（纺织工程专业论文）亚麻聚丙烯针织结构复合材料的制备及其力学性能研究.pdf

+；lt；t案 u誓絮q，月， 一 三、采用先进的试验和分析仪器对亚麻聚丙烯针织结构复合材料板材的拉 伸、冲击能量吸收性能及微观失效模式、过程、机理进行系统研究，以获得该类 材料的较好力学特性和较优化的材料结构。 四、使用几何方法建立了针织罗纹结构的线圈模型；使用a n s y s 有限元分析 软件建立亚麻聚丙烯重复性胞元的细观有限元模型，并对代表性胞元的有限元 模型进行了三个方向的拉伸预测分析；根据经典层合板理论，建立了实际拉伸测 试试件的有限元预测模型，并对开发的亚麻聚丙烯针织结构复合材料板材拉伸 性能进行了有限元预测分析，通过与实际测试结果比较，发现误差较小，认为对 所建的细观层次胞元模型进行改进和修正后可用于对同类复合材料板材的剪切、 压缩、弯曲等力学性能进行预测分析工作。 ( p o l y p m p y l e n e 毫简称p p ) 受热熔融且性能优良，价格低廉，具有可回收、可循 环利用性能，适宜用作热塑性复合材料的树脂基体材料。针织技术可将增韧原料 和基体材料一次编织成型为热塑性复合材料预制件，生产工艺简单、成本较低， 而且，针织结构预制件延伸性好，易于模压成型，有较好的拉伸能量吸收性能。 针织结构复合材料中的线圈的几何结构可使纤维取向被立体地固定，保证了纤维 取向的稳定和热塑性变形区域中纤维含量的均等，具有较好的拉伸能量和抗冲击 能量吸收性能。所以将亚麻纱与聚丙烯长丝并股共织形成针织结构预制件，后经 热压复合制得性能优良的复合材料板材是开发新材料的有效途径之一，本研究的 主要目的即在于开发绿色环保的民用亚麻聚丙烯针织结构复合材料，并对其力 学性能进行宏观测试分析和细观模拟预测。 本文首先以亚麻纱和聚丙烯长丝为原料，探讨了亚麻聚丙烯并股共织的横 编工艺，选用亚麻纱与不同股数的聚丙烯长丝合股共织了1 + 1 罗纹和四平两种结 构且各具不同弯纱深度的织物，并股的亚麻纱和聚丙烯长丝的股数比分别为1 ：l 、 l ：2 、1 ：3 、1 ：4 ，对应的预制件的纤维体积含量为7 5 、6 0 、5 0 、4 3 ；通过研 究发现亚麻纱经过编织前处理可改善其在横机上的可编织性；通过调整上机的编 织速度、牵拉力和弯纱深度，可确定亚麻聚丙烯横编织物的最佳横编工艺。 为进一步探讨制备环保型民用纺织复合材料的新途径，对利用机号g = 9 的横 机开发的以亚麻为增韧纤维、聚丙烯为基体的亚麻聚丙烯针织结构复合材料预 制件小样的拉伸、弹性回复和顶破强力等力学性能进行测试，分析影响其力学性 能的有关因素。研究表明：亚麻纱与聚丙烯长丝合股共织可有效改善其可编织性； 亚麻与聚丙烯纤维体积含量比为5 0 ：5 0 的针织结构预制件的拉伸断裂性能、弹 性回复性能及顶破强力都较优；四平结构预制件的拉伸断裂性能、顶破强力优于 罗纹结构，而罗纹结构预制件的弹性回复性能优于四平结构；弯纱深度较小时， 亚麻聚丙烯针织结构预制件的力学性能较优。 将天然亚麻纤维作为增强纤维，聚丙烯作为树脂基体，编织形成的不同纤维 体积比、不同结构的亚麻聚丙烯针织物预制件，经过热压复合制备形成了一定 的亚麻聚丙烯针织物增强热塑性绿色环保的民用纺织复合材料板材。通过对增 强纤维及基体材料性能的分析，以及对预制件和复合材料板材的结构参数和制各 工艺的设计和分析，得到了较优的复合材料产品结构和制备工艺，认为亚麻聚 丙烯针织结构预制件的编织工序简单、效率高，并可直接热压复合，降低了复合 材料的制备成本；模压复合中，预制件层叠方式选择9 0 。交叉层叠( 正交) 和0 。平行层叠，铺层数分别为4 层、6 层和8 层，其中4 层、6 层预制件热压过程 中施加的最大压力为1 0 m p a 时最优，8 层预制件热压过程中施加的最大压力为 1 5 m p a 时最优；三个阶段的模压温度分别为1 0 0 、1 6 0 和1 9 5 。 为了开发亚麻纤维增强聚丙烯热塑性树脂基针织结构复合材料，制备出性价 比较高、力学性能较好的民用环保复合材料板材。通过选择最优的热压复合工艺 制得不同结构、不同亚麻聚丙烯纤维体积含量比的针织结构热望性复合材料板 材，并对其拉伸性能进行了测试分析，认为四平结构增强的板材比罗纹结构增强 的板材拉伸强力大；同种结构、相同热压复合工艺条件下，亚麻聚丙烯纤维体 积含量比为5 5 7 ：4 4 3 时复合材料板材的拉伸强力最大，拉伸最大值载荷达 5 1 4 0 7 2 n ：预制件层叠方式对复合材料板材的拉伸性能有很大影响。为了开发抗 冲击性能优良的环保型民用纺织复合材料，本文对研制开发的亚麻聚丙烯针织 结构复合材料板材进行了冲击测试，分析了冲击破坏后的形貌，探讨了其破坏机 理。试验结果表明，纤维体积含量趋近5 5 7 时，亚麻聚丙烯针织结构复合材 料板材的抗冲击性能较优；铺层数为8 的复合材料板材抗冲击性能较4 层和6 层 的好；针织结构预制件的弯纱深度为9 时，板材的抗冲击性能相对较好。 本文采取多尺度有限元分析的方法，建立并分析了含有增强纤维亚麻纱线和 树脂基体聚丙烯的胞元模型，得到胞元的各向拉伸力学性能。进而均质化得到复 合材料试样的力学性能。通过对亚麻聚丙烯针织结构复合材料层合板拉伸试件 进行有限元分析，得到了试件弹性模量和拉伸力学行为，并与试验测试结果进行 比较，发现预测误差较小，本文的结论及预测模型可以指导该类复合材料的实际 应用。 关键词：亚麻；聚丙烯；针织结构；预制件；热塑性复合材料；拉伸性能；抗冲 击性能；多尺度建模；细观有限元分析 f l a x p p w i t hh 诎 r a wm a t e r i a l s ， b eu s e da st h e c a p a c i t y p o l y p r o p y l e n e 口p ) h a v eg o o dp e r f o r m a n c e ss u c ha st h e r m a lm e l t e da n d r e c o v e r a b l e ，r e p l e t i o n a n d r e c y c l e ，l o wp r i c e ，w h i c h a r es u i t a b l e f o r t h e t h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t ew i t hr e s i nm a t r i xm a t e r i a l s k n i t t i n gt e c h n i q u e sc a nk n i tt h e r e i n f o r c e dm a t e r i a la n dr e s i nm a t r i xi n t op r e f o r m so ft h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e ，w h i c h p r o d u c t i o np r o c e s si ss i m p l ea n dl o w e rc o s t , t h e nt h ek n i t t i n gp r e f o r mh a sg o o d e x t e n s i b i l i t y a n de x c e u e n te x t e n s i o n e n e r g ya b s o r b a b i l i t y , e a s yt oc o m p r e s s i o n m o l d i n g t h eg e o m e t r yo fk n i t t e dl o o pi nk n i a e ds t r u c t u r a lc o m p o s i t e sa l l o w st h e f i b e ro r i e n t a t i o nb e e nt h r e e - d i m e n s i o n a lf i x a t i o n , t h i se n s u r e st h es t a b i l i t yo ft h ef i b e r o r i e n t a t i o na n dt h ee q u a l i t yo ft h ef i b e rc o n t e n ti nt h e r m o p l a s t i cs i g n i f i c a n t l y , t h e n e n h a n c e dt h et e n s i l ee n e r g ya n dt h ee n e r g ya b s o r p t i o no fi m p a c tr e s i s t a n c eo ft h e c o m p o s i t e s s o i ti so n eo ft h ee f f e c t i v e w a y st od e v e l o pan e wm a t e r i a lb y m i x - k n i t t i n gt h ef l a xy a m a n dp o l y p r o p y l e n ef i l a m e n ti n t ok n i t t i n gs t r u c t u r a lp r e f o r m , t h e nh o tp r e s s i n gt h ep r e f o r mi n t oc o m p o s i t ep l a t ew i 也e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h e m a i np u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st od e v e l o pf l a x | p o l y p r o p y l e n ec i v i lk n i t t e ds t r u c t u r a l c o m p o s i t e so fg r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , t h e nm a c r o s c o p i ct e s t , m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n a l y s i s ，m i c r o s c o p i cs i m u l a t i o n ，a n dp r e d i c t i o nw e r ec a r r i e do u t t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ef i a tk n i t t i n gt e c h n o l o g yb ym i x k n i t t i n gw i t hf l a xa n d p o l y p r o p y l e n e ( p p ) f l a x p pf a b r i cw i t hixl r i ba n df u l lg a u g er i bh a v ed i f f e r e n t s i n k i n gd e p t h - t h en u m b e ro ft h ef l a xa n dp o l y p r o p y l e n ey a m i s1 ：1 ，1 ：2 ，1 ：3 ， 1 ：4 ，c o r r e s p o n d i n gt ot h e mt h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o no fp r e f o r m i s7 5 ，6 0 ，5 0 ， 4 3 r e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c hs h o w st h a ti ti st h ee f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v ei t s k n i t a b i l i t yb yt h ep r e - t r e a t m e n to f f l a x i tc a l lf i n dt h eb e s tf i a tk n i t t i n gt e c h n o l o g y b yu s i n gd i f f e r e n ts p e e do f k n i t a n g , d r a w i n g - u pa n ds i n k i n gd e p t h f o rd e v e l o p i n gn e ww a y so fp r o d u c i n ge n v i r o n m e n t a l l yp r o t e c t i v et e x t i l e c o m p o s i t e sf o rc i v i lu s e ，t h ef l a x p o l y p r o p y l e n e 口p ) c o m p o s i t e sp r e f o r ms a m p l e sw a s m a d ew i t hp o l y p r o p y l e n ea sm a t r i xa n df l a xa sr e i n f o r c i n gm a t e r i a lo naf i a tk n i t t i n g m a c h i n ew i t h9g a u g e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es a m p l e ss u c ha st h et e n s i l e s t r e n g t h , e l a s t i cr e c o v e r ya n db u r s t i n gs t r e n g t hw e r et e s t e da n dr e l a t e df a c t o r sw e r e a n a l y z e d t h er e s e a r c hs h o w st h a ti t i se f f e c t i v e t oi m p r o v ei t s k n i t a b i l i t yb y m i x - k n i t t i n gw i t ht h ef l a xa n dp p n es a m p l e sh a v eb e t t e rt e n s i l es t r e n g t h , e l a s t i c r e c o v e r ya n db u r s t i n gs t r e n g t hw h e n t h ev o l u m ef r a c t i o no f f l a x p pf i b e ri s5 0 - 5 0 i n r e s p e c to ft h et e n s i l es t r e n g t ha n db u r s t i n gs t r e n g t h , t h es a m p l eo f f u l lg a u g er i bs t i t c h i s 龇i v a n t a g e o u so v e rt h a to fr i bs t i t c h , a n dv i c ev e r s ai nr e s p e c to fe l a s t i cr e c o v e r y t h es i n k e rd e p md i r e c t l yi n f l u e n c e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef l a x p pk n i t t e d p r e f o r m , a n di ti sr e c o m m e n d e d t h a ts i n k e rd e p t hb es m a l l t h ep a p e rs t u d i e ds o m ef l a x p o l y p r o p y l e n e ( p p ) t h e r m o - p l a s t i cc o m p o s i t e st h a t c h o o s i n g n a t u r a lf l a xf i b e ra s r e i n f o r c i n gm a t e r i a l ，p o l y p r o p y l e n e a sr e s i n , f l a t - k n i t t i n gf a b r i c sw i t hd i f f e r e n tv o l u m ef r a 胡o l qa n ds t r u c t u r e sa st h ep r e - p r e g n a n t , h o t - p r e s s i n gi n t ot h ef r i e n d l y - e n v i r o n m e n tt e c h n i c a lt e x t i l ec o m p o s i t e s t h es u p e r i o r c o m p o s i t e ss l z u c t u r e sa n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw a so b t a i n e dt h r o u g ha n a l y 洳gt h e p r o p e r t i e st 0t h ef l a xa n dp o l y p r o p y l e n e ，d e s i g n i n ga n da a a l y z m gt h ep a r a m e t e r sa n d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t ot h ek n i t t e dp r e - p r e g n a n ta n dt h ec o m p o s i t e sm a t r i x a n a l y s i s r e v e a l e dt h a tt h ef l a x p pk n i t t e dp r e - p r e g n a n tw a sp r o c e s s e ds i m p l ya n de f f i c i e n t l y , a n di tc o u l db e e nh o t - p r e s s e dd i r e c t l y s ot h ec o m p o s i t e sw i t hl o w e rp r o p e r t y - c o s t w a sd e v e l o p e d i nt h em o l d i n gp r o g r e s s , t h el a y i n gd i r e c t i o ni s9 0 0i n t e r s e c t i n g - l a i d a n d0 0p a r a l l e l - l a i d , t h en u m b e r so fl a y e ra r e4 ，6a n d8r e s p e c t i v e l y i nt h e h o t - p r e s s i n gp r o c e s s ，t h eb e s tp r e s s u r ew a s10 m p aw i t ht h ep r e - p r e g n a n to f4o r6 l a y e r sa n d 15 m p aw i 也t h ep r e - p r e g n a n to f8 l a y e r s t h r e es t a g e so fm o l d i n g t e m p e r a t u r e sw e r e10 0 ，16 0 a n d19 5 r e s p e c t i v e l y t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st od e v e l o pt h ef l a x p o l y p r o p y l e n e 口p ) w e f t - k n i t t e d e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yt e c h n i c a lc o m p o s i t e sw h i c h h a sb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s s o m ef l a x p pw e f tk n i t t e dt h e r m o - p l a s t i cc o m p o s i t e sl a m i n a t e sw i 也d i f f e r e n t c o m p o u n ds t r u c t u r e sa n dd i f f e r e n tv o l u m ef r a c t i o n sw a sd e v e l o p e dw i t ht h eb e s t h o t - p r e s s i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e n s i l ep r o p e r t i e so f s o m ec o m p o s i t e sa n dv o l u m ef r a c t i o n sa sw e l la sk n i t t i n gs t r u c t u r e sw a si n v e s t i g a t e d s o m ec o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e db yt e s t i n ga n da 越y z i n gt h et e n s i l ep r o p e r t i e so ft h e c o m p o s i t e sl a m i n a t e s a n a l y s i sr e v e a l e dt h a tt h ef u l l g a u g er i bw a ss u p e r i o rt ot h e1x 1r i ba sf 缸a st h et e n s i l es t r e n g t ho ft h el a m i n a t e sw a sc o n c e m e d t h er e s e a r c h c o n c l u d e dt h a t5 5 7 ：4 4 3v o l u m ef r a c t i o no ff l a x p pw a sc o n s i d e r e dt ob eo p t i m u m w h e nt h et e n s i l es t r e n g t h ，a st h em a j o rc o n c e r nu n d e rt h es a m ek n i t t e ds t l r l o t l 】r e sa n d h o t - p r e s s i n gt e c h n o l o g y t h eb i g g e s tl o a d i n gg o tt o5 1 4 0 7 2 ni n0 1 1 7e x p e r i m e n t s t h e l a y i n gd i r e c t i o no ft h ek n i t t e dp r e - p r e g n a n ti nt h ec o m p o s i t e sl a m i n a t e sp l a y e da l l i m p o r t a n tr o l ef o rt h ec o m p o s i t et e n s i l es t r e n g t h f o rd e v e l o p i n gt h ee n v i r o n m e n t a l l y p r o t e c t i v ec i v i lt e x t i l ec o m p o s i t e sw i t hb e t t e ri m p a c tb e h a v i o r s ，t h ei m p a c tt e s tw a s m a d ew i t hf l a x p o l y p r o p y l e n e 口p ) w e r k n i t t i n gc o m p o s i t e ss a m p l e s t h e m e c h a n i s m so ff i b e rr e i n f o m i n ga n df r a c t u r ew e r ed i s c u s s e dt h r o u g he x 孤1 1 j 血gt h e f r a c t u r ep h o t o g r a p h e s t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h es a m p l e sh a v eb e t t e ri m p a c t b e h a v i o r sw h e nt h ev o l u m ef r a c t i o no ff l a xf i b e ri sa b o u t5 0 ，t h ea m o u n to fl a y e r si s 8 ，a n dt h es i n k e rd e p t ho ft h ef l a x p pk n i t t e dp e r f o r mi s9 i nt h i sp a p e r , m u l t i - s c a l ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n a l y s i si sa d o p t e d t h eu n i t c e l lw i t ht o u g h e n e df l a xf i b e r sa n dp o l y p r o p y l e n em a t r i xi ni ti se s t a b l i s h e da n d a n a l y z e d , t og e tt h et e n s i o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew h o l eu n i tc e l l ，w h i c ha r e t h e nh o m o g e n i z e d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs a m p l e sw e r eg o t a f t e rf i n i t ee l e m e n t g o t , a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew e l l t h ec o n c l u s i o na n dm u l t i 。s c a l em o d a l c a ng u i d et h ea p p l i c a t i o no ft h i sc o m p o s i t em a t e r i a l k e yw o r d ：f l a xy a r n ；p o l y p r o p y l e n e ( p p ) ；w e f t - k n i t t e ds t r u c t u r e ：p r e f o r m ； t h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e s ；t e n s i l ep r o p e r t i e s ；i m p a c t b e h a v i o r s ：m u l t i 。s c a l e m o d e l i n g l m i c r o f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 目录 第一章绪论1 第一节天然纤维复合材料的研究进展2 1 1 天然纤维复合材料中增强纤维的选择2 1 2 天然纤维复合材料中树脂基体的选择。4 第二节针织结构增强复合材料的研究进展。7 第三节针织结构热塑性复合材料力学性能的研究进展l o 第四节课题研究的意义、内容、方法及创新点1 3 4 1 目前相关研究中存在的主要问题1 3 4 2 课题研究的意义、内容、方法1 3 4 3 课题研究的创新点1 7 第二章亚麻聚丙烯针织结构复合材料预制件的编织。1 9 第一节试验用原材料及其性能。2 0 1 1 增强原料亚麻纱的性能测试与分析。2 0 1 2 树脂基体原料聚丙烯的性能测试与分析2 8 1 3 亚麻纱与聚丙烯长丝在预制件中的体积含量比估算。3 0 第二节亚麻，聚丙烯针织结构复合材料预制件的编织。3 2 2 1 亚麻纱的编织前处理3 2 2 2 编织设备3 4 2 3 组织结构的确定3 5 2 4 直接成形合股共织编织工艺研究3 6 2 5 合股共织形成的亚麻，聚丙烯针织结构复合材料预制件。4 0 第三章亚麻，聚丙烯针织结构复合材料预制件的力学性能研究。4 5 第一节预制件小样及其基本结构参数的测试与分析4 5 第二节预制件小样的力学性能研究。4 8 2 1 拉伸性能研究4 8 2 2 弹性性能研究5 0 2 3 顶破性能研究5 1 第四章亚麻聚丙烯针织结构热塑性复合材料的制备5 5 第一节亚麻聚丙烯针织结构复合材料的成型工艺及参数。5 7 1 1 成型设备、工艺5 7 1 2 成型工艺设计及参数选择。5 7 第二节亚麻聚丙烯针织结构复合材料成型件的制各及样品5 9 2 1 成型件的制备及样品5 9 2 2 成型件的基本结构参数6 4 第五章亚麻聚丙烯针织结构热塑性复合材料板材力学性能的宏观测试分析6 9 第一节亚麻聚丙烯针织结构热塑性复合材料拉伸性能测试分析6 9 1 1 拉伸性能测试6 9 1 2 拉伸性能分析7 i 1 3 拉伸断口形貌分析7 7 第二节亚麻聚丙烯针织结构热塑性复合材料冲击性能测试分析。8 l 2 1 冲击试验样本制备8 1 2 2 抗冲击性能测试8 2 2 3 抗冲击性能分析：8 3 2 4 冲击损伤断口形貌分析8 7 2 5 抗冲击能量吸收性能分析9 l 第六章亚麻聚丙烯针织结构复合材料板材拉伸性能的细观有限元分析9 7 第一节有限元算法及经典层合板理论介绍9 7 1 1 有限元算法及软件平台介绍9 7 1 2 经典层合板理论简介。9 8 第二节细观有限元模型的建立和分析9 9 2 1 针织罗纹结构代表性胞元几何模型的建立9 9 2 2 单元类型和材料属性的确定1 0 4 2 3 有限元模型的拉伸分析。1 0 5 第三节亚麻，聚丙烯针织结构复合材料板材拉伸性能的有限元分析1 1 1 3 1 复合材料板材拉伸试件几何模型的建立1 1 1 3 2 单元类型和材料属性的确定1 1 2 3 3 边界条件和载荷的施加1 1 3 3 4 求解、预测及与板材拉伸实测数据的对比校验11 3 第七章结束语l1 7 第一节结论1 1 7 第二节课题前景展望及后续工作1 1 9 参考文献1 2 1 攻读博士学位期间发表论文、申请专利及科研情况1 2 9 致谢1 3 1 第一章绪论 第一章绪论 目前，由于全球资源、经济和环境形势的转变，迫切要求纺织新材料的开发 和生产必须要充分考虑合理利用资源、提高生产效率、降低生产成本、增强材料 性能并有利于生态环境的保护，这就使得对于天然纤维增强的环保型民用纺织复 合材料的需求越来越大，美国市场上天然纤维增强的热塑性复合材料的需求一直 保持着快速增长的势头，是所有复合材料需求增长最快的产品之一n 1 。 天然麻纤维以其高强、高模、舒适、环境友好等优良性能，被广泛应用于生 产各种用途的纺织产品，特别是作为天然纤维复合材料增强纤维的首选材料，引 起了国内外纺织专家的高度关注。作为高性能天然纤维的亚麻是一种丰富的、生 长期短的可再生资源，而且亚麻纤维自身为天然的复合材料结构，是可降解的有 机纤维，具有高强、高模、价廉及可回收、可降解、可再生的生态环保等优良性 能，是作为环保型复合材料的理想增强纤维材料，且我国麻纤维资源丰富，作为 产业用原材料有利于环境保护和可持续发展，具有一定的社会意义。 聚丙烯( p p ) 纤维具有结晶度高、密度小、耐化学品性能优良、拉伸强度较 高、断裂韧性好、弹性模量较高、抗冲击性强、成型工艺简单、成本低、可回收 再利用的特点，且被纤维材料增强后增强效果较为明显，其制品的力学性能得到 较大提高，其用途日益广泛，是理想的热塑性树脂基体之一，使得目前对于以聚 丙烯为基体复合制备热塑性复合材料的开发研究迎来了高潮，而且利用亚麻纤维 增强聚丙烯树脂基体来制各环保型民用纺织复合材料，是玻璃纤维等增强的其它 复合材料所不能比拟的。 针织结构复合材料预制件成型工艺简单、生产效率高、可设计性强，具有优 良的拉伸、抗冲击能量吸收特性以及模压成型特性，利用针织结构及针织技术的 特点探讨针织结构民用新材料的开发具有一定的现实意义。与其它纺织结构复合 材料相比，纬编针织结构复合材料具有其独特的性能：延伸性与悬垂性较好，适 宜深度模压复合材料的加工，无折皱塑性变形保证了成品件的流畅成型；具有较 好的抗拉伸能量吸收性能和抗冲击疲劳性能；线圈的几何结构可使纤维取向被立 体地固定，保证了纤维取向的稳定和有明显热塑性变形区域中纤维含量的均等， 并可避免层压复合材料中易形成的片状结构，排除了脱层的可能性。 所以充分利用我国充足的天然亚麻纤维资源及其优良特性，与热塑性树脂基 体聚丙烯( p p ) 复合，利用针织技术制备开发环保型民用纺织复合新材料具有一 定的社会意义和实用价值。 民用环保纺织复合材料的研究是当前相关学科领域专家广泛关注的研究课 题之一。本课题旨在用亚麻纱与聚丙烯长丝作为复合材料的增强材料与基体，采 天津工业大学博士学位论文 用针织技术，制备出密度相对较小的、性能比较优越的亚麻聚丙烯热塑性针织 结构民用环保的复合材料板材。本课题所要进行的亚麻聚丙烯针织结构复合材 料的制备及其力学性能研究目前较成熟的成果尚不多见，属学科发展前沿课题， 具有较好的实际应用价值和理论指导意义。 、 第一节天然纤维复合材料的研究进展 纺织复合材料是一类先进的复合材料，国内外相关研究机构都在积极进行各 类纺织复合材料的研发。美国n a s a 开展了先进纺织复合材料技术( a c t ) 计划， 已成功将新材料用于航行器上，德国、英国、法国、意大利、日本、印度、中国 等国的相关研究人员也先后进行了各类纺织结构复合材料的研发，其研究大多集 中于高强、高模承载结构件材料( 如玻璃纤维、碳纤维、k e v l a r 纤维等增强热 固性复合材料) 的研究上。天然纤维比玻璃纤维、碳纤维、k e v l a r 纤维等增强 材料价格低廉，又可减轻重量和改善材料的可加工性，同时更有利于环境保护和 生态平衡，所以越来越受到青睐。天然纤维较玻璃纤维便宜，可降低材料费用和 产品密度，能被生物降解，易于回收再利用，虽然其增强塑料的弯曲强度约为玻 璃纤维增强塑料( g f r p ) 的5 5 左右，弯曲和拉伸模量为g f r p 的3 5 - - 5 0 ， 但在非结构件和半结构件应用领域仍具有非常强的竞争力，已为众多的汽车制造 商所看好嘲。考虑到天然纤维的综合性能，今后它将是玻璃纤维等的有力竞争对 手口1 。所以，目前随着生态环保、资源开发、能源节约等意识的进一步加强，作 为民用材料的天然纤维增强纺织结构复合材料的研究引起了国内外相关专家的 广泛关注。 1 1 天然纤维复合材料中增强纤维的选择 天然植物纤维如麻、竹、椰壳、秸秆等，高强、高模，都可作为增强材料， 并以其质轻、价廉、可再生和可生物降解等特点，充分体现了环境友好性和人类 亲和性，从资源开发利用和环境保护的角度考虑，不但可以作为木材的替代品， 还可以部分取代玻璃纤维及合成纤维，特别是在民用复合材料方面，天然植物纤 维复合材料作为结构材料和非结构材料已占有一定的地位，并将有广阔的发展前 兽嘲 力气。 印度使用麻纤维、菠萝纤维、香蕉纤维、椰子纤维和竹纤维等天然纤维资源， 用作增强的普通或可被生物降解的天然纤维复合材料的研究工作正在多个实验 室进行，用天然纤维增强开发的某些产品已经投入生产嘲。 一、复合材料中麻纤维的开发应用日益增多 第一章绪论 麻纤维增强复合材料的开发研究在国外已开展的较深入，已有较广泛的工程 应用和较大的商业利润。德国b a s f 公司开发的黄麻聚丙烯、剑麻聚氨酯泡沫 天然纤维增强热塑性塑料毡复合材料( n m t s ) ，提高了n v h 指标( 表征轿车降噪、 减振、提高乘座舒适度的综合指标) ，较玻璃纤维增强复合材料( g m t s ) 轻1 7 ， 且生产成本较低，被用于轿车内饰件、吸噪音板、车门内饰板等材料砸1 。在2 0 0 0 年日内瓦汽车展览会上，德国a u d i 公司展出了一辆a u d ia z 中型轿车，该车的 设计人员为了减轻内装饰件的重量，选用麻纤维毡增强聚氨酯树脂制造车门内装 饰板。天然纤维复合材料的价格比玻璃钢可降低2 5 左右嘲。 法国的“工业亚麻技术公司”( t e c h n il i n ) 使用配比为3 0 ：7 0 、5 0 ：5 0 、 6 0 ：4 0 的亚麻纤维与聚丙烯纤维( p p ) 为原料，采用非织造技术及热压成型方法 制成亚麻聚丙烯复合材料，用作汽车车门内饰板( 欧宝c o r s a 车和雪铁龙c 5 车) 及后窗台装饰板( 雷诺t w i n g o 车) ，最终成品的材料重量减轻2 0 ，价格有所 降低，且用这种材料装饰的车门内装饰板在汽车发生事故时不容易损坏研舶。 印度作为黄麻的主要产地，在黄麻纤维增强复合材料的研究中一直处于世 界前列，其大部分工作是研究黄麻和橡胶的复合，现已开始工程应用吼删。 2 0 0 0 年北美( 美国、加拿大) 用于热塑性复合材料的增强材料及填料中玻 纤为7 7 5 万吨，碳酸钙为1 0 0 万吨，其它矿物填料为5 5 万吨，天然纤维为1 7 5 万吨，其中天然纤维包括水纤维、亚麻、黄麻、洋麻、大麻、剑麻等。与玻纤不 同的是，天然纤维几乎全部用于增强热塑性塑料的复合材料，常用的热塑性塑料 包括聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯及高密度聚乙烯。从2 0 0 0 年到2 0 0 5 年建筑用复 合材料所使用的天然纤维达到年增长率6 0 ，使用的主要纤维为木纤维，亚麻 及大麻纤维，主要产品为户外用地板、装饰板条、篱笆、扶手、门窗型材、百页 窗、房屋用叠板、屋面瓦等；汽车上的