魏 冬，薛 濤，孟家光

(西安工程大學紡織與材料學院，陜西西安 710048)

UHMWPE纖維針織增強體復合材料制備及性能研究

魏 冬，薛 濤，孟家光

(西安工程大學紡織與材料學院，陜西西安 710048)

采用平板硫化機制備UHMWPE纖維針織增強體復合材料，確定基體配制的工藝，同時對改性前后的UHMWPE纖維針織增強體復合材料的拉伸性能、彎曲性能、壓縮性能及層間剪切性能等基本力學性能進行了探究，分析了不同增強體下復合材料的破壞情況。實驗結果表明，最佳的基體工藝為：環(huán)氧樹脂：固化劑=10:3，稀釋劑丙酮10%，擴散劑鄰苯二甲酸二丁酯20%，混合溫度50℃，攪拌時間20min；對比分析改性前后的針織增強體復合材料的力學性質，增強體選用羅紋半空氣層襯緯組織更為理想。

超高分子量聚乙烯纖維 針織增強體 力學性能 基體工藝

0 前言

針織組織富有彈性、懸垂性和高能量吸收性，特別是其可成型性在生產異形的復合材料增強體中有著突出的優(yōu)勢，近年來在復合材料的研究與應用中越來越受到人們的關注[1-2]。高性能纖維針織增強體復合材料有著梭織增強體復合材料所無可比擬的優(yōu)良特性，自20世紀90年代以來，國內外對高性能纖維針織增強體復合材料的研究日益加強[3-5]。而UHMWPE纖維作為繼碳纖維、芳綸之后的第三大高技術纖維，因其質量、比強度比模量、韌性、耐磨損性能等比其他高性能纖維表現更為優(yōu)越，在消防、環(huán)保、航空航天、工程塑料、建筑等軍工和民用等領域已得到了廣泛的應用[6-8]。

針織增強體與其他紡織結構增強體復合材料相比，針織增強體復合材料剛度和強度總體稍遜色于梭織和編織結構增強體復合材料，但比梭織和編織結構增強體復合材料擁有更好的互融性和各向同性[9-10]。本文通過UHMWPE纖維各種針織增強體與環(huán)氧樹脂進行復合，制備出了UHMWPE纖維各種針織增強體復合材料，確定了最佳的基體工藝，并對其拉伸、彎曲、壓縮和層間剪切性能進行了測試表征。

1 試驗

1.1 實驗材料及儀器

紗線：1600D/1385F UHMWPE纖維(北京特力化纖有限公司)。

試劑：E-51型環(huán)氧樹脂(分析純，無錫樹脂廠)、聚酰胺樹脂(分析純，鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司)、丙酮(分析純，濟寧佰一化工有限公司)。

設備：5針/25.4mm 飛虎牌手搖橫機(臺灣盛美機械股份有限公司)、XLB-D型平板硫化機(鄭州大眾機械制造有限公司)。

1.2 編織工藝參數

為了比較不同針織結構對其復合材料力學性能的影響，設計與試織了五種增強體：包括滿針羅紋、羅紋半空氣層組織及其襯緯組織、雙層平針組織和針織機織層合結構，以上組織結構的編織工藝參數如下頁表1。

表1 針織增強體的編織工藝參數

1.3 織物工藝參數測試

1.3.1 織物厚度

參照GB/T13762-92土工布厚度測定方法。均勻加壓10N，同一塊增強體挑選不同部位測試，測試10次，取平均值。

1.3.2 織物密度

參照FZ70002-91針織物線圈密度測試方法。將下機后的針織物靜置達到平衡后進行測試。

1.3.3 線圈長度

參照FZ/T 01031測定針織增強體的線圈長度，選用脫散法求其實際長度[11]。

1.3.4 平方米克重

參照GB/T13762-92土工布單位面積質量的測定方法，表2為各種織物的結構參數。

表2 各種織物的結構參數

1.4 針織增強體復合材料的制備

1.4.1 基體配比

環(huán)氧樹脂是熱塑性型樹脂，需在環(huán)氧樹脂中添加適量的固化劑。本試驗選用固化劑是聚酰胺樹脂650。根據低分子量聚酰胺樹脂配比環(huán)氧樹脂的計算公式[12]：

w(PA)=(56100/(AV)×fn)×EV

式中：PA指聚酰胺樹脂；

fn是系數，fn=n+2/n+1；(n 為—CH2CH2—的重復數減去1)

EV指環(huán)氧值；(E-51的環(huán)氧值為0.51mol/100g)

AV指胺值；(PA650胺值為400)

由公式5-1計算，w(PA)=(56100/400×2.5)×0.51=28.611

經計算，聚酰胺樹脂的理論用量為 28.611%。在實驗過程中，會有部分樹脂的損失，故確定固化劑用量為30%。

1.4.2 基體配制工藝確定

經過對環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂特點進行研究和計算，樹脂與固化劑的最佳配比為10:3；因固化劑的粘稠度較大，復合時基體涂覆不勻且與環(huán)氧樹脂混合受阻，需要加入適量的丙酮和鄰苯二甲酸二丁酯；樹脂和固化劑在適當的溫度下混合較為充分，故混合前需將樹脂與固化劑在一定溫度下保持一定時間。經過多次重復試驗得到了基體的配制工藝，如表3所示。

表3 基體的配制工藝

1.4.3 熱壓工藝選定

在確定最佳工藝的過程中，需根據樹脂的性能指定適當的溫度、壓力及時間，溫度、壓力過高過低，保壓時間過長過短均不適宜。過高過長，不僅延長了生產周期，還使樹脂交聯(lián)過大，密度增加，導致增強體與樹脂基體之間產生內應力，制品在頂出時會發(fā)生破裂現象；過低過短，則會導致樹脂固化不完全，制品在脫模后會繼續(xù)收縮而出現翹曲現象[13]?？梢?，合理的熱壓工藝對復合材料成型及其物化性能尤為重要。本課題選定的熱壓工藝如下：

(1)首先預熱30min，加壓0.5MPa，50℃。

(2)接下來在50℃下保溫3h，升壓到2.0MPa。

(3)隨后，升溫至80℃，30min，保壓2.0MPa。

(4)緊接著保溫保壓(80℃、2.0MPa)5h。

(5)室溫靜置，直至成型穩(wěn)定。

1.4.4 復合材料制備

按計算好的基體配比，分別稱量環(huán)氧樹脂和固化劑，50℃下預熱20min，混合均勻，依次加入一定量的分散劑和促進劑，在超聲波清洗器中振蕩 5min 左右；將稱量好的聚酰胺樹脂和配制好的環(huán)氧樹脂倒入不銹鋼容器中用玻璃杯攪拌均勻，涂在事先用簽子撐平整的UHMWPE纖維增強體上，用刮板將織物正反面的樹脂涂抹均勻。然后在常溫下進行自然固化，使樹脂從粘流態(tài)固化到凝膠態(tài)。等復合材料預成坯基本固化后，將其放在平板硫化機型腔內進行熱壓，接著脫模取樣，打磨處理，得到待測試樣。

1.5 測試方法

1.5.1 拉伸性能

參照GB/T1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行測試。

為防止試樣與試驗機夾頭之間相對滑移，在試樣的兩端粘結加強片，并在室溫下固化24h以上，加強片選用比試樣彈性模量低的鋁片，長×寬×厚為50×25×1mm。測試溫度為23℃，相對濕度為45%，拉伸速度為10mm/min，夾具間距離為10cm，每組測試5個試樣，結果取平均值。

1.5.2 彎曲性能測試

參照GB/T1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB/T1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，對所制得的標準試樣進行分類、編號、劃線，并測量試樣工作段任意三處的寬和厚，每組測試5個試樣，結果取平均值。跨厚比選5/10，則跨距為30mm，試驗加載速度為10mm/min。其彎曲強度計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：σf一彎曲強度，MPa；

P一破壞時的最大載荷，N；

l一跨距，mm；

h一試樣厚度，mm；

b一試樣寬度，mm。

1.5.3 壓縮性能測試

參照GB/T 1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB/T 1448-2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》來加工試樣。壓縮試驗加載速度為3mm/min，每組測試5個試樣，結果取平均值。

1.5.4 層間剪切性能測試

參照GB/T 28889-2012測定復合材料層間剪切強度，計算公式如式(2)[14]所示，加載速度為2mm/min，每組測試5個試樣，結果取平均值。

( 2)

式中：σILSS一層間剪切強度(Mpa)；

P一破壞時的最大載荷(N)；

b一試片寬度(m)；

d一試片厚度(m).

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

對UHMWPE纖維不同增強體改性前后復合材料的經緯向進行拉伸強度測試，計算結果如表4所示。

表4 UHMWPE纖維針織增強體復合材料拉伸性能

從表4可以看出：不同增強體UHMWPE纖維復合材料的纖維體積含量及其斷裂強度不同，且兩者之間有著一定的關系。雙層增強體復合材料的拉伸強力明顯大于單層增強體復合材料，增強體的拉伸強度均在25MPa以上，其中滿針羅紋的最大，其次是羅紋半空氣層襯緯組織、雙層平針組織和羅紋半空氣層組織，最小的是針織機織層合結構。明顯可以看出纖維體積含量越高，對應的拉伸強度越大。這是因為UHMWPE纖維針織增強體復合材料的拉伸強度主要取決于增強體主體強度，UHMWPE纖維針織增強體復合材料中纖維體積含量越高，其對應拉伸強度越大。

表中明顯看出經向拉伸強度遠遠高于緯向拉伸強度，只有羅紋半空氣層增強體的緯向拉伸強度大于經向拉伸強度。這是因為線圈的結構(如圖1所示)所致的，當UHMWPE纖維針織增強體復合材料試樣受到經向拉伸時，主要是線圈的圈柱1承受載荷，若把每一個線圈兩個圈柱近似看成是兩根經向紗線，那么試樣經向的每英尺紗線根數為12根；而當UHMWPE纖維針織增強體復合材料試樣受到緯向拉伸時，主要是線圈的沉降弧2和針編弧3承受載荷，此時可以把上一個線圈的沉降弧和本橫列線圈的針編弧近似看作是一根緯向紗線，則試樣緯向每英尺紗線根數為7.5根。因為經向拉伸試樣紗線根數大于緯向，所以UHMWPE纖維針織增強體復合材料經向拉伸強度總是大于緯向。之所以羅紋半空氣層襯緯組織增強體的緯向拉伸強度大于經向拉伸強度是由于該組織沿緯向墊入了UHMWPE長絲，在受到拉伸時，每英尺墊入紗的根數為7.5根，所承載的每英尺紗線總根數為15根，所以羅紋半空氣層增強體UHMWPE纖維復合材料的緯向拉伸強度大于經向拉伸強度。

圖1 線圈結構圖

通過單位體積含量纖維的拉伸強度進行比較，增強體為針織機織層合結構的UHMWPE纖維復合材料經向的最大，為78.72MPa，羅紋半空氣層襯緯組織的UHMWPE纖維復合材料緯向的最大，為75.91MPa，綜合考慮UHMWPE纖維針織增強體復合材料的經緯向拉伸性能，所研究的針織增強體中羅紋半空氣層襯緯組織更為理想。

2.2 彎曲性能

對UHMWPE纖維針織增強體復合材料各試樣的彎曲性能分別進行測試，測試計算結果如表5所示。

表5 UHMWPE纖維針織增強體復合材料彎曲性能

從表5可以看出：不同增強體的UHMWPE纖維復合材料的彎曲強度均在20MPa以上，其中滿針羅紋改性經向的最大，為51.88MPa，最小的是針織機織層合結構未改性緯向彎曲強度，為22.01MPa。從中得出纖維體積含量越高，對應的彎曲強度越大。經鉻酸改性后的UHMWPE纖維針織增強體復合材料的彎曲性能得到了明顯的改善，漲幅可達到24.67%，同時經向彎曲強度也遠遠高于緯向彎曲強度。究其原因，也是由于試樣的經向紗線數多于緯向。同時，未經改性的復合材料的彎曲斷口處基體幾乎從纖維表面完全剝離，而經改性之后，UHMWPE纖維復合材料的彎曲性能得到了較大改善，其復合材料的斷口較為整齊，界面性能良好，可見鉻酸改性UHMWPE纖維可以提高其復合材料的彎曲強度。

通過單位體積含量纖維的彎曲強度進行比較，增強體為羅紋半空氣及其襯緯組織的結構的UHMWPE纖維復合材料經向的最大，為73.86MPa，羅紋半空氣層襯緯組織的UHMWPE纖維復合材料緯向的最大，為72.08MPa，綜合考慮UHMWPE纖維針織增強體復合材料的經緯向彎曲性能，所研究的針織增強體中羅紋半空氣層襯緯組織更為理想。

2.3 壓縮性能

對UHMWPE纖維針織增強體復合材料各試樣的壓縮性能分別進行測試，結果如表6所示。

表6 UHMWPE纖維針織增強體復合材料壓縮性能

從表6可以看出：經鉻酸改性后的UHMWPE纖維針織增強體復合材料的壓縮強度有了小幅度地提高，最大漲幅可達到13.57%，同時，經緯向復合材料的壓縮強度相差不大，均在45MPa以上；就單位體積含量復合材料的壓縮強度可知，改性之后UHMWPE纖維針織物增強體復合材料的壓縮強度較改性之前均有小幅度增加，經緯向壓縮強度沒有明顯差異，壓縮性能表現更為優(yōu)異的是針織機織層合結構，經緯向位體積含量復合材料的壓縮強度均在120MPa以上。與UHMWPE纖維針織增強體復合材料的彎曲性能相比，其壓縮強度顯示出很高的各向同性，研究者認為，壓縮載荷的破壞模式十分依賴于樹脂基體的性能，盡管針織結構的方向對壓縮性能有一定影響，但是主要控制因素還是基體的性能。

2.4 層間剪切性能

對UHMWPE纖維針織增強體復合材料各種試樣層間剪切性能分別進行測試，計算結果如表7所示。

表7 UHMWPE纖維針織增強體復合材料層間剪切性能

從表7可以看出：各增強體UHMWPE纖維復合材料層間剪切強度均在30MPa以上，增強體為滿針羅紋的經緯向復合材料的層間剪切強度最大，可達到77.19MPa和79.93MPa，明顯看出改性后復合材料的層間剪切性能得到了極大的改善，最大提高率可達到 45.3%。經改性后，增強體表面不僅出現大量的細槽和孔洞等，增大了增強體與樹脂基體的接觸面積，同時增強體引入了極性基團，有了更多的和環(huán)氧樹脂相似的結構和非極性，在范德華力的作用下很好地與環(huán)氧樹脂基體相結合。通過單位體積纖維含量σLLSS的分析，增強體改性后的強度均在85MPa以上，表明改性后UHMWPE纖維針織增強體復合材料具有優(yōu)良的界面性能。

3 結論

(1)通過研究確定了最佳的基體工藝為：環(huán)氧樹脂：固化劑=10:3，稀釋劑丙酮10%，擴散劑領苯二甲酸二丁酯20%，混合溫度50℃，攪拌時間20min。

(2)UHMWPE纖維針織增強體與基體復合工藝流程為：鋪平織物→涂抹樹脂→冷卻至半固化→涂脫模劑→置于平板硫化機中→合上模具→預熱50℃ MPa→保溫加壓2.0MPa→保壓升溫80℃ →保溫保壓5h →冷卻成型24h→脫模取樣→打磨整理→裁剪打磨。

(3)將最優(yōu)鉻酸表面改性工藝處理前后的UHMWPE纖維各種針織增強體與環(huán)氧樹脂進行復合，制備出了UHMWPE纖維針織物增強體復合材料，并對其拉伸、彎曲、壓縮和層間剪切性能進行了測試表征，對比分析改性前后的針織增強體復合材料的力學性質，增強體選用羅紋半空氣層襯緯組織更為理想。

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2017-06-07

陜西省教育廳重點試驗室專項項目(15JS030)；陜西省產業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心科研資助項目(2015ZX-06)。

魏冬(1993-)，男，碩士研究生，研究方向：針織新材料、新技術、新工藝。

孟家光(1964-)，男，博士，教授，碩士生導師。

TS102

A

1008-5580(2017)04-0068-06