左 祺, 吳華偉,2, 王春紅, 杜娟娟

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300387; 2.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院,浙江 紹興 312000; 3.天津工業(yè)大學(xué) 人工智能學(xué)院, 天津 300387)

在“碳中和、碳達(dá)峰”生態(tài)文明建設(shè)的整體布局下,以麻纖維為主的植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車內(nèi)飾、體育用品、裝飾材料等應(yīng)用領(lǐng)域中有潛力替代高性能纖維(碳纖維、玻璃纖維等)增強(qiáng)復(fù)合材料[1]。當(dāng)前研究中麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中常用的麻類纖維有苧麻、大麻、黃麻、洋麻、劍麻等[2]。與碳纖維和玻璃纖維相比,麻纖維具有來源豐富、可再生、成本較低等優(yōu)勢(shì)[3]。合成纖維的長(zhǎng)度可滿足合成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的連續(xù)生產(chǎn);但是麻纖維是通過自然生長(zhǎng)以及脫膠提取得到的,其長(zhǎng)度具有一定的局限性[4],因此,為實(shí)現(xiàn)麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的連續(xù)制備,Goutianos等[5]率先提出將環(huán)錠紡紗引入復(fù)合材料行業(yè),將大麻短纖維紡成短纖紗,實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料增強(qiáng)體連續(xù)加工。后續(xù)以麻短纖紗制備的機(jī)織物、針織物、編織物以及紗線單向帶已成為麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)形式[6-7]。

短纖維在加捻作用下相互抱合[8],導(dǎo)致紗線中纖維結(jié)構(gòu)復(fù)雜。紗線線密度增加,紗線斷裂強(qiáng)力增加;而捻系數(shù)增加,紗線斷裂強(qiáng)力先增加后降低,存在臨界捻系數(shù)[9],但在短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料中,隨著樹脂基體的加入,紗線結(jié)構(gòu)對(duì)紗線基復(fù)合材料拉伸性能的影響需要進(jìn)一步探究。Ma等[10]提出當(dāng)線密度從15.8 tex增加到67.3 tex時(shí),苧麻紗線復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高;隨著線密度繼續(xù)增大,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸下降。Hengstermann等[11]、Ma等[12]和Omrani等[13]的研究表明,紗線捻度的增加會(huì)降低紗線增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。Yu[14]和Zaidi等[15]通過合股工藝降低了紗線的捻度,提高了紗線增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。

為更系統(tǒng)地揭示紗線結(jié)構(gòu)對(duì)短纖紗復(fù)合材料性能的影響與其對(duì)紗線性能影響的區(qū)別,本文采用可紡性高的苧麻纖維分別紡制連續(xù)梯度線密度以及捻系數(shù)的短纖紗,通過對(duì)紗線拉伸性能以及苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸性能的分析,優(yōu)選最佳的紗線線密度及捻系數(shù),并闡述紗線結(jié)構(gòu)對(duì)苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸行為的影響規(guī)律。通過對(duì)紗線結(jié)構(gòu)的探究為調(diào)控麻纖維紗線增強(qiáng)復(fù)合材料性能提供理論依據(jù),推動(dòng)麻纖維紗線增強(qiáng)復(fù)合材料拓展應(yīng)用到汽車內(nèi)飾門板、建筑柵欄、運(yùn)動(dòng)球桿、滑雪板、醫(yī)療夾板等材料上。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

苧麻短纖維(湖南華升洞庭麻業(yè)有限公司),短切纖維長(zhǎng)度為40 mm。191型通用不飽和聚酯樹脂、過氧化甲乙酮固化劑和異辛酸鈷促進(jìn)劑(鑫得佳玻璃纖維復(fù)合材料有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

XFH型開松機(jī)(青島市膠南針織機(jī)械廠),DSCa-01型蓋板梳理機(jī)、DSDr-01型并條機(jī)、DSRo-01型粗紗機(jī)和DSSp-01型細(xì)紗機(jī)(天津市嘉誠(chéng)機(jī)電設(shè)備有限公司),自制一浸一軋苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料浸漬設(shè)備,YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)儀(萊州元茂儀器有限公司),YG155B 型紗線捻度測(cè)試儀(常州市雙固頓達(dá)機(jī)電科技有限公司),Instron3369型萬能強(qiáng)力機(jī)(美國(guó)英斯特朗公司),臺(tái)式掃描電子顯微鏡( 荷蘭Phenom World BV公司),UPK-T18型水浸超聲波探傷儀(美國(guó)物理聲學(xué)公司)。

1.3 苧麻短纖紗的制備

1.3.1 不同線密度紗線的制備

設(shè)計(jì)40、50、60、70、80、90、100、110、120 tex 9組理論線密度的苧麻短纖紗,苧麻纖維原料喂入開松機(jī)后獲得較為蓬松的苧麻纖維;根據(jù)不同紗線線密度設(shè)計(jì)初始生條定量為30 g/(5 m),梳理時(shí)每次喂入25 g蓬松纖維,通過并條機(jī)得到生條;并條過程中羅拉前區(qū)、中區(qū)、后區(qū)的隔距分別為43、41、52 mm, 通過2道并條得到定量為25 g/(5 m)的熟條;40～70 tex對(duì)應(yīng)650 tex苧麻短纖紗的粗紗定量,80～120 tex苧麻短纖紗對(duì)應(yīng)900 tex的粗紗定量,捻系數(shù)均為95,粗紗錠速為600 r/min;細(xì)紗線密度按照設(shè)計(jì)的理論線密度進(jìn)行設(shè)置,細(xì)紗機(jī)錠速為 6 000 r/min, 細(xì)紗捻系數(shù)統(tǒng)一選用330。

1.3.2 不同捻系數(shù)紗線的制備

設(shè)計(jì)捻系數(shù)分別為260、280、300、320、340、360、380的7組紗線,開松、梳理和并條過程如1.3.1節(jié)所述,熟條定量為25 g/(5 m),粗紗線密度為900 tex,粗紗捻系數(shù)為95,粗紗機(jī)錠速為600 r/min; 設(shè)置紗線線密度為80 tex,捻系數(shù)根據(jù)線密度進(jìn)行設(shè)置,細(xì)紗機(jī)錠速為6 000 r/min。

1.4 苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的制備

苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料在自制一浸一軋?jiān)O(shè)備上的制備流程如圖1所示。將苧麻短纖紗從紗管退繞通過浸漬槽,然后用壓輥軋去多余樹脂,綁到卷繞輥上備用,卷繞速度為60～70 m/min。其中,浸漬槽中裝有與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%的促進(jìn)劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%固化劑均勻混合后的不飽和聚酯樹脂。完全浸漬后的紗線從卷繞輥退繞,排列在框架上,放入烘箱中于60 ℃固化2 h。

圖1 苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的制備流程圖Fig.1 Preparation digram of ramie fiber staple yarn reinforced composite

1.5 測(cè)試方法

1.5.1 紗線性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 4743—2009《紡織品 卷裝紗 絞紗法線密度的測(cè)定》,采用縷紗測(cè)長(zhǎng)儀卷繞百米紗線并測(cè)其實(shí)際線密度。

根據(jù)GB/T 2543.2—2001《紡織品 紗線捻度的測(cè)定:第2部分 退捻加捻法》,通過紗線捻度測(cè)試儀測(cè)量紗線的實(shí)際捻度,按照1次退繞加捻法測(cè)量250 mm內(nèi)紗線的捻回?cái)?shù),轉(zhuǎn)速為750 r/min,并轉(zhuǎn)換為紗線捻度。

根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》,通過萬能強(qiáng)力機(jī)測(cè)試紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率,設(shè)定隔距長(zhǎng)度為500 mm,拉伸速度為500 mm/min。

1.5.2 復(fù)合材料拉伸性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 26749—2011《碳纖維 浸膠紗拉伸性能的測(cè)定》,通過萬能強(qiáng)力機(jī)測(cè)試苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,設(shè)定2種隔距進(jìn)行拉伸測(cè)試。短隔距拉伸測(cè)試加強(qiáng)片的距離為20 mm,拉伸速度為2 mm/min;長(zhǎng)隔距拉伸測(cè)試加強(qiáng)片的距離為 200 mm, 拉伸速度為10 mm/min。

1.5.3 形貌觀察

采用臺(tái)式掃描電子顯微鏡鏡觀察苧麻紗線表面和苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的斷面微觀形貌。

1.5.4 水浸超聲波測(cè)試

將不同參數(shù)的紗線埋入樹脂塊,采用水浸超聲波探傷儀,通過傳統(tǒng)C掃描成像對(duì)含紗線樹脂塊進(jìn)行掃描。分別提取掃描路徑中與紗線對(duì)應(yīng)的掃描信號(hào),通過數(shù)據(jù)重構(gòu)得到B掃描圖像,即垂直于樹脂塊平面的紗線軸向截面圖像,觀察紗線內(nèi)部的空隙。

2 結(jié)果與討論

2.1 紗線線密度對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

2.1.1 不同線密度苧麻短纖紗的性能

不同線密度苧麻短纖紗的基本性能如表1所示。在相同捻系數(shù)(330)下,隨著線密度的增加,紗線的實(shí)際捻度逐漸降低;當(dāng)紗線線密度為120 tex時(shí),紗線的實(shí)際捻度約為34.89 捻/(10 cm),比紗線線密度為40 tex時(shí)的實(shí)際捻度降低了41.96%。表面捻度角和捻系數(shù)都可以表示紗線的加捻程度,從不同線密度紗線的表觀形貌(見圖2)可看出,在相同捻系數(shù)下紗線的表面捻度角相近,同時(shí),線密度的增加使紗線的直徑變粗,毛羽增多。

表1 不同線密度苧麻短纖紗的基本性能Tab.1 Fundamental performance of ramie fiber staple yarns with different yarn counts

圖2 40～120 tex紗線的表觀形貌Fig.2 Yarn morphology from 40 tex to 120 tex

從表1可看出,隨著紗線線密度的增加,紗線的斷裂強(qiáng)力逐漸增加,120 tex紗線的斷裂強(qiáng)力比40 tex 紗線高出239.70%。圖3示出不同線密度苧麻短纖紗的拉伸性能。由圖3(a)可知,在排除紗線線密度的影響后,苧麻短纖紗在100 tex時(shí)斷裂強(qiáng)度最高,為24.02 cN/tex,比60 tex時(shí)的最低斷裂強(qiáng)度高出27.11%。由于設(shè)定捻系數(shù)一致,紗線表面捻度角基本一致,隨著線密度的增加,紗線實(shí)際捻度下降,紗線內(nèi)外部的纖維平均捻度角減小,因此紗線斷裂強(qiáng)度有一定程度的提高[11-13]。由圖3(b)可知,隨著線密度的增加,紗線斷裂伸長(zhǎng)率從6%提升至8%左右。這是因?yàn)榫€密度增加,紗線中纖維增多,則纖維間的滑動(dòng)摩擦力增大,滑動(dòng)距離增大,斷裂伸長(zhǎng)率增大。

圖3 不同線密度苧麻短纖紗的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of ramie fiber staple yarns with different yarn counts.(a)Breaking tenacity; (b)Elongation at break

2.1.2 不同線密度復(fù)合材料的拉伸性能

圖4示出不同線密度苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能。

圖4 不同線密度苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of ramie fiber staple yarn reinforced composites with different yarn counts. (a)Tensile strength; (b)Strain; (c)Stress-strain curves

從圖4(a)可看出,隨著紗線線密度的增加,苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后增加再降低的趨勢(shì),這是紗線中纖維向內(nèi)部的轉(zhuǎn)移以及紗線直徑變化規(guī)律所導(dǎo)致的[16]。當(dāng)短纖紗線密度為80 tex時(shí),苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料在2種測(cè)試隔距下都達(dá)到了最大的拉伸強(qiáng)度;而短纖紗為 120 tex 時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最低。雖然40 tex時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與80 tex時(shí)的相近,但考慮到紗線的斷裂強(qiáng)力,為使紗線在后續(xù)生產(chǎn)中不易斷頭,80 tex可作為制備苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的最優(yōu)線密度。在短隔距下測(cè)試的拉伸強(qiáng)度比長(zhǎng)隔距下平均高出20.68%,其中120 tex時(shí)短隔距下的拉伸強(qiáng)度為167.45 MPa,比長(zhǎng)隔距下高出42.05%。在短隔距測(cè)試中,紗線中的纖維可視為被完全握持,載荷作用在所有纖維上,而在長(zhǎng)隔距測(cè)試中,纖維呈現(xiàn)隨機(jī)離散分布,并非完全連續(xù),因此應(yīng)力需要通過纖維與樹脂的界面以及纖維與纖維的接觸進(jìn)行傳遞,拉伸強(qiáng)度減小。

圖4(b)顯示,隨著紗線線密度增加,苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸應(yīng)變逐漸增大。雖然苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料在短隔距下的拉伸應(yīng)變略大于長(zhǎng)隔距,但是長(zhǎng)隔距的拉伸位移大于短隔距。在短隔距拉伸過程中,復(fù)合材料的應(yīng)變與所夾持的苧麻纖維應(yīng)變以及樹脂的應(yīng)變有關(guān),并且紗線線密度越大,捻度越小,紗線應(yīng)變變形逐漸增大。在長(zhǎng)隔距下的復(fù)合材料應(yīng)變則由纖維與樹脂之間以及纖維之間的抽拔與滑移共同決定,纖維越多,抽拔點(diǎn)或者滑移點(diǎn)越多,拉伸位移增加,變形能力增大。

從圖4(c)可看出,在長(zhǎng)隔距測(cè)試中,復(fù)合材料表現(xiàn)出典型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線。短隔距測(cè)試中復(fù)合材料拉伸初期表現(xiàn)為紗線中加捻纖維的伸直,然后才進(jìn)入虎克區(qū),呈現(xiàn)纖維和基體的彈性階段,最后由纖維斷裂引起復(fù)合材料的斷裂。在長(zhǎng)隔距測(cè)試中,不同線密度苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量均高于短隔距的復(fù)合材料彈性模量,與不同隔距下應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律相反。

2.1.3 不同線密度復(fù)合材料的斷面與缺陷

圖5示出40～120 tex苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料不同測(cè)試隔距下的斷面SEM照片。可以看出,在短隔距拉伸后苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂橫截面比長(zhǎng)隔距拉伸后的斷裂面更平整,短纖維被兩端握持時(shí)纖維斷裂的概率大于長(zhǎng)隔距中纖維在不連續(xù)受力狀態(tài)下的斷裂。然而,圖5中的苧麻纖維都有一定的抽拔現(xiàn)象,證明復(fù)合材料中的纖維與樹脂存在界面缺陷,纖維會(huì)從樹脂中拔出。另外,短隔距的斷裂橫截面積略大于長(zhǎng)隔距的斷面,這是因?yàn)殚L(zhǎng)隔距下拉伸位移較大,復(fù)合材料被抽長(zhǎng)拉細(xì)。

圖5 40～120 tex苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料不同測(cè)試隔距下的斷面SEM照片F(xiàn)ig.5 Fracture section of ramie fiber staple yarn reinforced composites from 40 tex to 120 tex observed by SEM. (a) In short distance between clamps test; (b) In long distance between clamps test

在水浸超聲波的檢測(cè)下,紗線內(nèi)部的空隙被標(biāo)記為紅色[17]。圖6為40～120 tex苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料水浸超聲波B-掃描圖?？梢钥闯?隨著線密度的增加,紗線內(nèi)部空隙增加。這是因?yàn)榫€密度增加使捻度下降,紗線變得松散。從圖5還可看出,90 tex以上的紗線內(nèi)部纖維未被樹脂完全包裹,線密度增加使紗線截面增加,線密度較大的紗線難以被樹脂完全滲透,導(dǎo)致苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)下降。

2.2 紗線捻系數(shù)對(duì)復(fù)合材料拉伸性能影響

2.2.1 不同捻系數(shù)苧麻短纖紗的基本性能

不同捻系數(shù)苧麻短纖紗的基本性能如表2所示,表觀形貌如圖7所示?？梢钥闯?隨著捻系數(shù)的增加,紗線的實(shí)際捻度逐漸增加。但圖7中顯示的紗線表面捻度角的變化不明顯,與測(cè)試時(shí)紗線自由端解捻有關(guān)。

表2 不同捻系數(shù)苧麻短纖紗的基本性能Tab.2 Fundamental performance of ramie fiber staple yarns with different yarn twist factors

圖7 不同捻系數(shù)苧麻短纖紗的表觀形貌Fig.7 Morphology of ramie fiber staple yarns with different twist factors

圖8示出不同捻系數(shù)苧麻短纖紗的拉伸性能。如圖8(a)和表2所示,當(dāng)捻系數(shù)為300時(shí),紗線的斷裂強(qiáng)力最大,紗線的斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大值,為 23.06 cN/tex。 隨著捻系數(shù)的增加,紗線的斷裂強(qiáng)力和強(qiáng)度先增大后減少,臨界捻系數(shù)在300附近。在到達(dá)臨界捻系數(shù)之前,纖維加捻使紗線軸向壓力增加,纖維間摩擦阻力增加,對(duì)短纖紗強(qiáng)度有積極影響,而紗線捻系數(shù)超過臨界捻系數(shù)后,纖維加捻程度越大,導(dǎo)致纖維在紗線軸向提供的有效分力下降,對(duì)短纖紗的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響[18]。如圖8(b)所示,紗線的斷裂伸長(zhǎng)率也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

圖8 不同捻系數(shù)苧麻短纖紗的拉伸性能Fig.8 Tensile properties of ramie fiber staple yarns with different yarn twist factors.(a)Breaking tenacity; (b)Elongation at break

2.2.2 不同捻系數(shù)復(fù)合材料的拉伸性能

圖9示出不同捻系數(shù)苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能。從圖9(a)看出,在短隔距測(cè)試中,隨著紗線捻度系數(shù)增加,苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增加后減小,在捻系數(shù)360處出現(xiàn)臨界點(diǎn),復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為528.39 MPa,比捻系數(shù)為260時(shí)的拉伸強(qiáng)度高出71.42%。樹脂的滲透及固化使紗線內(nèi)纖維之間的滑移現(xiàn)象減少甚至消失,紗線中纖維之間的抱合力轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維與樹脂的界面作用。隨著捻系數(shù)的增大,纖維扭轉(zhuǎn)與樹脂形成界面鎖結(jié),對(duì)拉伸強(qiáng)度有積極作用;但高捻系數(shù)使紗線軸向提供的有效分力下降,不利于拉伸強(qiáng)度,因此,在臨界捻系數(shù)處紗線捻度角對(duì)拉伸強(qiáng)度的負(fù)面影響與對(duì)界面機(jī)械鎖結(jié)的積極影響達(dá)到平衡。

圖9 不同捻系數(shù)苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能Fig.9 Tensile properties of ramie fiber staple yarn reinforced composites with different yarn twist factors.(a)Tensile strength; (b)Strain; (c)Stress-strain curves

然而,在長(zhǎng)隔距測(cè)試中復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度是逐漸增加的,當(dāng)捻系數(shù)為380時(shí),最大拉伸強(qiáng)度為399.20 MPa。雖然捻系數(shù)的增加會(huì)降低纖維的有效分力,使短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸載荷逐漸下降,但是與此同時(shí)紗線截面積隨著捻度的增加大幅度下降,這導(dǎo)致苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

比較2種隔距下復(fù)合材料的拉伸性能,短隔距測(cè)試時(shí)的拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變都高于長(zhǎng)隔距測(cè)試。在捻系數(shù)為360時(shí),短隔距測(cè)試時(shí)的拉伸強(qiáng)度是長(zhǎng)隔距的1.53倍,變化幅度最大。在圖9(b)中,長(zhǎng)隔距下復(fù)合材料的應(yīng)變保持在2%左右,短隔距下復(fù)合材料則在捻系數(shù)為300時(shí)達(dá)到最大的應(yīng)變。

從圖9(c)長(zhǎng)隔距測(cè)試中可看出,紗線捻系數(shù)越大,苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始斜率越大,即彈性模量越大。在短隔距拉伸初期,隨著捻系數(shù)的增加,將復(fù)合材料內(nèi)部?jī)A斜纖維伸直所需要的應(yīng)力增加,短隔距下應(yīng)力-應(yīng)變曲線中虎克區(qū)的彈性模量趨勢(shì)與長(zhǎng)隔距下的相同。在長(zhǎng)短隔距對(duì)比中,長(zhǎng)隔距下不同捻系數(shù)苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量均高于短隔距復(fù)合材料的彈性模量。

2.2.3 不同捻系數(shù)復(fù)合材料的斷面與缺陷

圖10示出捻系數(shù)為260～380的苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料在不同測(cè)試隔距下的斷面SEM照片?？梢钥闯?捻度的增加使纖維在從樹脂中拔出后保持著明顯的捻度角。在苧麻短纖紗結(jié)構(gòu)中,捻系數(shù)越大,纖維與紗線的軸向傾角越大,纖維之間的相互抱合與樹脂形成機(jī)械鎖結(jié),使纖維不易拔出,因此對(duì)于長(zhǎng)隔距拉伸測(cè)試,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度主要由不連續(xù)的纖維與樹脂之間的抽拔力和部分纖維的斷裂提供,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著捻系數(shù)的增大而逐漸增大。當(dāng)短隔距測(cè)試中纖維兩端被握持后,雖然加捻纖維與樹脂的機(jī)械鎖結(jié)在一定程度上提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度,但是纖維有效分力的持續(xù)減少使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度在超過臨界捻系數(shù)后下降,樹脂的加入則實(shí)現(xiàn)了短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的臨界捻系數(shù)向比紗線臨界捻系數(shù)高的方向移動(dòng)。

圖10 不同捻系數(shù)苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料在不同測(cè)試隔距下的斷面SEM照片F(xiàn)ig.10 Fracture section of ramie fiber staple yarn reinforced composites with different twist factor observed by SEM. (a) In short distance between clamps test; (b) In long distance between clamps test

圖11為捻系數(shù)為260～380的苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的水浸超聲波B-掃描圖。可以看出,隨著捻系數(shù)的增加,紗線內(nèi)部的空隙減少。同一線密度下,捻系數(shù)越大,捻度越大,單位捻回?cái)?shù)的增加使纖維抱合得更加緊密,苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)增加,從而實(shí)現(xiàn)了苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的提高。

3 結(jié) 論

紗線線密度與捻系數(shù)是短纖維紗線的重要參數(shù),對(duì)苧麻短纖紗以及其增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能都有顯著的影響。當(dāng)紗線線密度逐漸增大時(shí),短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先降低后增加再降低,不同隔距下的拉伸強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致,其中線密度為80 tex時(shí)的拉伸強(qiáng)度最大。在長(zhǎng)隔距測(cè)試中,短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著捻系數(shù)的增加而增加;在短隔距測(cè)試中,當(dāng)捻系數(shù)為360時(shí),拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)了臨界點(diǎn),最大拉伸強(qiáng)度可達(dá)528.39 MPa,近似于苧麻纖維的拉伸強(qiáng)度。當(dāng)線密度小且捻系數(shù)較大時(shí),紗線中纖維排列緊密,紗線線密度與捻系數(shù)通過調(diào)整紗線內(nèi)部纖維的排列結(jié)構(gòu),從而影響苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維體積分?jǐn)?shù)和拉伸強(qiáng)度。

在短隔距測(cè)試下苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維被假設(shè)為兩端完全夾持,復(fù)合材料斷裂模式以纖維斷裂以及樹脂開裂為主;然而長(zhǎng)隔距測(cè)試下苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維在隔距內(nèi)呈離散分布,復(fù)合材料斷裂行為以纖維之間的滑脫以及纖維從樹脂中的拔出為主。由于纖維在短隔距測(cè)試中整體承力,在苧麻短纖紗增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂時(shí)的拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變都顯著高于長(zhǎng)隔距測(cè)試,而在相同應(yīng)變點(diǎn)處,長(zhǎng)隔距拉伸測(cè)試所得的拉伸應(yīng)力值要高于短隔距測(cè)試所得。