（紡織工程專業(yè)論文）經(jīng)編雙軸向柔性復合材料性能研究.pdf

經(jīng)編雙軸向柔性復合材料性能研究 摘要 柔性復合材料作為一種新興材料已經(jīng)被廣泛運用到城市建 筑、廣告裝飾、交通運輸，家居生活等各個領域，發(fā)展前景相當 廣闊。目前，柔性復合材料的增強結構以機織物和經(jīng)編雙軸向織 物為主。經(jīng)編雙軸向織物對比機織物具有許多優(yōu)點，由于襯經(jīng)襯 緯紗在織物中幾乎呈完全伸直狀態(tài)，使得該織物的抗拉強力、彈 性模量較高，織物的懸垂性好，可設計性強，抗撕裂性能好，而 且生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟性高，因此以經(jīng)編雙軸向織物作為增強結構 的復合材料比例日益增加，適用范圍也逐漸拓寬。 在實際使用過程中，復合材料不可避免地會受到各種外力作 用，如拉伸，剪切，撕破等，因此材料的力學性能是進行織物設 計時需要考慮的重要指標。目前生產(chǎn)柔性復合材料主要有涂層法 和層壓復合法，本文采用后者進行研制，并對復合后得到的材料 進行撕裂性能和界面間的粘結性能研究，針對目前層壓產(chǎn)品存在 粘結性較差的問題，嘗試采用等離子方法處理織物基布來進行改 善。 本文中采用了以滌綸高強絲作為原料的經(jīng)編雙軸向織物為 復合材料的基材，即增強體，利用熱熔層壓法將其與聚氯乙烯薄 膜復合。采用正交設計方法對撕裂和粘結性能的影響因素進行了 方差分析，發(fā)現(xiàn)溫度和時間對兩者的影響較大，而壓力的影響較 小，其中溫度是最重要的影響因素。 在進行撕裂性能分析時，我們首先分析了基布與復合成品性 能的變化差異，發(fā)現(xiàn)復合后材料的撕裂強力明顯下降主要歸因于 紗線集束程度下降。同時主要從織物方面分析影響因素，其中襯 經(jīng)襯緯紗的細度和根數(shù)是影響撕裂強力的主要因素，并進行了二 元線性回歸，希望可以對該類產(chǎn)品的生產(chǎn)設計有一定的參考意 義。另外襯經(jīng)紗的襯入方式對撕裂性能也有一定的影響，文中還 引入撕裂時紗線的強力利用率來針對基材不同密度，經(jīng)緯向差異 等進行深入分析。 針對復合材料的界面粘結性能，依據(jù)現(xiàn)有的一些界面理論對 各種加工方法得到的產(chǎn)品進行初步分析。從織物角度，包括改變 織物密度，織物結構等方面進行深入分析得到相應的一些結論。 通過對成品撕裂性能與粘結性能的研究還發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一 定的反比關系，在設計產(chǎn)品時需要綜合考慮這兩者。 本文試探性地采用等離子方法處理基材來改善復合材料的 界面粘結性能。從結果看來，該法對界面粘結性能有一定的改善， 主要是增加了表面的粗糙度，增加了機械嵌合力，同時等離子處 理還可以引入一定的活性基團或者極性基團，有利于界面間的相 互吸引力，增加吸附和擴散能力。而且采用等離子處理對機械強 力的損傷較小，只要控制好處理時間和強度就可以保證這一點。 影響處理效果的主要因素有處理時間，放電電壓，強度以及放電 氣體的種類。 本文所做的工作及得到的一些結論有助于加深對經(jīng)編雙軸 向柔性復合材料性能的進一步理解，對實際生產(chǎn)也具有一定的參 考價值。 關鍵詞：經(jīng)編雙軸向織物，柔性復合材料，撕裂性能，界面粘結 性能，等離子處理 s t u d y0 nt h ep r o p e r t i e so fw a r p k n i t t e d b i a x i a lf l e x i b l ec 0 m o s i t e s a b s t r a c t a san e w l ya r i s e nm a t e r i a l ，f l e x i b l ec o m p o s i t e sh a v eb e e nu s e d w i d e l yi nm a n yf i e l d s i nt h ep r e s e n tm a r k e t ，t h er e i n f o r c e dp a r to f t h ef l e x i b l e c o m p o s i t e sa r em o s t l yw o v e nf a b r i ca n dw a r p - k n i t t e d b i a x i a lf a b r i c i nc o n t r a s tt ot h ew o v e n f a b r i c ，w a r p - k n i t t e dp o s s e s s b e t t e rt e n s i l es t r e n g t h ，e l a s t i cm o d u l u s ，t e a r i n gr e s i s t a n c ea n dl o w e r c o s t t h e r e f o r et h e u s i n gp e r c e n t a g e o fw a r p k n i t t e df a b r i ch a v e b e e nr a i s e da st h er e i n f o r c e m e n t p a r to f t h ec o m p o s i t e s c o m p o s i t e s w i l li n e v i t a b l ys u f f e rv a r i o u so u t s i d e p o w e r s u c ha s t e n s i l e ，t e a r , s h e a r e f f e c to n c e b e i n gu s e d a c c o r d i n g l y t h e m e c h a n i c a lb e h a v i o r sa r et ob ec o n s i d e r e di ne m p h a s i sd u r i n gt h e p r o c e s s o f d e s i g n i n g t h ec o m p o s i t e s a t p r e s e n t t h e r ea r em a i n l yt w o m e t h o d st o p r o d u c t f l e x i b l e c o m p o s i t e s ：c o a t i n g a n dh e a t - m e l t l a m i n a t i n g w ea d o p tt h e l a t t e ro n ei nt h i s p a p e ra n ds t u d yt h e t e a r i n gp r o p e r t ya n di n t e r f a c i a la d h e s i o np r o p e r t y m o r e o v e rw et r y t ou s et h e p l a s m ae f f e c to nt h e f a b r i ct o i m p r o v et h ei n t e r f a c i a l a d h e s i o ne 圩e c t w ec h o o s et h e w a r p k n i t t e d b i - a x i a lf a b r i cm a d ef r o m h i g h s t r e n g t h p e ta st h e r e i n f o r c e m e n t ，u t i l i z i n g h e a t - m e l t l a m i n a t i n gt om a k et h ef a b r i ca n dp v cf i l mb e c o m ec o m p o s i t e s w i t hr e f e r e n c et or e l e v a n td o c u m e n t sw ek n o wt h a tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt e c h n i c a l p a r a m e t e r s o f l a m i n a t i n g a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i n t h i s p a p e r w eg e tt h es a m ec o n c l u s i o nt h a tt h e t e m p e r a t u r e a n dt i m eh a v em o r ee f f e c to nt h e t e a r i n g a n dt h e i n t e r r a c i a la d h e s i o n p r o p e r t i e s ，w h i l e t h ep r e s s u r ea r es c a r c e w ef o u n dt h a tt h er e a s o nl i e si nt h ed e c r e a s eo ft h ed e g r e eo f t h ey a r n c o n c e n t r a t i o n ，w h i c ht h et e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e s a r el o w e rt h a nt h eb a s e m e n tf a b r i c m e a n w h i l e ，t h ed i a m e t e ra n dt h e n u m b e ro fi n s e r t e dy a ma r et h em a i nf a c t o ro ft h et e a rr e s i s t a n c eo f t h ef a b r i c m o r e o v e rt h ew a yo f i n s e r t i n gt h ey a m h a v ei m p a c to ni t t o o w ei n t r o d u c et h ey a r ns t r e n g t hu t i l i z i n gr a t i ot oa n a l y z et h e d i f f e r e n c eb e c a u s eo f t h ed e n s i t ya n d w a r p w e f td i r e c t i o n w em a k et h ef i r s tr e s e a r c h0 1 1t h ec o m p o s i t e sw ep r o d u c e d a c c o r d i n g t ot h ep r e s e n ti n t e r f a c i a la d h e s i o nt h e o r y f r o mt h ev i e w o f f a b r i c ( c h a n g i n gf a b r i cd e n s i t ya n ds t r u c t u r e ) w eg e t t h er e l e v a n t c o n c l u s i o n s a p a r t f r o m t h i s ，t h e r e s u l t ss h o w st h a tt h et e a r r e s i s t a n c ea r ei nr e v e r s e p r o p o r t i o n t ot h ei n t e r f a c i a la d h e s i o n p r o p e r t y t h e r e f o r ew es h o u l dc o n s i d e rt h i sp o i n tw h e nd e s i g n i n g t h ep r o d u c t i nt h ep a p e rw eu s et h ep l a s m at o i m p r o v et h e i n t e r f a c i a l a d h e s i o n w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o a r s e d e g r e e o nt h ef a b r i c s u r f a c e ，t h em e c h a n i c a lb o n d i n ga b i l i t yi n c r e a s e a tt h es a m et i m e t h ea c t i v eo rg r o u ps t i m u l a t e db yt h e p l a s m ae f f e c ti m p r o v et h e a t t r a c t i o na n d p r o l i f e r a t i o na b i l i t yb e t w e e n t h et w os u r f a c e s i ti st h e t w o p o i n t sm e n t i o n e d a b o v et h a tm a k et h ei n t e r f a c i a la d h e s i o no f t h e c o m p o s i t e sb e t t e rt h r o u g hp l a s m a t h ea d v a n t a g el i e si nt h a tw e c a n a s s u r et h em e c h a n i c a lp r o p e r t y t h em a i nf a c t o r si n c l u d eh a n d l i n g t i m e ，v o l t a g e ，s t r e n g t ha n d t h ek i n do f t h e p l a s m a a i r t h ec o n c l u s i o nw eh a v eg o ta n dt h ew o r kw eh a v ed o n ei nt h e p a p e r w i l ld oa g r e a th e l p t ou n d e r s t a n dt h ep r o p e r t i e so ft h eb i a x i a l w a r p - k n i t t e df l e x i b l ec o m p o s i t e s f o rt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o nt h e y a l s op o s s e s sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e w h 慨b y 厶r 上2 s u p e r v i s e db ys 如 w 訂 k e yw o r d s ：w a r p - k n i t t e df a b r i c ，f l e x i b l e c o m p o s i t e s ，t e a r i n g p r o p e r t y , i n t e r r a c i a la d h e s i v ep r o p e r t y , t r e a t m e n t o f p l a s m a 附件一： 東華大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明；我恪守學術道德，崇尚嚴謹學風。所墨交的學位論文。是本人在導師的 指導f ，獨立進行研究1 ：作所取得的成果。除文中己明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包 含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對 所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名：； j 磚 f 日期：。加中年，a 月尊二日 附件二： 東華大學學位論文版權使用授權書 學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留井向國家 有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權東華大學可 以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等 復制手段保存和匯編本學位論文。 保密口，在年解密后適用本版權書。 本學位論文屬于 不保密。 學位論文作者簽名 日期：婦w 年 月砧日 指導教師簽名：而巳而 日期：2 旃f 工月j 日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 柔性復合材料概述 復合材料通常是將高強度、高模量、脆性的增強材料和低強度、低模 量、韌性的基質材料經(jīng)過一定的成型加工方法制成。從許多方面看，纖維增 強的聚合物復合材料是其中最為重要的一類。根據(jù)紡織纖維結構的不同，有 機織物、針織物、三維編織物以及非織造布之分【i 】；根據(jù)剛性大小的不同， 還可以將纖維復合材料分為兩類：剛性復合材料和柔性復合材料。1 2 1 與剛性復合材料相比，柔性復合材料有較大的的變形范圍，在低應力 作用時材料呈低剛度性能，而在高應力作用時卻有相當?shù)膹姸群蛣偠取Ｒ?此在應用中需要通過一些支撐結構對它施加預應力，才能使它獲得一定剮 度以承受外力負載并形成所要求的空間形狀。這些支撐可以是鋼骨架，支柱 及鋼索，或者是加壓氣體1 3 j 。新型柔性復合材料通常以滌綸或玻纖取代早期 的棉、麻等天然纖維做為基布原料，通過一定的織造方式( 機織、針織等) 加工成基材，以聚氯乙烯( 增塑的p v c ) 、聚氨酯( p u ) 、聚四氟乙烯( p t f e ) 、 天然橡膠等材料為基質通過涂層、壓延等加工方式制得。其力學特性主要 由內(nèi)部基材織物決定，物理特性主要由外部涂層決定。 4 1 總體上具有很好 的機械、力學和熱學特性，經(jīng)過特殊涂層、貼膜后具備高強、輕質、不燃、 自潔、透光耐久等優(yōu)異性能，可滿足多種需求，廣泛應用于建筑、廣告燈 箱、充氣材料、農(nóng)用材料等。 目前作為柔性復合材料的基布主要有機織物、經(jīng)編雙軸向和多軸向織 物。研究證明1 5 4 】，針織結構增強材料的機械性能是不穩(wěn)定的，取決于針織 物的許多性能參數(shù)，如織物層數(shù)、密度、組織結構、織物的拉伸變形情況 以及失效時織物中斷裂纖維的體積等。在相同的增強纖維含量下，普通針 織結構增強材料與機織物相比，能量吸收特性和抗沖擊性能較好，疲勞性 能相當，但其拉伸、壓縮強力較低。這是由于普通針織線圈結構在成型時 所產(chǎn)生的增強纖維模塑變形拉仲和扭曲將帶來增強纖維結構的不均勻性， 而且使得增強纖維在軸向上的強力性能無法得到充分利用，從而影響材料 第一章緒論 的整體強力性能。但是，針織結構材料的剛性和強力性能可以通過在負載 方向和部分有目的地、靈活地襯入平直排列的增強紗線來改善結構的均勻 性和穩(wěn)定性，并提高增強纖維的強力利用率。經(jīng)編雙軸向增強結構就是這 樣一種效果優(yōu)良的改進后的增強針織結構體。與機織物相比經(jīng)編基布的 優(yōu)點在于：( 1 ) 織物的抗拉強力、彈性模量較高。這是由于經(jīng)編織物中的紗 線平直排列，從而提高了織物的彈性模量1 7 1 ；( 2 ) 織物的懸垂性好，可設計 性強，原因在于經(jīng)編增強織物懸垂性能由線圈系統(tǒng)根據(jù)襯緯機構進行調節(jié)， 變形能力可通過加大線圈和降低組織密度來增加：( 3 ) 抗撕裂性能好。經(jīng)編 織物受到撕裂時，紗線會沿裂口滑動，紗線聚集增加撕裂強度，而機織物 中紗線很難相對滑動聚集，相應強度較低；( 4 ) 原料的適應性好。經(jīng)編織物 內(nèi)襯經(jīng)襯緯紗的平直排列，使它可以采用幾乎任何種類的纖維原料，包括 一些剛度高的高性能纖維如玻璃纖維、碳纖維等。( 5 ) 生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效 率高，經(jīng)濟性高。 8 1 1 9 】 鑒于經(jīng)編軸向織物的這些優(yōu)點，目前以經(jīng)編織物為基布的柔性復合材 料在市場上所占的比重日益增加，尤其是雙軸向織物，應用已相當普遍， 相信會有很好的發(fā)展前景。 1 2 柔性復合材料國內(nèi)外發(fā)展應用情況 新型柔性復合材料由于采用了合成纖維，強度、彈性、均勻性、耐化 學性、耐侯性、阻燃性、耐磨性、防霉等性能都優(yōu)于天然纖維，經(jīng)過涂層、 層壓處理后綜合性能大大改善，使用范圍日益廣泛，目前在國內(nèi)外主要有 以下一些用途： ( 1 ) 燈箱廣告布 由于柔性復合材料具有良好的透光性及著色性特別適合做燈箱廣告， 打破了硬質材料的局限，比傳統(tǒng)廣告材料具有更好的效果，8 0 年代以來在 國外得到了迅速的發(fā)展。也是我國目前用量最大的柔性復合材料市場，市 場用量在1 0 0 0 萬平方米以上，并以每年2 0 的速度增長。1 1 0 1 通常采用高強 滌綸絲經(jīng)過機織或經(jīng)編織造制得增強骨架織物，采用涂層、貼合或壓延工 藝生產(chǎn)得到最終成品。 2 第一章緒論 ( 2 ) 遮篷、蓋篷用材料 根據(jù)國際組織的定義，遮陽蓬分為兩類：一類是a w n i n g ( 簡稱a 蓬) ， 是指完全由建筑物支撐的伸出篷體，由輕質剛性或伸縮式骨架覆蓋以柔性 復合材料制成。另一類叫c a n o p y ( 簡稱c 蓬) ，是指同時由建筑物和地面支 撐的伸出篷體，由輕質骨架覆蓋以柔性復合材料而成。 n l 在歐洲和北美， 遮陽材料作為建筑的附加設施隨處可見，形式多種多樣，隨著技術發(fā)展， 顏色日益豐富、款式新穎別致，在居家、咖啡館、露天餐廳等場所都有廣 泛的使用。 ( 3 ) 篷面建筑材料 自五十年代以來，柔性復合材料作為第五種建筑材料逐漸在全世界流 行開來，尤其是在美國、西歐和日本等國發(fā)展相當迅速。由于其優(yōu)良力學、 光學特性以及優(yōu)美活潑的造型，并且安裝快捷、節(jié)能減耗，可以將建筑的 藝術性、實用性和經(jīng)濟性很好地統(tǒng)一起來，重量輕，織物“外殼”僅為泥 灰、磚瓦、水泥、鋼材等一般外殼材料總量的1 3 0 ，因此可以節(jié)省支撐結 構和加強材料，降低造價1 3 2 3 1 2 l ，應用相當廣泛，如體育館、候機 大廳、展覽館、音樂廳以及工業(yè)、軍需倉庫基地等一些大型設施，也可用 于一些景觀性小建筑。另一個優(yōu)點是紡織結構材料能建造大跨度建筑，與 常規(guī)的結構材料比較，織物外殼層的建筑時間可顯著縮短。此外，用織物 材料作外殼的建筑物能較好的抵御地震等嚴重破壞力。從經(jīng)濟和生態(tài)角度 綜合衡量，輕質高強的柔性篷蓋類材料已成為繼木材、石料、金屬和玻璃 之后的第五大建筑材料。迄今為止，全世界的膜材建筑有十幾萬座，其中 1 0 0 0 多座是大型的公共建筑，尤其以體育建筑為多?！? 3 l 隨著技術的不斷改 進，篷面建筑已經(jīng)由簡易型向半永久型，永久型過渡，目前采用玻纖為基 布材料，以聚四氟乙烯為涂層材料的膜材壽命至少在2 0 年以上，最高可達 到4 0 年左右。 1 3 - 1 4 ( 4 ) 運輸用柔性復合材料 除了用作傳統(tǒng)的車用篷布，目前在歐洲很多國家采用柔性復合材料作 為軟體集裝箱，汽車外飾織物，海運船用織物等等。例如歐洲的集裝箱8 0 用涂層篷蓋布材料制作，8 0 年代美國，日本等發(fā)達國家軟體車廂式大型貨 第一章鯧論 車已得到應用，年增長率達2 0 ?！緇0 】這些材料都必須具有低伸長，高強度， 良好的耐磨性，抗老化性和耐化學性等以滿足相應場合使用要求。【1 2 】 目前在國內(nèi)外柔性復合材料的使用范圍日益增加，具有很好的發(fā)展前 景，特別是歐、美、日本的柔性復合材料制造業(yè)已達到很高的水準，但在 國內(nèi)，這方面的生產(chǎn)研究起步較晚，近十幾年來才有所發(fā)展，質量和性能 遠遠落后于國外產(chǎn)品。目前使用范圍也比較局限，較多的是低級形式的遮 陽篷，大部分材料是質量較差的p v c 涂層、層合聚酯織物，式樣單一，使 用壽命較短。柔性燈箱布近年來使用較為廣泛，發(fā)展也較快，但一些寬幅 產(chǎn)品( 幅寬在2 ，5 米以上) 使用的還是進口產(chǎn)品。而篷面建筑材料起步 則更晚，其研究、開發(fā)、應用還只是近幾年才開始，對于其理論、方法、 實踐等都處在摸索階段，目前基本上還沒有自己的永久性膜結構產(chǎn)品?？?體上看來國內(nèi)的產(chǎn)品存在一些問題：1 ) 質量較低，有些基材原料達不到力 學性能要求，有些p v c 涂層耐久性差，其中增塑劑易遷移導致涂層過早失 效：2 ) 產(chǎn)品花色品種少：3 ) 產(chǎn)品不抗污染，表面沒有整理，易發(fā)粘，不耐污； 4 ) 缺乏大型膜材結構的生產(chǎn)技術。o s - 16 】因此針對目前良好的市場前景，我 們急需提高現(xiàn)有產(chǎn)品的質量，使其能與國外產(chǎn)品相抗衡，占領中高端市場。 另外需開發(fā)高端膜材產(chǎn)品，避免過渡依賴進口產(chǎn)品。 1 3 課題意義和內(nèi)容 1 3 ，1 課題背景和意義 新型柔性復合材料可用于傳統(tǒng)的遮陽篷、帳篷、商品及運輸蓋布、車 廂，廣告燈箱，大型體育健身、文化娛樂、商業(yè)、交通設施等建筑物，總 體上呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。在我國的市場需求也相當大，1 9 8 8 年篷蓋產(chǎn)品 耗用纖維8 萬噸，“九五”期間達1 2 萬噸，預計2 0 1 0 年將達到1 8 萬噸。 1 5 1 目前基布使用的最多是滌綸織物，其中以機織物居多，但由于雙軸向經(jīng)編 織物強力利用率高，收縮率小，與涂層結合好、撕裂強度高，生產(chǎn)速度比 機織物高得多，而且技術、設備日益先進，上升勢頭日趨明顯。因此我們 需要做好前期的開發(fā)研究工作，使產(chǎn)品具有最佳的物理機械性能并能適應 不同的應用要求，使產(chǎn)品系列化、規(guī)范化。 4 第一章緒論 在實際使用過程中，柔性復合材料不可避免地會受到拉伸、彎曲、剪 切等外力，其力學性能是設計和應用時需要考慮的重要指標。在以前相關 的研究論文中針對拉伸性能的研究較多，因此本文重點對經(jīng)編雙軸向復合 材料的撕裂性能進行研究，期望可以豐富柔性復合材料的力學方面的研究， 并對生產(chǎn)實踐起到一定的指導意義。目前柔性復合材料的主要加工重點在 于如何更好地將基布與基體結合起來，克服和減少組份材料各自缺陷，這 決定了材料的性能可否發(fā)揮最大效用，即兩者的界面粘結狀況直接影響著 產(chǎn)品的各項性能。粘合不佳極易產(chǎn)生分層和芯吸現(xiàn)象，致使產(chǎn)品力學性能 降低，易吸濕，嚴重影響使用壽命。目前對于界面研究主要集中在剛性復 合材料，本文擬借鑒現(xiàn)有的界面粘合理論，對雙軸向經(jīng)編柔性復合材料界 面進行研究，并主要采用等離予方法來改善粘合性能，針對課題研究中的 貼合產(chǎn)品進行了一些試探性試驗，希望也可以引用到其他的加工方式( 涂 層和壓延產(chǎn)品) ，從而對生產(chǎn)起到一定的借鑒作用。 1 3 2 課題內(nèi)容 本文首先進行經(jīng)編雙軸向復合材料的研制，方面從基布組織結構、 密度、加工工藝等方面深入研究柔性復合材料的撕裂性能，以進一步完善 力學性能方面的研究；另一方面對界面粘結狀況進行初步研究，粘結性能 好壞宏觀地體現(xiàn)在剝離強度的大小，本文中也將主要根據(jù)剝離實驗來進行 這方面的研究。另外采用等離子方法對基布進行放電處理，使其表面改性， 增強其與基質( 即為聚氯乙烯薄膜) 的粘合性能，同時也考慮了等離子處 理對基布強力的影響。具體內(nèi)容包含以下幾個方面： 1 經(jīng)編雙軸向柔性復合材料的制取 其中主要探討熱熔層壓法中溫度、時間、壓力三個主要參數(shù)的影響， 并確定較為合理的工藝參數(shù)，制取后面試驗所需的樣品。 2 經(jīng)編雙軸向柔性復合材料的撕裂性能測試研究 分析基材及復合材料的撕裂過程，比較兩者的差異，并主要從基布組 織結構、密度、加工工藝等方面總結出其影響規(guī)律。 3 經(jīng)編雙軸向柔性復合材料的界面粘結性能研究 第一章緒論 借鑒現(xiàn)有界面粘合理論，介紹并研究經(jīng)編雙軸向柔性復合材料的界面 粘結狀況( 包括涂層和貼合產(chǎn)品) ，從織物密度、加工工藝方面對所制取樣 品進行分析。 4 復合材料撕裂強度和剝離強度關系探討 5 改善經(jīng)編雙軸向柔性復合材料界面粘合性能的方法探討 主要采用等離子處理的方法進行嘗試性的實驗，期望可以對實際生產(chǎn)起 到拋磚引玉的作用。 6 第二章經(jīng)編雙軸向柔性復合材料生產(chǎn)工藝 第二章經(jīng)編雙軸向柔- | 生復合材料生產(chǎn)工藝 本章主要介紹經(jīng)編雙軸向柔性復合材料的一般生產(chǎn)過程，包括原料選 擇，基布織造以及復合加工方法，比較了機織物與經(jīng)編雙軸向織物生產(chǎn)的 一些差異：另外主要探討了實驗室加工工藝，并根據(jù)所確定的工藝進行了 后面實驗所需樣品的制取。 2 1 原料的選擇與性能 經(jīng)編雙軸向柔性復合材料主要由兩部分組成，一是增強基布，一是基 質。增強基布作為承載負荷的主體決定著復合材料的力學性能，為保證基 布具有較高的強度，其材質的選擇是一個關鍵的問題。目前廣泛采用的原 料主要有以下幾種： 1 聚酯長絲( 滌綸) 聚酯( 滌綸p e t ) 由乙二醇和對苯二甲酸合成，其具有強度高、拉伸性 能好、耐熱性好、耐溶劑、耐腐蝕、耐磨、吸濕性低以及價格適宜等優(yōu)點， i r a 是目前柔性復合材料基布使用最為廣泛的原料。一般采用的都是高強低 縮的工業(yè)長絲，單絲強度要大于5 3 c n t e x ， 1 5 1 可根據(jù)產(chǎn)品使用要求不同來 選擇不同強度的原料。 2 玻璃纖維 玻璃是一種非晶體，沒有固定的熔點。將玻璃加熱熔融并拉成絲，即成 玻璃纖維。玻璃纖維拉伸強度高，超過一般的合成纖維和鋼材的強度，但 它的彈性模量比較低，只有鋼的1 3 ，屬于脆性材料；具有良好的耐熱性， 一般在3 0 0 。c 以下可保持性能不變；具有良好的電絕緣性。t 1 4 目前主要用 做永久性膜結構材料的基布原料。 除了以上兩種纖維，尼龍也用于膜結構，它比滌綸耐用，但成本較高， 延伸性大，易變形，因此使用較少】。聚四氟乙烯纖維、芳族聚酰胺纖維、 碳纖維等雖有優(yōu)異的性能，但大量應用價格過于昂貴，因此除特殊用途外， 一般較少應用。在國外，大多數(shù)工業(yè)用織物都采用長絲而較少采用短纖紗， 第二章經(jīng)編雙軸向柔性復合材料生產(chǎn)工藝 這是因為長絲本身強度和伸長性能好【1 2 】。如果采用短纖紗則捻度選擇要適 當，使之能承受較高的拉伸負荷并防止纖維間滑移造成的紗線過早斷裂。 捻度較小時，長絲在織造中會變扁，使覆蓋率增高，適用于疏水性材料。 使用小直徑的單絲可以大大提高單絲與單絲的交叉密度，同時剪切力、楊 氏模量以及重量都有顯著提耐17 1 。 在復合材料中基體也起到相當大的作用，它將基布固定，保持紗線間 的相對位置，并免受化學腐蝕和機械損傷，減少環(huán)境的不利影響，主要決 定復合材料的物理性能，如耐熱，耐氣候性，抗老化等性能。尤其是對于 雙軸向經(jīng)編織物來說，其織物本身穩(wěn)定性較差，經(jīng)過與基體材料復合后才 能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)良性能。目前使用的主要基體材料有： 1 聚氯乙烯( p v c ) 1 8 - 2 2 1 聚氯乙烯( p o l y v i n y lc h l o r i d e ) 是由氯乙烯單體聚合而成的熱塑性高聚 物。具有阻燃性、自熄性、耐化學腐蝕性、電絕緣性等特點，而且p v c 涂 料價格較為低廉，使用范圍最為廣泛。由于其聚合鏈上間隔地含有氯原子 以及側鏈而使分子不對稱，氯原子帶有負電荷而使電子分布不均勻，產(chǎn)生 偶極，不能結晶，沒有固定的熔點，而有一個較寬的從熱彈性過渡到熱塑 性狀態(tài)的溫度范圍即流動溫度范圍，通常為1 6 0 c 一1 8 0 c 。p v c 織物涂層用 樹脂在加工前必須加入適當?shù)闹鷦饕ㄔ鏊軇?，熱穩(wěn)定劑等。 ( 1 ) 增塑劑：它是一種低分子化合物或聚合物，通常是液態(tài)親水性物質，其 作用在于改善分子鏈間吸引力，從而提高聚合物的柔軟性、柔韌性和彈性， 使它們更易于加工處理，并且使流動溫度范圍降低至1 3 0 1 2 - 1 7 0 。p v c 常 用的增塑劑是液態(tài)高沸點難揮發(fā)的酯類；有鄰本二甲酸二辛酯( d o p ) ，癸二 酸二辛酯( d o s ) 等。 ( 2 ) 穩(wěn)定劑：p v c 的穩(wěn)定性較低，在1 6 0 一2 0 0 溫度下會發(fā)生一定的降解。 穩(wěn)定劑的作用就是通過取代不穩(wěn)定c l 原子，中和h c l 等方式抑制p v c 的降 解。而其本身應具有耐熱、耐光、耐化學性無毒并與p v c 相容性好等特 點。一般使用較多的有脂肪酸的鉛鹽或金屬脂肪酸鹽( 鋇、鎘、鋅、鈣等) 。 除了以上兩種主要助劑之外，還需要適當加入粘合促進劑、填料、著色 劑等其他助劑。由于增塑劑大都為低分子物質，在使用過程中易揮發(fā)遷移， 第二章經(jīng)編雙軸向柔性復臺材料生產(chǎn)工藝 涂層易失效，表面也易污染，使用年限較低，一般在5 年左右。 2 聚四氟乙烯( p t f e ) p t f e ( p o l y t e t r a f l u o r o e t h y l e n e ) 樹脂最大的特點就是耐久性、防火性與 防污性高。在耐久性方面，p t f e 對酸、堿等化學物質及紫外線非常穩(wěn)定， 不易老化。由于聚四氟乙烯樹脂薄膜表面能低，不易污染，自清潔性能佳。 在防火性方面，p t f e 膜符合所有國家的防火材料試驗。由于p t f e 加工時需 要采用類似粉末冶金那種冷壓與燒結相結合的方法，u 4 1 其燒結溫度高達4 0 0 ，一般不能與聚酯材料復合，大都采用與玻璃纖維織物復合， m 】復合而 成的膜結構材料具有強度高，耐燃，自潔性能好的特點，使用壽命最長可 達3 0 - 4 0 年。 2 3 1 由于價格比較高，一般用于一些大型永久性膜結構的制作。 3 硅酮樹脂 硅樹脂耐久性、耐侯性佳，在很大溫度范圍內(nèi)能保證很好的柔韌性和高 彈性，因此可以和玻璃纖維復合改善纖維的柔韌性，允許纖維在其體內(nèi)少 量移動，受力時可以傳播到更大范圍內(nèi)的膜表面，降低了撕裂的可能性。【卅 因此這種樹脂對于改善撕裂性能具有一定作用， 2 5 】不過其成本較高。 4 聚氟乙烯( p v f ) ，聚偏氟乙烯( p v d f ) 【2 q 由于p v c 膜材自潔性差，為提高使用年限，可以在p v c 膜材表面貼合 p v f 或p v d f 薄膜，經(jīng)過處理后復合材料熱反射可達7 0 ，傳熱1 3 ，透光率 3 0 ，自潔性好，使用年限增加至7 一1 0 年。 除此之外，聚氨酯、聚丙烯酸酯、天然橡膠、合成橡膠等材料宜可作 為基質。 目前市場上用于篷蓋材料及膜結構的主導產(chǎn)品是聚酯織物基材+ 聚氯 乙烯涂層或薄膜，玻纖織物+ 聚四氟乙烯，前者用量較大，使用范圍也比較 廣泛，一般篷蓋類產(chǎn)品大都采用此種結構，后者具有高強度，隔熱性佳， 防火、耐污自潔性佳，主要用于大型的永久性膜結構，價格也較為昂貴， 大約為5 0 美元m 2 。在實際生產(chǎn)過程中，我們需要根據(jù)實際要求來選取合 適的基材和基質。 第二章經(jīng)編取軸向柔性復合材料生產(chǎn)工藝 2 2 基布的織造與設備 在柔性復合材料領域內(nèi)，基布起到了承載外力的骨架作用，因此基布 的結構性能直接影響到復合產(chǎn)品的質量。目前，國內(nèi)外篷蓋類增強骨架織 物所采用的織造方法主要有機織工藝及針織工藝兩種。機織物由于織物結 構穩(wěn)定、織造技術相對成熟，在市場中還占據(jù)著相當大的份額。針織物主 要是經(jīng)編雙軸向和多軸向織物。 在經(jīng)編雙軸向織物的編織過程中，由于采用全福襯緯機構及襯經(jīng)裝置 ( 多軸向經(jīng)編機還有可調角度的斜向襯紗裝置) ，使經(jīng)編織物中多層紗線平 直排列在一起，不存在上下交錯互壓的現(xiàn)象，并有地組織紗線將它們在交 點處捆綁在一起。這種組織結構的特點是紗線組平行排列，取向度很高， 紗線的性能得到充分利用，織物的抗拉強力及彈性模量較高，再加上其生 產(chǎn)速度高。【8 】因此經(jīng)編基布作為增強材料具有很大優(yōu)勢。此外，在強度要 求不是很高的情況下，為提高剝離強度，基布可采用網(wǎng)狀織物，而采用雙 軸向經(jīng)編，有利于使網(wǎng)狀結構交叉點的位置相對穩(wěn)定。1 1 2 2 7 1 在實際運用領 域中，雙軸向基布應用日益廣泛，并取得了良好的經(jīng)濟效益，但是多軸向 柔性產(chǎn)品還比較少見。 目前經(jīng)編雙軸向織物生產(chǎn)設備的典型機型有德國卡爾邁耶公司的 r s 3 m s u 和利巴公司的c o p c e n t r a h s 2 s t 經(jīng)編機，這兩種機型克服了傳統(tǒng)經(jīng) 編織物的缺點，利用全幅多頭襯緯裝置，將緯紗在機后筒子架中同時多根 引出，每橫列逐根將平行的緯紗推入織針針背的交織點，這樣可以使經(jīng)編 機的襯緯速率高達3 0 0 0 m m i n 。 2 8 1 下面舉c o p e e n t r ah s 2 s t 經(jīng)編機為例， 如圖卜1 ，這是一種通用型的經(jīng)編機，可以生產(chǎn)特里科織物和拉舍爾織物。 該機器的各組件的可替換性強，在該機器的基礎上，可改造成6 種機型， 因而該機器能生產(chǎn)多種種類和規(guī)格的單軸向、雙軸向產(chǎn)業(yè)用布以及與無紡 布結合在一起的復合土工布。 】o 第二章經(jīng)編雙軸向柔性復合材料生產(chǎn)工藝 圖卜1l i b ac o p c e n t r a h s 2 一s t 經(jīng)編機 該機器的機號( o f 數(shù)英寸) 從e 6 到e 2 4 ，沒有襯經(jīng)紗時可達到e 2 8 。 該機器的編織寬度分為多個檔次，有9 3 ”、1 3 0 ”、1 6 0 ”、1 8 2 ”、2 1 3 ”和2 4 5 ”。 在每個檔次內(nèi)，其編織寬度都可以無級調節(jié)。 該機器的成圈機件的組成和配置如圖1 2 示，從圖上可以看出，襯經(jīng) 紗在編織前后呈一條直線，這樣可以給襯經(jīng)紗施加較大的張力，使織物張 力均勻。該機器對導紗機構進行了重新設計，使襯經(jīng)紗在編織時沒有損傷。 推緯片的作用是使襯緯紗精確地襯入到成圈的紗線內(nèi)。以上幾處都有利于 提高織物的質量。 該機器的襯緯系統(tǒng)位于機器的后部，襯緯裝置最多能同時握持3 0 根緯 紗；它的緯紗傳送裝置由一個計算機控制的高速伺服馬達控制( e m s ) 。同 樣將緯紗襯入傳輸鉤的耙狀裝置也是由一個伺服馬達控制。襯緯紗通過襯 緯系統(tǒng)襯入傳輸鉤，受緯紗握持系統(tǒng)控制，緯紗握持系統(tǒng)再將襯入的緯紗 安全穩(wěn)定、張力均勻地送入成圈系統(tǒng)。 圖卜2 成圈機件的組成和相對位置 第二章經(jīng)編雙軸向柔性復合材料生產(chǎn)工藝 2 3 復合加工方法及設備 對于以織物為增強材料，以聚氯乙烯等樹脂為基體的柔性復合材料，通 常有以下一些加工方法：1 ) 涂層法；2 ) 熱熔層壓法。采用何種方法進行 復合，需要根據(jù)基材組織、產(chǎn)品用途、要求等來確定。 ( 1 ) 涂層法 2 9 , 3 3 】 涂層法是在織物表面均勻地涂覆一層或多層高聚物質，它既能賦予織 物的各種性能，又能賦予織物獨特的風格手感和外觀。 涂層法可分為直接和間接兩種。直接涂覆是把聚氯乙烯塑性溶膠直接 涂于布基上，熔融、塑化，經(jīng)軋花、冷卻得到成品。間接涂覆是將溶膠用 刮刀或逆輥涂覆的方法涂到一個循環(huán)運轉的載體上，通過預熱烘箱而使其 在半凝膠狀態(tài)下與布基貼合，再使其進入主烘箱塑化，隨后將它冷卻并從 載體上剝下，再經(jīng)軋花，表面涂飾處理即可成為成品。涂層法主要有：( 1 ) 刮刀涂層法，就是使用各種刮刀在基布表面涂上涂料，設備簡單，但涂層 厚薄及均勻性難以控制；( 2 ) 輥涂法，其類似于經(jīng)紗上漿，基布與附著有涂 料的回轉輥接觸，從而達到涂層目的。 直接法與間接法相比，工藝流程簡單，設備投資小，生產(chǎn)效率高，但 產(chǎn)品表觀質量不高，不宜采用強度低、易變形的布基，一般要采用密度較 大的機織物。 目前常用的涂層機主要有臥式和立式兩種。德國的c o a t e m a 公司 3 0 - 3 1 】 以立式涂層機和s l o t c o a t e r 涂層機這兩種設備向市場推出兩種新型的涂層 和干燥工藝。采用這種立式涂層機，可以對紡織品進行涂層和浸軋加工， 不必像一般涂層設備那樣，在涂布之后未經(jīng)干燥就帶著漿料再次與轉向輥 接觸，從而也避免了對涂層表面的傷害。此外，立式涂層機占據(jù)空間小， 涂層表面比較光滑。在s l o t c o a t e r 涂層機上對基布進行涂層，可以在整個 基布寬度上涂以非常均勻，而且非常薄的一層涂膜。這對于在薄膜、紙張 上實施粘結涂層非常重要，因為這樣的粘結膜對紡織品的性能無不利的影 響，亦不會引起其性能的改變。 ( 2 ) 熱熔層壓法 熱熔層壓法是采用熱熔粘合劑，利用其在受熱時自身熔融，與織物或 1 2 第二章經(jīng)編雙軸向柔性復合材料的生產(chǎn)工藝 其他材料發(fā)生粘合作用，冷卻后固結在一起的一種復合方法。【3 2 利用樹脂的熱塑性將已制成的薄膜與織物疊放在一起，通過加熱、加 壓，可使兩者粘附固結在一起，此時聚氯乙烯薄膜起到粘合劑和層壓組分 的雙重作用。 熱熔層壓法也有兩種途徑：一種是將選定樹脂塑煉后投入裝有織物喂 入裝置的壓延機上，按所需厚度、寬度壓延成膜，立即與經(jīng)過預熱的基布 貼合，再經(jīng)軋花、冷卻即得到壓延產(chǎn)品，此法簡稱為壓延法。另一種是將 已生產(chǎn)出的薄膜與織物( 織物上也可預涂覆增塑糊粘合劑) 一起放入層合機 中進行熱燕復合，簡稱為貼合法。e w l 這_ 兩種方法對織物要求都不高，織物 密度不論大小都可采用此種加工方式。 總體看來，涂層產(chǎn)品性能優(yōu)于層壓產(chǎn)品，但所需設備要求較高，相應成 本也較高，在一般應用場合，層壓產(chǎn)品較經(jīng)濟，它具有較好的撕裂強力， 但是在受反復彎曲和強大風力的作用下容易發(fā)生分層現(xiàn)象，這也是需要在 產(chǎn)品設計時需要改善的一點。 2 4 經(jīng)編雙軸向柔性復合材料的實驗室制取 本節(jié)主要介紹經(jīng)編雙軸向柔性復合材料實驗室制取過程，一方面確定 加工工藝，另一方面為后續(xù)實驗制取所需樣品。 2 4 1 原料及其性能 鑒于滌綸材料是目前使用最為廣泛的基布材料，我們在研制過程中也 選取了滌綸經(jīng)編雙軸向織物作為復合材料的基布，由溫州東方經(jīng)編有限公 司提供。有以下三種規(guī)格織物，具體原料規(guī)格性能如表2 一l 。 表2 - 1 滌綸基布規(guī)格和紗線性能參數(shù) 襯經(jīng)襯緯紗捆綁紗基布基布 編 機 纖度強力 伸長 纖度強力伸長 厚度克重 號 號( d t e x )( n ) 率( ) ( d t e x )( n ) 率( ) ( f i l m ) ( g m 2 ) 1 #1 85 5 5 63 2 9 31 9 4 47 5 62 4 02 1 5 20 4 01 0 9 6 2 2 #1 85 5 5 ，6 3 2 。9 31 9 。4 47 5 62 4 02 1 5 2o _ 3 11 2 0 2 4 3 #1 81 1 1 1 17 5 9 41 4 5 81 5 07 - 3 12 2 2 80 6 31 6 8 2 6 表2 - 1 中l(wèi) 捍織物與2 群織物的區(qū)別在于襯經(jīng)紗襯入充式不同，地組織都為經(jīng) 平組織( l 1 梳櫛) ，其中1 撐織物是單針距襯入方式，2 拌織物則是零針距襯 第二章經(jīng)編雙軸向柔性復合材料的生產(chǎn)工藝 入，下面圖2 - 1 是其相應的鏈塊排列和墊紗運動圖： 1 # 組織： l 1 ：1 _ 0 ，1 2 l 1 ： l 2 ：1 i 0 - 0 l 2 ： 圖2 - 11 # 和2 # l 2 墊紗運動圖( 襯經(jīng)差異) l 井z #3 并 圖2 - 23 種基布織物照片 基質同樣也是選用使用比較普遍的聚氯乙烯( p v c ) 薄膜，其性能與配方有 很大關系，包括增塑劑、穩(wěn)定劑等。由于我們所使用的薄膜具體配方尚無 資料，因此關于配方