>溫度>時(shí)間，熱壓成型復(fù)合材料的最優(yōu)熱壓工藝為壓強(qiáng)5 MPa，溫度140 ℃，時(shí)間為90 s。通過(guò)補(bǔ)充試驗(yàn)可知，熱壓成型復(fù)合材料的經(jīng)向斷裂應(yīng)力達(dá)到了14.5 MPa，緯向斷裂應(yīng)力達(dá)到了11.8 MPa，說(shuō)明正交試驗(yàn)優(yōu)化熱壓成型工藝較為合理。

2.2樹(shù)脂固化配比選擇

表3為樹(shù)脂固化測(cè)試結(jié)果。由表3可知，在室溫為20 ℃時(shí)，混合體系中固化劑的含量越大，樹(shù)脂的固化時(shí)間越快。這是因?yàn)楣袒瘎┑牟泛椭侔穼?duì)環(huán)氧樹(shù)脂的固化作用是由氮原子上的活潑氫打開(kāi)環(huán)氧基團(tuán)，使之交聯(lián)固化，這種交聯(lián)固化作用強(qiáng)弱與固化劑的含量多少成正比。一方面為提高生產(chǎn)效率，樹(shù)脂的固化時(shí)間應(yīng)在滿足試驗(yàn)的前提下盡可能短，另一方面固化劑比環(huán)氧樹(shù)脂價(jià)格高，故環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和稀釋劑的配比選擇100∶80∶20。

2.3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)觀察與分析

圖3（a）、（b）分別為非織造布、熱壓成型復(fù)合材料的微觀圖。從圖3中可以看出，融化的TPU在溫度和壓力綜合作用下流動(dòng)，浸潤(rùn)到織物表層的纖維之間，說(shuō)明熱壓成型工藝制備的TPU防滲膜符合制作要求。圖（c）存在微量縫隙，這是由于打磨平面時(shí)處理不夠完美而造成的。單根纖維與樹(shù)脂界面結(jié)合緊密，并且樹(shù)脂可以滲透到非織造布的內(nèi)部，說(shuō)明VARI工藝能夠保證了復(fù)合材料內(nèi)纖維樹(shù)脂界面的完整性，符合非織造布復(fù)合材料的制作要求。

2.4力學(xué)性能

表4為材料的拉伸性能。表中1#、2#和3#分別表示非織造布、熱壓成型復(fù)合材料和非織造布復(fù)合材料，由表4可知，材料的斷裂應(yīng)力大小順序?yàn)?#>2#>1#，且非織造布復(fù)合材料的經(jīng)、緯向的斷裂應(yīng)力和斷裂伸長(zhǎng)率均符合翻襯法修復(fù)非開(kāi)挖管道所需材料的力學(xué)性能指標(biāo)[2]。結(jié)合圖3復(fù)合材料微觀形貌分析，造成這一現(xiàn)象的原因是，經(jīng)過(guò)熱壓成型后的復(fù)合材料，樹(shù)脂滲透到織物的表面，樹(shù)脂固化后改善纖維間的摩擦力和粘著力，進(jìn)而改善熱壓成型復(fù)合材料的斷裂應(yīng)力；熱壓成型工藝處理后的材料，再經(jīng)VARI工藝處理，樹(shù)脂滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，填充纖維之間的空間，對(duì)纖維形成緊密的包覆，使得纖維束形成連續(xù)相，進(jìn)一步改善片狀非織造布復(fù)合材料的斷裂應(yīng)力。綜上所述，非織布經(jīng)過(guò)熱壓成型工藝和VARI工藝聯(lián)合工藝處理，其斷裂應(yīng)力明顯得到改善。

3結(jié)論

a）通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化熱壓成型工藝，得到熱壓成型優(yōu)化工藝參數(shù)為壓強(qiáng)5 MPa，溫度140 ℃，時(shí)間90 s，并通過(guò)了補(bǔ)充試驗(yàn)的驗(yàn)證。

b）根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試和實(shí)際操作，確保VARI工藝順利進(jìn)行，確定樹(shù)脂、固化劑和稀釋劑的質(zhì)量比例為100∶80∶20。

c）從復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能分析知：熱壓成型工藝和VARI工藝聯(lián)合工藝設(shè)計(jì)合理，即非織造布復(fù)合材料研制工藝符合試驗(yàn)要求，同時(shí)其力學(xué)性能得到明顯改善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王瑞，張淑潔，馬崇啟.管道修復(fù)用管狀非織造布復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26（5）：173-177.

[2] 張淑潔，王瑞，徐磊.管道修復(fù)用管狀紡織復(fù)合材料的力學(xué)性能分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26（5）：178-185.

[3] HUFENBACH W， KROLL L， BOHM R， et al. Development of piping elements from textile reinforced composite materials for chemical apparatus construction [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2006，175（6）：231-240.

[4] 徐英.針刺法非織造布技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用與思考[J].現(xiàn)代絲綢科學(xué)與技術(shù)，2011，26（2）：55-57.

[5] 米淇，劉殿博.采用翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯技術(shù)修復(fù)管道[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2000，49（1）：58-59.

[6] 張淑潔.管道修復(fù)用管狀紡織復(fù)合材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原理[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2008，25（2）：161-165.

[7] 應(yīng)偉偉，雷新，田偉，等.SMMS層壓復(fù)合材料非織造布的制備與過(guò)濾性能研究[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2014（1）：20-22.

[8] 張淑潔，王瑞，張麗，等.管狀紡織復(fù)合材料生產(chǎn)工藝及性能探討[J].紡織學(xué)報(bào)，2006，27（9）：36-39.

[9] 祝成炎，申小宏，李艷清，等.組合式3D機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料樹(shù)脂滲透性[J].紡織學(xué)報(bào)，2005，26（4）：21-23.

[10] 劉強(qiáng)，趙龍，曹正華.VARI工藝成型纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料層合板厚度和纖維體積分?jǐn)?shù)的影響因素[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2013，30（6）：90-95.

[11] 薛道順，周紅濤，胡紅.非織造工藝對(duì)天然纖維增強(qiáng)體樹(shù)脂流動(dòng)性能的影響[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2011（1）：29-32.

[12] RUDOV S， M A P， LEE L， et al. Fiber damage in the manufacture of advanced threedimensional woven composites [J]. Composites Part A， 2003，34：963-970.

（責(zé)任編輯：周穎）