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摘要 p v c 压延类柔性复合材料的疲劳性能研究 摘要 近年来，压延类柔性复合材料作为一种新型的复合材料在篷 盖类材料、广告灯箱布、土工布、膜结构材料等领域得到应用广 泛，并且有着良好的发展前景。这些材料在实际的使用过程中，长 期受到各种外力的反复作用，会出现疲劳损伤和破坏现象，造成 材料的机械性能的劣化，从而影响到其使用过程和使用寿命。目 前压延类柔性复合材料的增强结构以机织物和经编双轴向织物为 主，本文主要研究以机织物为基布，经压延复合工艺得到的柔性复 合材料的疲劳性能。 本课题在研究过程中，采用了机织平纹和方平两大类织物五 种试样，这五种试样材料相同，都是以涤纶织物做基布与p v c 膜 压延复合而成。本文除了测试各个试样的单位面积质量、密度、 厚度等参数指标外，主要对它们的拉伸断裂性能、疲劳性能进行 测试，并对试验数据进行必要的比较和分析，且通过模型拟合进 一步揭示材料的疲劳性能规律。 首先，测试五种试验材料的基本物理性能指标，然后进行拉 伸性能测试，对试验数据进行分析与比较，基于相关拉伸断裂理 论对材料的拉伸断裂机理和断裂过程进行分析，并分析影响材料 经纬向拉伸性能差异的原因；把拉伸试验数据和分析结果作为制 定后续疲劳试验方法的的参考数据。 然后，根据拉伸性能测试数据，参照其他材料的疲劳测试标 准，确定本文疲劳试验的测试方法，对样品进行拉拉疲劳性能测 试，包括定载荷疲劳破坏试验，定伸长的疲劳损伤试以及疲劳处 摘要 理后的剥离性能测试。根据试验数据绘制疲劳曲线，基于相关疲 劳理论对曲线进行拟合，井在其基础上预测材料的疲劳使用寿命。 测试定载荷和定伸长试验后材料的拉伸机械性能的变化，总结规 律。对经材料定伸长疲劳处理的试样进行剥离性能测试，从拉伸 次数、伸长率、织物结构和密度方面，分析影响剥离性能的因素。 通过本课题的研究，在前人基础上，综合分析了材料的拉伸 断裂机理和影响因素，进一步确定了研究柔性复合材料疲劳性能 的基本理论和试验方法，并比较了不同方法对最终试验结果的影 响。疲劳试验验证了柔性复合材料的疲劳曲线遵循s n 曲线理论， 并可以根据这一曲线对材料的寿命进行预测。在定载荷和定伸长 的疲劳试验中，分析了材料机械性能的劣化。在剥离试验中，对 材料疲劳前后的剥离性能进行分析对比，得出疲劳对材料剥离性 能的影响。 最后，本文指出了本课题中的一些不足之处，为今后的进一 步研究提出了一些建议，希望今后在此方向有更大突破。 关键词：机织物增强材料，压延类柔性复合材料，粘弹性， 机械性能，疲劳性能，模型拟合，剥离性能 a b s t r a c t s t u d yo nt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ft h ep v c c a l e n d e r e df l e x i b l ec o 田o s i t e s a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，p v cc a l e n d a r e d c o m p o s i t e sh a v e b e e n 一一一 1 1 一 w i d e l y u s e di n t e n t i n g ， a d v e r t i s i n gb a n n e r , g e o t e x t i l ef i e l d ， l i g h t w e i g h ts t r u c t u r e sa n ds oo n a sn e w l ya r i s i n gm a t e r i a l s ，i th a s g r e a tp o t e n t i a li 1 1t h ef u t u r em a r k e t s w h e nf l e x i b l ec o m p o s i t e sa r e u s e di na v a i l a b l ec i r c u m s t a n c e s ，i tw 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 f o r c e st i m ea f t e rt i m e m sw i l lb r i n gf a t i g u ee f f e c t ，w h i c hw i l ld o h a r mt ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n di t ss e r v i c el i f e s ot h es t u d yo n i t sp r o p e r t i e si sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i nt h ep r e s e n tm a r k e t s ，t h e r e i n f o r c e dp a r t so ff l e x i b l ec o m p o s i t e sa r em a i n l yw o v e nf a b r i ca n d w a r p k n i t t i n gb i a x i a lf a b r i c i nt h i st h e s i s ，w em a i n l ys t u d yo i lt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c e so f t h ec a l e n d a r e df l e x i b l ec o m p o s i t e sr e i n f o r e e dw i t hw e a v i n gf a b r i c s f i v es a m p l e sw e r es e l e c t e dw h i c hw e r eo fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n d d i f f e r e n ty a mc o u n tw h i l eu s i n gt h es a m ep e tf i l a m e n ty a r na n dt h e s a m ep v ca st h er a wm a t e r i a l b e s i d e st h et e s t so ft h ew e i g h tp e r s q u a r em e t e r , t h ey a mc o u n ta n dt h et h i c k n e s so ft h es a m p l e s ，t h et e s t s f o rm et e n s i l eb r e a kp r o p e r t ya n dt h ef a t i g u ep r o p e r t yw e r ea st h e m a i nw o r k b a s e do nt h e d a t u m , c o m p a r i s o na n da n a l y s i sa r e n e c e s s a r yt oc o m eo u tw i t ht h ec o n c l u s i o n s r e f e r r i n g t os t a n d a r dt e s tm e t h o d sf o ro t h e r c o m p o s i t e s m a t e r i a l sa n dt h ed a t u mo ft h ea b o v e t e n s i l eb r e a kt e s t s ， t e n s i o n t e n s i o nf a t i g u et e s tp l a n sa r el a yo u ta n do b s e r v e d a f t e rt h et e s t i n g ，t h ed r a w i n go ft h e c o r r e s p o n d i n gc u r v e sh e l p e d t ob u i l dt h em e c h a n i c sm o d e l sf o rs i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h es e r v i c el i f eo ft h em a t e r i a l sc a nb ef o r e c a s t t h e t e s t i n g r e s u l t so ft h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e sa f t e rt h ef a t i g u e e x p e r i m e n t sw e r eu s e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c ed e c l i n e b a s e do n t h e s ef a t i g u et e s t s ，p e e l i n gt e s t sa r ec a r r i e do u t c o r r e l a t i v ef a c t o r so f f a t i g u ep e r f o r m a n c e s ，s u c h a s t e n s i l e t i m e s ，e l o n g a t i o nr a t i o s ， s t m c t u l ea n dy a mc o u n t ，r ea n a l y z e da n de v a l u a t et h ep e e l i n g p e r f o r m a n c e sd e c l i n e t h r o u g ht h e t e n s i l ea n d f a t i g u er e s e a r c h ，t e n s i l e b r e a k m e c h a n i s ma n di t sf a c t o r so ft h e s em a t e r i a l sa r eo b t a i n e dw h i c hh e l p t o l a yo u t r e a s o n a b l e e x p e r i m e n t a lp l a n s f a t i g u ee x p e r i m e n t s v a l i d a t e dt h a tt h ef a t i g u ec a r v eo ff l e x i b l ec o m p o s i t e sf o l l o w st h es - n t h e o r ya n dt h u st h e r e p e t i t i o nt i m e so ff a t i g u el o a db e f o r et h em a t e r i a l w a st o r ec a nb ef o r e c a s t e d a l s o t h r o u g ht h ef a t i g u et e s t s ，t h e c o n c l u s i o nw o u l dc o m eo u tt h a tt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so f f l e x i b l ec o m p o s i t e sw o u l dd e c l i n ei fr e p e a t e do u t s i d ef o r c e sa r ea c t e d o ni t t h ec o n c l u s i o n sh a v eb e e ng o ta n dt h ew o r kh a sb e e nd o n ei nt h e t h e s i sw i l ld oag r e a th e l pt ou n d e r s t a n dt h ep r o p e r t i e so ft h ew o v e n f 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 n ，t h e ya l s oc o n t r i b u t e ac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e i nt h i st h e s i s ，h o w e v e rt h e r ea r es t i l ls o m es h o r t a g e st ob e i m p r o v e di nt h ef u t u r e a tt h ee n do ft h ep a p e r , as u m u pw a sm a d e a n df u t u r ed e v e l o p m e n tf o rt h ef l e x i b l ec o m p o s i t e sw a sf o r e c a s t e d c u is h a o x i a ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yc h e nn a n l i a n g a b s t ra c t k e yw o r d s ： w e a v i n gf a b r i cm i n f o r c e x im a t e r i a l ，c a l e n d a r e d f l e x i b l e c o m p o s i t e s ，v i s c o e l a s t i c i t y , m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e s ，p e e l i n g p e r f o r m a n c e s ，m o d e li m i t a t i n g 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：崔乡聂 9 期：吁i1 月叶日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密戤 学位论文作者签名：桫霞 日期：呻年m 叩 指导教师签名：f 旁南绞 日期：岬年，z 月邓日 第一章绪论 1 1 柔性复合材料简介 第一章绪论 复合材料作为一种新型材料，近几十年来获得了迅速发展， 特别是二十世纪以来，航天，航空电子汽车等高技术领域的迅速 发展，对材料的性能要求日益提高，单一的金属陶瓷高分子等工 程材料因难以满足迅速增长的性能需求。为了克服单一材料性能 上的局限性，人们越来越多地根据构件的性能要求和工况条件， 选择两种或两种以上化学物理性质不同的材料，按一定的方式比 例分布组合成复合材料，使其具有单一材料所无法到的特殊性能 【l 】 0 复合材料在微观上，是一种不均匀材料，具有明显的界面。 各种组分材料在界面上存在着力的相互作用，在性能上起协同作 用，从而得到单一材料无法比拟的优越性【2 】。它既可以保留组分 材料的主要优点，又可以克服或减少组分材料的许多缺点，其性 能主要决定于增强体、基体的性能以及二者的复合方式【3 1 。 复合材料家族种类繁多，仅从其外在物理性能表现上可以分 为两大类，一种是轻质高强，高模量的刚性复合材料，另一种是 轻质高强，低模量的柔性复合材料。柔性复合材料，是由作为增 强材料的纺织基布经涂层，压延等后整理工序，制成具有很高强 度、柔软、防水等功能的复合材料。它与热固性或热塑性聚合物 基体复合材料相比有较大的变形范围，有较高的承载能力和良好 的疲劳性能。这种材料在低应力作用时材料呈低刚度性能，而在 高应力作用时却有相当高的强度和刚度【4 】。 从柔性复合材料力学特性的观点出发，可把它分为两代产品： 第一代的柔性复合材料是为做膜结构材料而开发的，约有5 0 年的 历史，其特性为：强度、拉伸刚度、变形稍大，但抵抗弯曲和压 第一章绪论 缩的能力小而易变形。随着我国北京2 0 0 8 年奥运会与上海2 0 10 年世博会和广州2 0 10 亚运会的举办，许多的场馆都采用膜结构建 筑，膜结构建筑在中国得到迅速发展。许多展览场馆大型超市购 物中心大型娱乐场所大型铁路物资中转仓库大型码头物资中转仓 库大型加油站等的大跨度膜结构材料也需要p t f e 永久性建筑材 料 5 1 。第二代柔性复合材料是从19 9 0 年左右开始被重视的，其特 性为：抵抗拉伸、弯曲、压缩的能力小，变形大，实际应用才刚刚 开始，但应用领域也更为宽广，用途广泛，用量较大，前景十分 看好。 1 2 柔性复合材料的应用领域 1 2 1 蓬盖类应用 柔性复合材料在篷盖领域有越来越广泛的应用，它们作为建 筑物的附加设施多用于商贸和家居建筑及临街摊贩的遮阳避雨材 料。这些材料具有室内温度识别功能和装饰作用，并能够彻底阻 挡紫外线的辐射，降低或减少空调负荷。用晴纶织造的遮阳篷在 美国市场上约占5 0 ，涤纶p v c 涂层或层压织物用量也很多。这 类产品一般经涂层后再经过表面处理( 采用碳氮化合物、聚氨酯、 聚丙烯酸酯类树脂) ，以提高涂层产品的表面质量和产品的自我清 洁能力。 此外，还用作野外作业需要的帐篷材料，卡车运输过程中用来 遮盖货物挡雨的篷布等运输用织物。运输用柔性复合材料主要指 汽车篷布和集装箱用布，基布多采用高强涤纶或尼龙。织物用于 货车盖布或作为集装箱材料能减少阻力损失，从而能改进货车的 空气动力学性能，特别是对于开敞式装载的货车更为有效。汽车 篷盖布同时还可以防护货物免受气候影响，防止货物碎片飞扬。 在一些国家，某些重要货物的运输法律规定必须使用盖布。我国 政府的交通部门也已颁布法令禁止未经遮盖的卡车在高速公路上 2 第一章绪论 行驶，这对汽车篷布的发展带来契机。预计汽车篷布将是近几年 中我国柔性复合材料应用发展的最广阔市场之一。各种海运船用 产品也是运输用织物的一种，可发挥有关功能和装饰作用。如停 泊用的盖布、船的顶篷、遮蔽挡布等。 1 2 2 膜结构 膜结构是压延类柔性复合材料的一个重要应用领域，且极具 有上升空间。用柔性复合材料作软性屋顶，可以用两种支撑方法： 一种是用空气压力把柔性复合材料顶起来，整幢建筑物像个半球 形的馒头，称为充气结构；另一种是用刚性的框架，或者用钢索 系列将柔性复合材料撑起做成顶棚的样式，称为帐篷结构。充气 材料领域主要是充气屋顶、充气罩等，已有在游泳池、网球场、 小型体育馆和暂时性设施上应用。流动性野外作业的充气帐篷、 充气床垫；水上作业用的充气救生筏、救生艇、风帆；地面上的 大型充气玩具、充气广告造型，天空的热气球、翼伞、飞艇等。 帐篷结构多用于展览馆、大型超市购物中心、大型铁路物资中转 仓库、大型码头物资中转仓库、各省市的民航机场候机厅、大型 加油站等的大跨度膜结构工程。如英国伦敦的格林威治穹顶，慕 尼黑机场以及上海体育馆等。这一领域对于柔性复合材料的力学 性能和抗气候性能要求较高，主要材料以玻璃纤维基布和p t f e 涂层膜构成，价格非常昂贵。 1 2 3 广告灯箱布 照明有正照和背照，采用背照的标志牌我们称之为灯箱。广告 灯箱布，或称蓬体柔性等箱布，是国内近几年开发的高新技术， 它的优点是制成的灯箱色彩鲜艳、使用寿命长、运输方便、使用 安全。制作灯箱可以即时贴透明图片也可以电脑喷绘，文字线条 规整流畅，图画色彩美丽柔和，立体感强，虽然在2 0 世纪8 0 年 代末才进入我国，但现在已被大量采用。广告灯箱布多采用涤纶 第一章绪论 高强丝经过机织或经编织造，并用涂层、贴合或压延工艺进行复 合，具有高强、透光性好等特点。除了涤纶涂层织物以外，原液 染色腊纶等遮阳篷织物也可加上照明作为灯箱使用，但效果不如 前者好。目前，国内使用的柔性灯箱布多是舶来品，其中美国3 m 公司的产品质量较好，国内也有多家公司生产灯箱布，如北京某 公司采用高强涤纶长丝织成“双轴向 织物，双面聚氯乙烯等。 1 2 4 防渗土工布 防渗土工布即防止水渗漏的防水织物，可以做储水池的内衬 层，既防止储水不外泄，也防止外来渗水污染池内清水。家用游 泳池、活动的水坝等用途。防渗土工布比篷盖布的基布、耐水压 等要求要高些。它代替传统的防渗材料，成本低，建造速度快， 易于保证工程质量，是一种十分理想的材料【6 1 。 1 3 柔性复合材料的组成及结构特征 1 3 1 基质原料介绍 柔性复合材料常用涂层材料有聚氯乙烯( p v c ) 、聚四氟乙烯 ( p t f e ) 、聚氨酯( p u ) 、有机硅的热塑性树脂等。 ( 1 ) 聚氨酯( p u ) 涂料是近十几年来在织物的涂层上广泛应用的 一种涂料，主要用于制作雨衣、服装面料、轻型帐篷、箱包 等。国外盛行衣料的透湿、防水涂层的加工，主要采用聚氨 酯树脂【6 】。 ( 2 ) 聚四氟乙烯( p t f e ) 由于具有优良的耐气候性、耐化学性及 防水防污等性能，因此其织物不但外观雅致，而且性能十分 优异，做成的蓬帆布即使在条件恶劣的情况下也能使用2 0 年以上【7 1 。用来涂层的玻璃纤维织物经预张力后不再伸长， 在经过p t f e 涂层后适合用于膜结构等永久性建筑材料。 4 第一章绪论 ( 3 ) 硅酮是最近开发出的新型面层材料，其柔韧性、透光性、防 水性能好，而且在自洁性和可焊接性方面有了很大的提高， 有可能成为永久性膜材的优良面层材料【7 1 。 ( 4 ) 聚氯乙烯( p v c ) 是世界范围内用量最多的一种涂层材料。 p v c 涂层材料价格低廉、原料易得、有阻燃性，所制得的 涂层织物手感丰厚、富有弹性、可焊接，耐磨性和屏蔽性优 良【s 1 。 聚氯乙烯( p v c ) 具有优良的综合性能：在增塑剂含量高 时，它表现出高伸长率、柔软性、良好的手感和耐磨性；当 增塑剂含量减少时，它的柔性和伸长率都下降，而硬度、拉 伸强度和耐磨性增大；它无毒、耐气候、碱性好、绝缘性好， 易染成各种颜色，也可制成透明无色的制品，尤其是价格低 廉，使它成为许多涂层织物的首选涂层剂。 但由于聚氯乙烯( p v c ) 分子中含氯，当氯乙烯相邻处有 叔氯或烯丙基氯这类活性基团存在时，容易发生脱氯化氢反 应而使分子链逐步降解。释放出的氯化氢具有毒性、腐蚀性， 降解后的p v c 颜色变深，强度下降。 此外，聚氯乙烯( p v c ) 易渗入织物组织，涂敷量多，织 物易硬；涂层织物不耐干洗和溶剂、不透气、低温时僵硬。聚 氯乙烯( p v c ) 增塑糊中含有大量增塑剂，形成涂层后易挥发， 同时难溶的有机颜料也随之迁移到制品表面，沾污相邻材料。 因此，聚氯乙烯( p v c ) 涂层剂主要用于制作聚氯乙烯( p v c ) 人造革，继而生产箱包、鞋帽、雨衣以及地板革、汽车内装饰、 篷帐、篷盖布等 粥。 1 3 2 纺织结构增强体 1 3 2 1纺织物的原料选择 由于柔性复合材料对增强材料有较大的强度要求，因此作为 第一章绪论 增强材料的原料也有一定的强度、尺寸稳定性、耐候性、耐水性、 阻燃性、可织性等方面的要求。通常使用的原料是涤纶，也有少 部分棉和涤棉织物及尼龙、睛纶和玻璃纤维等产品。聚四氟乙烯 纤维、芳族聚酰胺纤维、碳纤维等虽有优异的性能，但大量应用 价格过于昂贵，因此除特殊用途外，一般较少应用。 涤纶工业长丝由于具备如下优良性能：强度高、耐磨性好、 撕裂强度高、粘合性能好、收缩率低、收缩均匀、毛丝少、防老 化性能好、抗芯效应好、抗静电性能好、耐化学性能好、蠕变小、 卷装成型好，可以广泛用于织造基布。以涤纶织物为基布，采用 p v c 涂层或p v c 膜贴合是美国和西欧产业用纺织品的大宗产品， 用途覆盖遮阳篷、帐篷、建筑用布、广告灯箱标志牌、商品及运 输盖布、集装箱材料、船用织物、农用盖布、充气织物、机器及 汽车罩布、箱包布、雨衣、衬垫安全服等诸多领域。 玻璃纤维织物经预张力后不再伸长，在经过聚四氟乙烯涂层 后适合用于永久性建筑。玻璃纤维能反射较高比例的日晒热量， 保持结构内部阴凉，且不会燃烧起烟。聚四氟乙烯( p t f e ) 纤维的 机织物兼有抵御环境损害的优点和耐弯曲折叠的长处，但这类结 构材料价格都较为昂贵。原液染色睛纶在遮阳篷中的应用占有较 大的比例( 甚至超过涤纶) ，因为睛纶具有耐光性能好、色泽鲜艳、 形状保持性好的特点。 1 3 2 2 纺织增强结构的组织选择 纺织结构增强体是材料强力的主要承载部分，一般用于柔性 复合材料的纺织增强结构为机织普通平纹组织、巴拿马组织和经 编织物。 ( 1 ) 机织平纹织物 由于机织物中经纬交叉时的相互挤压，经纬线在织物中必 处于弯曲状态。由于经纬线的弯曲，所以机织物结构的复合 材料有以下缺点g 6 第一章绪论 一承2 石迫缅一 图1 1 机织物经纬纱交织示意图【1 0 】 当织物承受外载时，经纬线必先由弯变直，然后才能充分承 载，因此，柔性复合材料变形大，强度低；由于经纬线的交叉及相互 挤压，交叉点处纤维密实，形成凸起，致使压延涂层的膜较薄， 较易损伤；密度较高的机织物，压延复合加工时可以在采用较高 张力，但是基布和粘结力之间的机械粘结力很小，必须用化学粘 结剂来补充。粘结剂的交联作用、加上织物的紧密结构，使纱线 被紧紧锁在位置上，不能“集束”，导致机织物增强的柔性复合材 料撕裂强度明显下降。 ( 2 ) 巴拿马织物 为了加强纱线“集束”作用，提高断裂强力利用率，引入了 巴拿马组织。巴拿马组织即方平组织，也是机织物的一种。 其织物结构示意图见图1 2 f 1 0 1 。 气承芗岙g 磊一 图1 2 巴拿马织物经纬纱交织示意图【1 0 】 如图1 2 所示，巴拿马织物经纬向纱线弯曲的频率要比普通 平纹机织物低一倍。当织物受到外力作用时，两正交系统纱 线间的剪切力总和也减少了一半。损失强力的减少使单纱的 拉伸强度要比机织物有明显提高。但经纬纱仍然会存在屈曲 状态：一方面，在织机上织造时，经纬纱都受到一定程度的 张力和牵伸，下机后，张力消除，屈曲自然产生；另一方面， 在织造和复合加工时，经向受张力较大，和经过梳理后纱线 屈曲降低，而纬纱方向受力较少，纱线较松弛，屈曲较大，这种 外观形态上的差异也会使材料经纬向的力学性能表现出很大 的差异。 ( 3 ) 经编衬纬双轴向织物 7 第幸绪论 经编衬纬双轴向织物，经纬纱线以平行伸直、无卷曲的 状态分别在水平和垂直方向引入l ! i 物结构中，经纬向的 纱线彼此没有互相交织。呵是被绑定纱束缚在一起，使 织物具有较高的抗撕裂传递性和良好的舒适性。其结构 见图1 3 、幽1 4 1 1 ”。其经纬纱线排布示意图见围1 5 1 。 罔1 3 经编衬经衬纬双轴向织物 t 艺正面照片 刚i4 经编村经衬纬双轴向织物 上艺反面照片 幽1 5 经编衬经衬纬_ 双轴向纵物经纬纱线排布不意图 如图l 一5 所示，经编衬纬双轴向纵物中绎纬线不交叉无弯曲， 始终保持各自的平直状态。凼此，经编结构的柔性复合材料和传 统的机织物结构的秉性复合材料相比，具有以f 优点【”“5j ： ( i ) 在编织过程中强力损耗小，纤维潜藏的扰张强力、起始模量、 断裂伸长、断裂功得到充分的利用。复合材料制品要达到同 样的强度就可以减少织物和涂层树脂的用量，减轻制品重量； 纤维在织物巾平直无用曲，其自较好的机械性能，可以提高 复合材料增强率的作用。 f 2 ) 纱线集束好，有较好的层问性能；基布的结构是疏松的，多 孔的，或者说基布的覆盖凼素比较低，能得到非常高的粘结 水平，即剥离强度很高，压延复合时可以在歼空处形成粘结 点。 缺点是i 在加工过程巾，施加张力就容易发生织物的弯曲、 讴斜，这足它的最大缺点。目前绎编衬纬般轴向基布的南度 较为稀疏，可以替代机纵复合材料存列强力要求和凡寸稳定 第一章绪论 性不高的领域应用，但是对于高强力的应用领域，需要增加 织物密度，增加耗纱量来实现，多采用巴拿马组织。 1 3 3 基布织造工艺 产业用纺织品主要的纺织工艺主要是机织、非织造和经编， 它们分担着不同的发展领域，目前，国内外生产柔性复合材料增 强骨架织物所采用的织造方法主要有机织工艺及针织双轴向经编 工艺两种，其中机织布是这种复合材料的传统用布。针织基布主 要是双轴向经编织物，其潜力利用率高，收缩率小，与涂层结合 好，撕裂强力高，而且生产速度比机织高得多【1 6 】。此外，在强度 要求不是很高的情况下，为提高剥离强度，基布可采用网状织物，而采 用双轴向经编，有利于使网状结构交叉点的位置相对稳定【1 7 】。 传统的机织物增强骨架是将单根各自独立的经纬线构成一个 整体的片状织物，靠经纬纱线自身的相互交织来完成，由于经纬 交叉时的相互挤压，经纬纱线在织物中处于弯曲状态( 见图1 1 ) ， 在外力尚未施加在纱线上时，就有了微量的伸长，纱线的强力利 用率低。如果织物的密度增加，纱线的卷曲随织物中纱线的角度 变化而增加，纱线强力的利用率将更低【l8 1 。双轴向经编织物是在 织物的经纬两个方向同时衬入高性能的纱线，夹在线圈的圈柱和 延展线之间。织物中经纬线不交叉无弯曲( 无褶皱) ，始终保持各自 的平直状态( 见图1 3 ) 。经纬纱线的相对位置，不是靠经纬纱线自 身的相互交叉和挤压来固定，而是经向用起缝纫作用的延展线， 沿经纬平面的垂直方向反复穿透来固定，形成稳定的整体。 用于篷盖类柔性复合材料增强骨架的机织物组织多为平纹组织 和方平组织，而双轴向经编织物的地组织可采用单梳或多梳进行 编织。生产中最常用的是经平组织和编链组织【l9 1 。 1 3 4 复合和后整理工艺 复合工艺是柔性复合材料加工过程中很重要的环节。复合后 9 第一章绪论 整理工艺能够克服经纬纱易滑移的现象，使产品的结构稳定，有 利于实际应用；涂层剂或贴合膜能使纱线中纤维的抱合力加强， 提高织物强度。同时纱线表面得到一定程度的保护，使产品在存 储、应用时的损伤减少；增加产品的耐腐蚀等性能【20 1 。织物的复 合后整理方法主要有涂层、浸渍、层压、粘合、轧光等【1 8 】。柔性 复合材料的涂覆后整理工序主要通过以下几种方法实现：涂层、 压延、贴合( 熔融) 。 1 3 4 1 涂层工艺 织物涂层，是在织物( 或非织造布) 上覆盖一层高分子物质 或其他材料，形成织物和高分子物质的复合物。这种材料不仅可 以保持织物原有的物理机械性能，且能赋予织物特殊的表观性能， 如抗老化性能、透光性能、防污性能等，可以很大程度上提高产 品的附加值。所以，当今国际市场涂层产品层出不穷，用途越来 越广，产量逐年上升。据估计，国际上涂层纺织产品己占纺织总 量的2 5 以上 2 1 】。 产业用针织物的几种涂层方法 2 0 1 包括：上浆法、圆网印花法、 铺浆方法、罗拉熔融法、浸渍涂层法、采用逆辊涂层机法【l8 1 。涂 层即将塑料或合成橡胶涂于织物上，使织物强度增加，具有防水 功能，并使基布免受阳光气候的侵袭而降解。通常用于涂层的聚 合物是天然橡胶、丁苯橡胶、丁睛橡胶、丁基橡胶、海普隆( 氯磺 化聚乙烯) 、聚氯乙烯( p v c ) ，聚偏氯乙烯( p v d c ) ，聚四氟乙烯 ( p t f e ) ，聚氨醋( p u ) ，硅橡胶、聚氟乙烯( p v f ) ，聚偏二氟乙烯 ( p v d f ) 和氟橡胶或阻燃有机硅涂层材料等。最常用的是直接使用 p v c 涂层，需要严格控制工艺参数，如烘燥的温度【2 1 1 。p v c 织物 涂层用树脂在加工前必须加入适当的添加剂，如增塑剂、稳定剂、 粘合促进剂、填料、着色剂和其他助剂。增塑剂的作用在于提高 聚合物的柔软性、柔韧性和弹性，使它们更易于加工处理，通常 是液态亲水性物质。稳定剂本身应具有耐热、耐光、耐化学性， 无毒并与p v c 相容性好等特点；粘合促进剂是一种化学辅助剂， 可提高涂层与基布的粘合力；另外，涂层织物的涂层与底布间的 1 0 第一章绪论 粘合力直接影响到涂层织物的工艺关键。 1 3 4 2 压延工艺 压延法是将加热塑化的热塑性树脂，在相向转动中滚压挤成 薄膜，然后和织物或其它材料叠合轧压成叠层产品。该制品所用 材料除各类纺织品外，还有泡沫塑料、塑料薄膜、橡胶、纸张、 金属箔片及各类特种纤维。压延技术就是把上述材料的特性功能 汇集于一体，形成许多新款制品。层压产品比涂层产品价格要略 低一些，但其抗拉强度、耐弯曲性也差一些。在一般应用场合， 层压产品较经济，它具有较好的撕裂强力，但是在受反复弯曲和 强大风力的作用下容易发生分层现象，在户外使用时需加以注意 f 8 】 0 1 3 4 3 贴合工艺 贴合法是薄膜与织物在加热、加压滚筒作用下，相互粘合在 一起的加工方法。这种发法通常用于生产柔性复合材料。该方法 流程、设备简单，环境条件好。在压延设备上，制膜及贴合过程 可以一次完成另外，贴合时还可添加一些粘合剂，以增加贴合的 牢度。贴合方式有三种：擦胶法、内贴法和外贴法。贴合产品具 有较好的抗撕裂延展性能，但比压延产品更容易发生贴合层与基 布的分离现象。 1 3 5 生产设备 目前，机织的增强骨架多采用苏尔寿片梭等织机进行织造， 经编双轴向骨架可以采用德国利巴( l i b a ) 纺织机械公司生产的全 电脑c o p c e n t r ah s - 2 1 s t 型全幅衬纬经编机以及德国卡尔迈耶 ( k a r l m a y e r ) 公司生产的全电脑衬纬经编机及其配套设备进行编 织。 用于涂层工艺的涂层机一般由单机组合而成，因用途不同， 可以选择不同的组合方式。典型的机组是通用涂层机，由喂布、 涂头、烘箱、冷却、卷绕机部分组成。 第一章绪论 压延工艺中的压延机将加热塑化的热塑性树脂，在相向转动 的热辊筒中滚压挤成薄膜，然后和织物或其他材料叠合轧压成叠 压产品。生产中以四个压延辊的四辊压延机最为常用。 因为贴合法又名熔融法，故生产设备采用熔体辊压机，这种 设备可以看成是简化了的压延机，热熔性的粒状树脂依靠热辊熔 融轧制成膜。 1 4 本课题研究的内容和意义 1 4 1 本课题研究的内容 ( 1 ) 对试验样品的基本物理参数进行测试，包括密度厚度克重等。 ( 2 ) 通过对各试样进行拉伸性能测试，分析引起经纬向拉伸性能差 异的原因并把试验数据和分析结果作为后续试验的基础。 ( 3 ) 在不同试验条件下，对材料进行疲劳性能测试，绘制疲劳曲线， 并选择恰当的模型对数据进行拟合，预测材料的疲劳寿命； 测试材料疲劳后的剩余机械性能，对影响材料疲劳性能的因 素进行综合分析。 ( 4 ) 不同试验条件下，对材料疲劳后的剥离性能进行测试，对其影 响因素进行分析。 ( 5 ) 对研究内容做出结论，并进行课题展望。 1 4 2 本课题的意义 由于材料在实际使用中要受到反复拉伸作用而发生疲劳损伤 和破坏现象，对材料的拉伸和疲劳性能进行研究，能够更好地理 解和掌握其拉伸断裂和疲劳机理，在实际应用过程中，选择合适使 用条件，使材料的力学性能达到优化，从而保证使用过程的安全 和实现优化设计。 1 2 第二章基础实验和拉伸断裂力学性能 第二章基础实验和拉伸断裂力学性能 2 1 基础实验 本文试验用的所有试样，均来自上海申达科宝新材料有限公 司。采用的基布组织结构有平纹和方平两种组织，两种材料均以 涤纶机织物为基体材料，以聚氯乙烯( p v c ) 为基质材料，通过压延 工艺制备而成。材料的编号分别是1 # ，2 # ，3 # ，4 # ，5 # ，其 中1 # 、2 # 试样基布是方平组织( 即巴拿马组织) 。以下在文章中 无特殊情况，各试样均以编号表示，进行相应的测试及记录。 2 1 1 单位面积质量的测试 对于柔性复合材料而言，总单位面积质量和基布单位面积质 量对材料的机械性能有很大影响，材料的许多物理特性亦取决于 这些参数。这里采用的测试标准为b s 3 4 2 4 m e t h o d s 。 试验仪器采用温州大荣纺织标准仪器厂的圆盘取样器，裁剪 面积为l0 0 c m 2 的圆型试样，精确度为l 。称重量时，采用上海 精天电子仪器有限公司的f a 2 0 0 4 a 型电子天平，m a x = 2 1o g ， d = 0 1 m g 。从无折痕的成品和基布上用圆盘取样器各裁5 块试样， 每块面积为l0 0 c m 2 。裁剪的试样至少距离边缘5 0 m m ，试样的面 积误差控制在1 之内。在裁取和测试基布时，要注意避免纱线脱 落。试验结果见表2 1 。 值得注意的是，利用该方法得到的基布单位面积质量并不等 于基布在后整理工艺前的单位面积质量。这是由于在去除复合层 的过程中，复合层不可避免的会残留在基布当中，而且在处理过 程中织物还会发生收缩现象。 第二章基础实验和拉伸断裂力学性能 2 1 2 材料密度的测试 密度是影响织物最终物理机械性能的重要指标，织物密度的 大小对其拉伸断裂强力，撕裂强力，剥离强力都有着很大影响。 本文采用的是组织结构为平纹和方平的两种机织物，纹理较清晰， 这里就不作剥离处理。 本实验采用g b 4 6 6 8 8 4 规定的密度测试方法，该方法适合于 测试基布的密度，试验用标准大气温度为( 2 0 2 ) ；相对湿度 为( 6 5 2 ) ，试验工具是五倍照布镜；每种试样测试三次，取 平均值。测试结果见表2 1 2 1 3 材料厚度的测试 对于柔性复合材料来说，即使其基布组织结构类似、厚度相 当，但最终产品的厚度往往因复合层厚度的不同而相差甚远。本 试验中，由于试验条件所限，很难测试复合层的厚度或者即使测 试亦因误差太大而不能考据。一般来说，基布组织结构类似、单 位面积质量又相同的织物，复合层单位面积质量越大的织物厚度 越高。至于复合层的厚度，我们可以通过复合层的单位面积质量 来间接地进行表征，复合层单位面积质量越大，则复合层厚度越 大。 本文采用g b 6 6 7 2 8 6 规定的厚度测试方法；试样制备时，沿 样品的纵向，距端部大约1m 的位置横向截取试样，样条宽度约为 l0 0 c m ，样条应无折痕或其他缺陷；试验仪器采用南通宏大实验仪 器有限公司生产的y g l4 1n 数字式织物厚度仪。精确度为o 0 1m m ， 测头对试样施加的负荷为5 0 0 9 ；试验用标准大气温度为( 2 0 土2 ) ，相对湿度为( 6 5 土2 ) 。 1 4 第二章基础实验和拉伸断裂力学性能 表2 1 试样规格及其基本参数 试样 纱线 织物密度 材料面 织物 复合层复合材 线密度 密度 厚度 料厚度 编号树i n c h组织 t e x g m 2 n u nm m l 撑经向 1 1 1 1 03 2 8 5 7 方平 o 3 60 7 5 纬向 1 1 1 1 03 l 经向 1 1 1 1 03 2 2 捍 1 0 9 0 方平0 4 8 o 8 7 纬向 1 1 1 1 03 l 经向 1 1 1 1 02 1 3 群6 1 0 平纹 0 4 3o 7 7 纬向 1 4 4 4 02 0 经向 1 1 1 1 01 9 4 群5 7 8 平纹 0 3 20 4 9 纬向 1 1 1 1 01 8 经向 5 5 5 02 1 5 群5 2 0 平纹 o 2 3 0 4 1 纬向 5 5 5 02 0 2 2 拉伸性能的测试及研究 压延类柔性复合材料在应用中有承受载荷的增强作用，材料 抵抗因外力引起损坏的性质称为材料的耐久性或坚牢度，大多是 通过测试材料的拉伸断裂性能和撕裂性能来反映的，所以拉伸性 能是表征这种材料性能的最重要的指标之一。本文中压延类柔性 复合材料的基布主要是机织平纹织物与方平织物，二者同属双轴 向结构，它们的经纱和纬纱均为相互垂直配置，但由于密度和组 织结构的不同、后整理工艺的不同，可能会导致性能上的差异。 对于柔性复合材料拉伸性能，矫卫红，郭郁等人已有较多的 测试分析，本章通过对不同材料的拉伸性能进行测试，所得的数 据作为后续疲劳试验的基本参数；并根据相关理论，对其拉伸性 能机理和影响因素进行分析。 2 2 1 试样准备 本文所采用的试样是由上海申达科宝新材料有限公司提供， 以涤纶机织物作基布，聚氯乙烯( p v c ) 为基质材料，通过压延 工艺制备而成的压延类柔性复合材料。本文选择了几种不同规格 的材料作分别分析。 1 5 第二章基础实验和拉伸断裂力学性能 拉伸性能试验是要为后续疲劳试验等提供参照参数，考虑到 后续实验仪器的限制，本文试样采取统一规格：长为2 0 0 m m ，宽为 5 0 m m ，中间测试部分即夹持长度为10 0 m m ，上下夹持端长度各为 5 0 m m ，经纬向各取5 块。在选取试样时，应注意尽量避免在距离 布边5 0 m m 范围内选取，最好试样应沿样品宽度方向大约等间隔 裁取，并且尽量让经纱或纬纱与试样的长边相平行，如果试样有 纬斜现象，则按照纱线方向选取试样。 2 2 2 测试标准 目前，我国对篷盖类柔性复合材料拉伸性能的测试还没有统 一的标准，因而也很难确定评定该项指标值的优劣。在试验过程 中，我们参考了中国国家标准g b 6 6 7 2 8 6 塑料薄膜拉伸性能试 验方法，该标准适用于塑料薄膜和厚度小于l m m 的片材。但在实 际实验中，为了与国际上的同类产品进行比较，并考虑到后续试 验涉及的测试条件，本文最终参照了英国工业标准b s 3 4