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热塑性纬编针织物复合材料的制备和力学性能研究 摘要 近年来，产业用纺织品在整个纺织品中所占的比重不断。l 升，其中以高性能纤维织物作为增强体的热塑性复合材料发展 较快。纬编针织物具有良好的延伸柔顺性能和较高的生产效 率，作为增强体再与热塑性基体复合将赋予材料优良的成型 性、抗冲击性和较低的生产成本。但是与其它纺织结构复合材 料、包括经编针织物复合材料相比，国内对热塑性纬编针织物 复合材料的研究还比较少。本论文的研究目的，旨在为热塑性 纬编针织物复合材料的可设计性、可生产性及力学性能提供了 依据。 本课题以玻璃纤维无捻纱与丙纶无捻纱混并后的纱线作 为针织原料。通过对玻纤丙纶并纤纱纬编针织物可编织性能 的试验研究和理论分析，探索了玻纤丙纶并纤纱纬平针、罗纹、 罗纹空气层、罗纹半空气层、满针罗纹织物在横机上的编织工艺。考 察了给纱张力、牵拉力、弯纱深度对编织过程和织物质量的影响，找 出了优化的编织工艺参数。 在编织了不同组织的纬编针织物后，采用了热压成型的 方法制备了热塑性纬编针织物复合材料和单向复合材料。通 过试验确定了合适的温度、压强、保持时问、降温方式等热 压工艺参数，并且探讨了热压：r 艺参数的变化对复合材料力 学性能的影响。 对复合材料试样进行了纵横向拉伸和顶破性能的测试， 考察了它们的应力应变曲线、弹性模量、强度、断裂伸长率， 以及损伤破坏形式。比较了不同结构针织物复合材料力学性 能的差异与各向异性程度。分析了增强织物的取向、组织结 构、线圈形态、热压工艺参数等对拉伸性能和顶破性能的影 响。 在试验的基础上，采用多元线性回归的方法对复合材料 的顶破影响因素做了分析，发现影响复合材料顶破强力的因 素主要是单位长度内横向纱线根数，纵横向的断裂伸长率， 从而最后得出了线性回归方程。本课题的完成对复合材料设 计和应用具有一定的价值。 关键词并纤纱，玻璃纤维，聚丙烯，纬编针织物，复合材料， 拉伸性能，项破性能 1 1 1 s t u d yo np r o c e s s i n ga n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h e r m o p l a s t l cc o m p o s l t e s w i t hw e f t k n i t t e ds t r u c t u r e a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h ep r o p o r t i o no f i n d u s t r i a lt e x t i l ei nt h ew h o l et e x t i l e p r o d u c t sg r o w sr a p i d l y , e s p e c i a l l yt h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e sw h i c hu s e h i g hp e r f o r m a n c ef i b e ra st h er e i n f o r c e m e n t w e f t k n i 札e df a b r i c sp o s s e s s s u p e r i o re x t e n s i b i l i t y ，c o m p l i a n c e ，c o n f o r m a b i l i t ya n dh i 曲p r o d u c t i v i t y s oa sar e i n f o r c e m e n t ，i tc o m p o u n d sw i t ht h e r m o p l a s t i cm a t r i xa n dt h e n b r i n g sc o m p o s i t e sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s b e t t e rm o l da b i l i t ya n d i m p a c tr e s i s t a n c e ，l o w e rm a n u f a c t u r ec o s t sa n ds oo n c o m p a r e dw i t h o t h e rt e x t i l es t r u c t u r a l c o m p o s i t e s ，i n c l u d i n gw a r p k n i t t e d f a b r i c c o m p o s i t e s ，t h e r e s e a r c ho nt h e t h e r m o p l a s t i c w e f t - k n i t t e df a b r i c c o m p o s i t e si s s t i l ll i m i t e d t h et h e s i sa i m sa t a f f o r d i n gt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l b a s i sf o r d e s i g n ，m a n u f a c t u r e a n d r e q u i r e d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h e r m o p l a s t i cw e f t - k n i t t e df a b r i cc o m p o s i t e s t h ec o m m i n g l e dy a mf r o mg l a s sf i b e ry a r na n d p o l y p r o p y l e n e ( p p ) y a r nw a s u s e da sk n i t t i n gm a t e r i a li nt h et h e s i s b ye x p e r i m e n t a lw o r ka n d t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ea u t h o ri n v e s t i g a t e dt h ek n i t t a b i l i t yo fw e f tk n i t t e d f a b r i c sf r o mt h ec o m m i n g l e dy a m t h e k n i t t i n gt e c h n o l o g yo fp l a i n ，r i b ， m i l a n or i ba n dh a l f m i l a n or i bf a b r i cw h i c hw e r ep r o d u c e do naf l a t k n i t t i n g m a c h i n ew a s e x p l o r e d t h e a u t h o rd i s c u s s e ds o m ef a c t o r s i n f l u e n c i n gk n i t t i n gp r o c e s sa n df a b r i cq u a l i t y ，s u c ha si n p u ty a r nt e n s i o n ， t a k i n g - d o w nt e n s i o n ，s i n k i n gd e p t h t h ek e y t e c h n i q u e a n d o p t i m a l p a r a m e t e r s f o rt h e s h a p i n g o f t h e g l a s s p pw e f tk n i t t e df a b r i c sw e r ef o u n d a f t e rt h ew e f tk n i t t e df a b r i c sw e r e m a n u f a c t u r e d ，t h eh o t p r e s s m e t h o dw a su s e dt op r o d u c ec o m p o s i t e s b yt h et e s t s ，t h ea u t h o ro b t a i n e d t h es u i t a b l eh o t - p r e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n g t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，r e t e n t i v e t i m e ，t h em e t h o do f t e m p e r a t u r e d r o pe r e ，t h e nd i s c u s s e dt h ee f f e c to f t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e so nt h e c h a n g eo ft h eh o t p r e s s p a r a m e t e r s b u r s t i n g a n dt e n s i l et e s t si nt h ew a l ea n dc o u r s e d i r e c t i o n so f c o m p o s i t e ss p e c i m e n sw e r ec a r r i e do u tt oe x a m i n et h e i rs t r e s s s t r a i nc u r v e ( o r d e f l e c t i o ns t r e s s c u r v e ) ，i n i t i a l e l a s t i c m o d u l u s ，u l t i m a t es t r e n g t h ， b r e a k i n ge l o n g a t i o nr a t i oa n dd e s t r u c t i v ef o r m t h ea u t h o rc o m p a r e dt h e d i f f e r e n c e so ft h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h ea n i s o t r o p y o ft h em a t e r i a l s t h ee f f e c t so ff a b r i c o r i e n t a t i o n ，s t i t c hs t r u c t u r e ，l o o p s h a p ea n dg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so nt h et e n s i l ea n db u r s t i n gp r o p e r t i e s w e r e a n a l y z e d b a s e do nt h e e x p e r i m e n t ，t h ea u t h o rm a d eu s eo ft h em u l t i 。l i n e a r r e g r e s s i o nt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c ep a r a m e t e r so ft h eb u r s t i n gs t r e n g t h o ft h ew e f t k n i t t e ds t r u c t u r a l c o m p o s i t e s i tw a sf o u n dt h a tt h e r ew e r e t h r e em a i nf a c t o r sa sf o l l o w i n g t h en u m b e ro f y a m i nt h ec o u r s ed i r e c t i o n p e rl e n g t h ，t h eb r e a k i n ge l o n g a t i o nr a t i oi nb o t hw a l ea n dc o u r s ed i r e c t i o n s t h el i n e a r e q u a t i o no f t h eb u r s t i n gs t r e n g t hw a se x p l o r e d i ti sv a l u a b l ef o r t h ed e s i g na n d p r o d u c eo f t h et h e r m o p l a s t i cw e f t - k n i t t e dc o m p o s i t e s k e y w o r d s c o m m i n g l e dy a m ，g l a s sf i b e r , p o l y p r o p y l e n e ，w e f tk n i t t e d f a b r i c ，c 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 ，b u r s t i n gp r o p e r t i e s h u a n gr o n g ( 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 yl o n gh a i r u 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1 ：奇= 论文，是本人在导师的 指导f ，独立进行研究1 作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内存外，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。 学位沧文作者签名：崩滏 日期：肋尹年监月万列 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。 本学位沧文属于 不保密翻。 学位论文作者签名：棱崖 日期：2 时年艋月瑚 指导教师签名 压c 毛如 日期：如d 忙f 毋8 日 第一章绪论 第一章绪论 第一节热塑性纬编针织物复合材料 1 1 热塑性复合材料的概述 热塑性复合材料是以热塑性树脂为基体，以纤维为增强材料制备 而成的复合材料。不同种类的热塑，降树脂、不同种类的纤维制备的复 合材料，其性能差别很大。 热塑性复合材料按性能可分为普通热塑性复合材料和高性能热塑 性复合材料两类。普通热塑性复合材料是采用玻璃纤维作为增强体， 聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等作为基体的复合材料。高性能热 塑性复合材料是指用连续的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维等高 性能纤维作为增强体，聚醚醚酮、聚苯硫醚、热塑性聚酰亚胺。1 、 聚醚砜等高性能热塑性树脂作为基体的复合材料。 1 1 1 热塑性复合材料的优点 热塑性复合材料相对于传统的热固性复合材料来说有以下的优点 【6 8 l ： ( 1 ) 热塑性复合材料具有较强的柔韧性、抗冲击性能和抗破坏性 能。 ( 2 ) 热塑性复合材料抗化学和环境腐蚀的能力强，固化过程中不 发生化学反应，可以进行快速加工。 ( 3 ) 热塑性复合材料预浸料可长期保存，具有优良的综合性能。 在高温高压的情况下仍然可以保持良好的力学性能。 ( 4 ) 成型方法多、生产效率高，制品可以重复加工再生利用。 1 1 2 热塑性复合材料预浸料的加工工艺和成型技术 鉴于热塑性树脂在性能、加工过程以及环境保护等方面的优势， 以热塑性树脂为基体的复合材料受到国内外的关注。但对于任何种类 的纤维增强复合材料，最重要是要求纤维与树脂的均匀分布。当聚用 热塑性纬编针织物复台材抖的制备和力学性能研究 热同性树脂制备复合材料，这很容易实现，因为热固性树脂固化前， 在室温中粘度低，易于形成对纤维良好浸渍效果。但当采用热塑性树 脂制备复合材料，通常在浸渍增强纤维之前就已经完成聚合反应，热 塑性蜒脂具有分子量大、在室温下呈固态、在熔融状态下具有高粘度 的特点。如果采用类似于热固性树脂浸渍增强纤维的方法，所得到的 预浸料虽然可以达到纤维与树脂均匀分布的目的，但通过这种方法制 备的复合材料悬垂性差、不易贴服在曲面上，需要十分昂贵的制各工 艺来达到复杂的形状。如果采用先加工预型件，再注入树脂的工艺， 则因树脂的秸度太大不能良好的浸渍纤维集合体，难以获得高质量的 复合材料。探索一种可提供高质量、又经济可行的热塑性复合材料制 备技术显得很必要”。 目前热塑性复合材料预浸料制备的方法有溶液浸渍法“、熔融 浸渍法6 、粉末加工法6 、薄膜叠层法 6 t 9 1 ”、混纤法( 主 要包括混合纱、包芯纱和包缠纱) 67 9 m 、反应浸渍制备技术”、 熔体注射预浸渍方法 、水溶液泡沫预漫方法 、包粘法19 1 和粉末 包皮法。 短纤维增强热塑性复合材料成型方法主要有两种，挤出成型n 瑚 h 1 和注塑成型8 1 4 1 。 连续纤维增强热塑性复合材料成型方法4 1 主要有辊压成型、纤 维缠绕成型、挤拉和热压成型。 1 2 热塑性针织物复合材料 在现代结构材料中，纤维增强复合材料开始于4 0 年前。其中纺织 结构复合材料占有相当大的比重，这是因为纺织加工过程具有控制纤 维取向和提供近似于网状结构的优点。作为增强体的纺织材料主要有 机织物、针织物和编结物三种。针织物又可以分为纬编与经编两种， 各有其优点钉。 1 2 1 针织物增强复合材料的增强体与基体原料 纬编针织物复合材料主要有聚脂聚亚胺脂“、聚酯i 聚丙烯 6 一、聚酯聚氨酯引、玻璃纤维聚丙烯9 1 等。 第一章绪论 1 2 2 热塑性纬编针织物复合材料的特点 纬编针织物复合材料与其它纺织结构复合材料相比研究起步较 晚。但由于它有其它纺织结构复合材料无法比拟的特点，目前得到广 泛的关注。纬编针织物复合材料有以下的特点“5 2 卜2 4 1 ： ( 1 ) 延伸性、悬垂性好，适宜深度模压复合材料的加工，保证了 成品件的流畅成型。 ( 2 ) 成型性好，可通过全成型方法制成形状复杂的复合材料，避 免因裁剪与拼接造成的原料损耗和结构不均匀。 ( 3 ) 具有比机织物增强复合材料更好的抗冲击疲劳性能。 ( 4 ) 工艺流程短、生产效率高、生产成本低。 1 2 3 热塑性针织物复合材料的组织和编织工艺 在热塑性针织物复合材料中，纬编针织物复合材料采用的组织结 构单面的有平针、衬垫；双面的有罗纹、罗纹空气层( 米拉诺) 、罗纹衬 纬、畦编和双罗纹等2 5 27 4 6 4 。其中研究较多的是平针和罗纹，这 两者是最典型的单面和双面纬编针织物结构。除此之外，还有纬编多 轴向编织复合材料4 “钔。以经编针织物为增强材料的一般是经编衬 纬组织复合材料2 0 2 2 1 。 在编织增强纬编针织物时，对于采用抗弯刚度大，易折损的玻璃 纤维和碳纤维等原料，大多是在带压脚的横机或采用相对运动技术的 单面圆机上编织，机号一般在四至十之间。由于在这类机器上编织时 对纱线施加的作用力比较小，使成圈容易进行。编织时纱线的导纱元 件应坚硬光滑以避免磨毛或磨断纱线。对于抗弯刚度相对较小的芳纶 和涤纶等原料，可以在一般的圆机或者横机上编织2 卯。 一些学者对高模量纱线的可编织性进行了研究。l a u 和d i a s 的研 究表明，高模量纱线可以承受成圈机件的弯曲廓面的作用。但是同时 施加弯曲和拉伸力，会造成某些纤维在低于拉伸强度的载荷下断裂。 玻璃纤维纱线的线圈强度是与舌针针钩直径成正比，即较小直径的针 钩在成圈时容易损伤纱线，而对于棉、腈等纱线则不会出现这种情况。 s a v c i 等人研究了在带压脚的电脑横机上采用玻璃纤维纱线编织 热塑性纬编针织物复含村抖的制备和力学性能研究 平针和罗纹空气层织物。其目的在于考察可蛆得到的最紧密结构织物 的可编织性，以及舌针和纱线的损伤。作者通过实验表明，舌针的断 裂数量约是编织常规纱线的两倍。进一步的电镜表明，舌针损坏并不 是逐步磨损然后断裂，而是来源于突然的载荷。这可能是由于玻璃纤 维具有高的摩擦系数，从而导致了编织区产生了张力峰值。这种张力 峰值多与摩擦系数、输入张力的变化以及舌针的缺陷有关。 此外，除了平常二维生产的针纵物复合材料之外，三维方向的纬 编针织物有其特殊作用而受到人们的关注“72 2 9 1 。研究者主要着眼 于编织工艺，使织物具有最大的设计功能。例如针织物在各个方向上 根据不同组织结构，其强伸性可在很大程度上得到控制，适宜生产不 同程度拉伸成形产品。另外针织物具有容易按照复杂曲面的形态变形 的特性，成形容易，被大量用于异形管道、曲面复合材料。作为整体 编织而成的复合材料增强体，纬编问隔织物能从根本上消除铺层、层 压复合材料可能出现的分层现象，并且能够生产复杂曲面形态的复合 材料。三维方向纬编针织物增强体厚度方向上的整体结构性使复合材 料的各种性能如强度、刚度、抗冲击性、抗损伤性、抗烧蚀性得到了 全面的提高0 1 。集圈连接纬编间隔织物是三维针织物的一种，在 这种织物中两片独立的平针织物结构通过集圈的方式被连接在一起。 当利用这种组织制备复合材料时，整体化的三维间隔结构复合材料具 有高抗冲击性、高抗脱层强度、低重量2 1 等优点。 1 3 热塑性针织物复合材料的力学性能6 1 7 , 2 5 3 3 3 6 4 8 1 近年来，有关纬编针织物复合材料的理论和实验研究工作主要涉 及材料的力学性能，如拉伸、弯曲、压缩、剪切、抗冲击、能量吸收、 断裂和疲劳破坏等。 1 3 1 纬编针织物复合材料的拉伸性能 h u a n g z h e n gm i n g 和r a m a k r is h n as “1 对针织物柔性复合材料 的力学性能进行研究。根据增强纤维与基体材料的物理和几何性能， 作者利用微观机械的方法来预测这种复合材料的初始弹性模量。为了 达到这个目的，作者研究了聚酯纤维和聚氨酯基体的弹性性能，确定 第一章结论 了一个适合纬编双罗纹组织的几何模型。将预测的复合材料模量数据 和实测的数据进行了比较，得h 复合材料在纵向和横向的弹性性能与 纯弹性材料很相似。但是用这种分析方法预测的结果仅仅可用于复合 材料最初的线形区域。 l a msw 、x u ep 和t a oxm “研究了由聚酯和聚丙烯连续纱线 纬编针织物热塑性复合材料的非弹性拉伸性能，选用了罗纹和双罗纹 组织。为了达到一定的拉伸性能，对纺织复合材料中增强体和基体的 比例、拉伸方向、复合材利的厚度进行研究。结果表明复合材料中增 强体和基体的比例及拉伸方向影响了复合材料的力学性能。 x u ep 、y utx 和t a oxm 4 研究了纬编针织物复合材料延伸性 非弹性性能。作者发现所有的尼龙聚酯热固性复合材料试样在它们的 拉伸应力一应变曲线中表现出了理想的双线性特性：p e t p p 共织的针 织物复合材料试样的拉傅曲线在纵向、横向和4 5 度有明显的非线性性 能；纵向的拉伸性能比横向和4 5 度的拉伸性能好。 前川善一郎7 研究了罗纹组织复合材料。讨论了它们的力学特 性及破坏机理，得出以下几点结论：纬编增强复合材料的力学性质存 在各向异性，纵向拉伸强度比横向拉伸强度高：纬编增强复合材料在 横向拉伸时断裂发生在线圈稀疏部位，在纵行拉伸时断裂发生在应力 集中的线圈和线圈的交叉部位；经预拉伸的罗纹组织复合材料，纵向 拉伸强度有所增加，横向拉伸强度几乎没有变化。 1 3 2 纬编针织物复合材料的能量吸收性能 纬编针织物复合材料的另外一个优点是能量吸收性能好。普通针 织结构增强材料受冲击破坏时，增强纤维通常是以微观碎裂的方式失 效。与其它结构增强材料相比较，针织物复合材料失效的纤维总量比 较大。因此针织结构复合材料的能量吸收性能十分优良。 已有的研究结果表明，对复合材料的能量吸收性能产生影响的主 要有3 类因素3 8 1a 首先是材料本身的性能参数，包括增强纤维和基体 树脂材料的强力、模量等物理机械性能指标以及界面性能等，这是决 定材料最终能量吸收性能的因素。不同的增强纤维和基体，不同的材 热塑性纬编针织物复合材料的制备和力学性能研究 料表面处理工艺和界面性能都会带来不同的能量吸收效果。其次是材 料的结构和几何形状的影响。作为一种结构体，复合材料的结构设计 无疑会对材料的性能产生重要的甚至是决定性的影响。增强纤维结构 模式、纤维体积含量、材料、几何形状的不同都会导致能量吸收效果 的不同。根据前人的试验证明，纤维体积含量越高，材料的抗冲击性 能越好。在相同的纤维含量下，针织结构材料的能量吸收性能最好， 其次是编织结构和机织结构，最差的是单轴向增强结构。同样结构的 复合材料，几何形状光滑的能量吸收特性较好，如圆管材料或流线型 外壳等，而棱角会对能量吸收产生消极的影响。第三是冲击试验条件 的影响，包括试验设备、试样准备、载荷方式、冲击( 或挤压) 速度以及 温湿度等。不同的试验条件会给试验结果带来很大的不同，以温度为 例，通常0 摄氏度以上，复合材料的能量吸收性能会随温度的上升而 一f 降。 l a i nsw 、x u ep 和t a oxm 等7 1 研究了纬编针织物复合材料的 能量吸收性能。将聚酯，聚丙烯连续长丝纬编针织物进行压模而制备的 复合材料作为研究的对象。作者研究表明可以通过变形过程中的局部 基体的压缩和延伸、基体裂纹的传播、局部线圈扭曲及纤维的变形来 确定能量的吸收性。同时也研究了织物的组织结构、纤维体积含量以 及纤维的表面的等离子体处理对能量吸收性能影响。 1 4 热塑性复合材料的用途 鉴于热塑性纬编针织物的优点，近年来受到研究工作者与生产厂 家的关注，在下列领域中得到了广泛的应用： ( 1 ) 工业技术：连续碳纤维、芳纶增强高性能热塑性复合材料已 经成为飞机、宇航和高科技领域不可缺少的特种材料和新型结构材料。 此外连续玻璃纤维增强通用热塑性复合材料也已经在汽车、电子电器、 建筑、运输等领域得到了应用 、1 5 、3 9 4 0 1 。 ( 2 ) 医用方面：由于聚酯聚氨酯纬编针织物柔性复合材料的生物 适用性，它们通常用于医学方面。对于特别的软组织填充物，聚氨酯 弹性体的力学性能与那些生物软组织的性能很接近。这种柔性复合材 撼一章绪论 料可以用于人造生物学材料8 1 ，例如控制药品的输送和释放、心脏血 管的移植、人造器官、血管的改造、整形外科辅助、刭：齿缺口的衬挚、 缝合和血袋等。 ( 3 ) 装饰类：由于柔性复合材料能够在很大的温度范阳内保持良 好的韧性和柔软性，因而使其成为室内和室外应用的理想材料。从最 初用作住宅板壁起，逐步扩大到众多领域，包括飞机内装饰、墙布、 货车侧板、图画贴合膜、高速公路噪声屏障、建筑板材、充气结构产 品和柔性灯箱布及遮阳篷布等。4 。 1 5 热塑性纬编针织物复合材料研究中存在的问题 目前，热塑性纬编针织物复合材料力学性能还没有进行很深入的 研究。深入研究影响纬编针织物复合材料力学性能的因素；针对普遍 意义上的针织结构增强材料，建立合适的理论模型：定量地表征针织 结构增强材料的力学性能；预测热塑性针织物复合材料的力学性能将 成为针织学科研究人员的崭新课题。 并且在研究纬编针织物复合材料的力学性能中，大多数研究的是 复合材料的破坏应力，而对复合材料的许用应力没有进行一个深入的 研究。并且目前没有找到一个合适的方法来进行研究复合材料的许用 应力，这影响了热塑性纬编针织物复合材料在实际中的应用。 第二节本课题研究的意义、内容和方法 2 1 本课题的研究意义 目前，与其它纺织品复合材料，包括经编复合材料相比，幽内对 纬编针织物复合材料的研究比较少。即使研究了一些纬编针织物复合 材料，但绝大多数都是以刚性基体复合材料为主。这都和i 玉| 外的研究 水平有很大的差距。并且纬编针织物柔性复合材料的加 i 、组织结构 的选择、增强材料和基体材料的混合比、热塑性纬编针织物复合材料 的纵横向拉伸性能和顶破性能在国内研究的更少。开展这方面的研究 很迫切，并且这方面的研究可以为热塑性纬编钊织物复合材料的设计、 热型r 纬编钟织物复合村料的制番和力学性能研究 牛产及应用提供理论依据和试验指导。 2 2 本课题的研究内容和方法 2 2 1 热塑性针织物复合材料的制备过程 ( 1 ) 选材：在本课题中，选用了玻璃纤维无捻纱作为增强体，丙纶 无捻纱作为基体，将这两种纱线混并而成作为针织原料。选择了三种 混合比的玻纤，丙纶并纤纱作为制备复合材料的原料。 ( 2 ) 热塑性针织物复合材料的组织：选用平针、罗纹、罗纹空气层、 罗纹半空气层、满针罗纹，1 种组织。考察了各种组织的结构参数，探 讨各种组织对复合材料力学性能的影响。 ( 3 ) 探索了针织物复合材料的可编织性能。研究了组织结构、弯纱 深度、给纱张力、牵拉张力对玻纤丙纶并纤纱针织物可编性的影l l ! l 。 2 2 2 热塑性针织物复合材料的成型过程 ( 1 ) 成型工艺：本课题选用了混纤法制备复合材料预制件。 ( 2 ) 成型方法：热压成型法。 ( 3 ) 成型参数：探讨了热压成型压强、预热温度、预热时间、热压 温度、热压保持时间以及冷却方式对复合材料力学性能的影响。 2 2 3 热塑性纬编针织物复合材料的力学性能测试与分析 ( 1 ) 拉伸性能，拉伸性能中包括了横向和纵向拉伸性能。通过试验 比较了各种材料以及同一种针织物复合材料的纵向与横向在应力应变 曲线、弹性模量、断裂强度以及拉伸断裂形式的差异。并分析了产生 差异的原因。 ( 2 ) 顶破性能，包括针织物的硕破和复合材科的顶破，探讨了顶破 机理。利用多元线性回归的方法对复合材料的顶破强力因素进行了分 析，得到了顶破强力多元线性回归方程。 第二二章纱线性能发纬编针织物编织t 艺 第二章纱线性能及纬编针织物编织工艺 为了提高纺织结构复合材料的力学性能，通常采用高强度高模量 的纤维作为增强材料。玻璃纤维由于其价格低廉，得到了“泛的应用。 本课题选择了玻璃纤维作为复合材料的增强体。 玻璃纤维的脆性较大，加捻过程对玻璃纤维有一定的损伤。为了 尽可能使玻璃纤维的力学性能不受到损伤，从而提高复合材料的力学 性能，本课题选用了玻纤丙纶无捻并纤纱作为针织原料。 本章着重介绍了玻纤丙纶并纤纱的性能和用玻纤丙纶并纤纱编 织针织物的工艺。 第一节玻璃纤维及纱线的性能 1 1 玻璃纤维的性质 i 1 1 玻璃纤维的一般组成 玻璃的主要成分是二氧化硅以及钠与钾等的一价氧化物，钡等碱 金属的二价氧化物，铝的三价氧化物等。玻璃是由二氧化硅的四面体 组成的三维网络结构，网络间的间隙由钠离子填充，每一个四面体均 由一个硅原子与其周围的氧原予形成离子键，而不是直接联到网络结 构上。玻璃纤维是玻璃经熔融后以极快的速度抽丝而成，玻璃纤维外 观为光滑圆柱体，横截面近于圆形。 1 1 2 玻璃纤维的分类 常用的玻璃纤维有c 玻璃纤维，e 玻璃纤维，s 玻璃纤维，g 2 0 玻璃纤维等。由于e 玻璃纤维的优良性能”1 ，本课题选择了e 玻璃 纤维无捻纱。 1 2 玻璃纤维无捻纱的性能 玻璃纤维脆性较大，加捻的过程中对玻璃纤维有一定的损伤。本 课题选用了玻璃纤维无捻纱与丙纶无捻纱并成的纱线作为针织原料。 热型性纬编针织物复合材料的制备和力学性能l i f f 究 这利tj 袅料制备的复合材料中基体材料和增强材料混台比较均匀。 为了比较玻璃纤维纱线与棉、涤纶和腈纶等常规纱线的力学性能 差异，利用h d 0 2 1 型电子单纱仪，分别测试了它们的拉伸强度和断裂 伸长率。利用万能材刳试验机得到玻璃纤维的拉伸应力一应变曲线( 图 2 1 ) 。 本课题中的玻璃纤维纱线的拉伸强度测试是根据g b t 7 6 9 0 3 2 0 0 1 ，在等速伸长型仪器上拉伸。作者选择了在纱线拉伸仪 和力能材料试验机上进行等速拉伸。在纱线拉仲仪上进行测试时，夹 头内衬布以保护纱线，以免纱线在夹头中断裂，其速度是2 0 0 m m m i n ， 测得的纱线的断裂强度和断裂伸长率如表2 1 所示。在万能材料试验 机上进行玻璃纤维的拉伸试验时，用的是一种专门的纱线夹头，可以 定向并保护纱线。万能材料试验机上测得的纱线的拉伸曲线如图2 1 所示。 从表2 1 中可以看出，相对于其他的纺织纱线，玻璃纤维纱线的 比强度较大、断裂仲长率比较小，特别是比丙纶纱线的断裂伸长率小 很多。此外单根和两根玻璃纤维无捻纱相比，前者的比强度大。这是 由于在拉伸的过程中，玻璃纤维股线并不能够完全同时承担负荷，从 而使玻璃纤维股线的比强度略小于单根玻璃纱线。 表2 1几种纱线的力学性能比较 细度强力比强度断裂伸长率 纱线种类 ( t e x )( n )( c n t e x )( ) 单根玻璃纱线 3 31 9 1 l5 7 9 l2 4 两根玻璃股纱 6 63 5 2 65 3 4 22 3 玻纤国标值 3 415 5 54 5 7 43 6 5 丙纶3 39 5 62 8 9 82 6 0 8 腈纶纱 1 8 4l7 7 49 6 4 2 6 4 涤纶长丝6 52 1 1 6 43 2 5 61 8 2 毛纱3 64 7 6 41 3 2 4 1 l ，9 8 棉纱3 23 4 8 1l o 8 85 5 2 此外在f a s t 一2 织物弯曲刚度仪上采用间接的方法实测了本课题所 用的玻纤n 纶并纤纱的弯曲刚度，并和其他学者所研究的不同纱线的 第一章纱线忡能_ ；6 乏纬编针织物编织工艺 1 l 弯曲刚度进行比较2 0 1 ( 见表2 2 ) ， 大。m - j 二玻璃纤维摩擦系数较火、 际编织过程1 1 ，困难较多。 可以知道玻璃纤维的抗弯刚度比较 容易折断并且耐摩擦性能差，在实 表2 - 2儿种纱线的弯曲刚度比较 比弯曲刚度 纱线种类细度( r e x ) ( c n m 2 t e x ) 中捻玻璃纤维纱线 1 5 00 0 6 7 8 棉纱 5 8 80 0 0 9 1 8 腈纶纱线 5 8 8o ，0 1 4 l 涤纶汝丝6 2 6o ，0 】2 5 2x3 3 r e x 玻纤+ 3 3 r e x 丙纶9 90 0 5 3 2 x 3 3 t e x 玻纤+ 1 6 00 0 4 8 2 x 3 3 丙纶长丝+ 2 8 r e x 丙纶长丝 2 3 3 r e x 玻纤+ 3 x 3 3 r e x 丙纶长丝1 6 50 0 4 6 2 3 3 r e x 玻纤+ 4 3 3c e x 丙纶长丝1 9 80 ，0 3 9 霄 邑 r 型 图2 1 玻璃纤维无捻纱拉伸威力一应变曲线图 由图2 一l 可知，玻璃纤维无捻纱的应力应变曲线实际是一种线性 的曲线，其拉仲断裂伸长率较小，大约是2 3 左右。 热塑性纬编针织物复台材料的制备和力学性能研究 1 3 丙纶纱线的性能 下表2 - 3 是实测的丙纶纱线的性能以及其他人研究的结果 表2 3丙纶的综合性能 i项目革能指标 j比重 g c m 3 o 9 1 l拉伸强度 m p a2 8 ，s 9 f伸长率( 断裂) 2 7 4 6 【拉伸弹性模量g p a ! 。9 2 6 8 l热变形温度( 1 8 6 m p a ) “” 5 6 6 7 1 4 玻纤丙纶并纤纱的并纱过程及 生毖 1 4 1 玻纤丙纶并纤纱的并纱过程 玻纤，丙纶并纤纱是在玻璃纤维粗纱机上并纱而成的。并纱的过程 如下： ( 1 ) 并纱前准备，准备玻璃纤维纱线和丙纶纱线的单纱筒和并纤纱 的空筒。 ( 2 ) 将玻璃纤维无捻纱和丙纶无捻纱平行的引入粗纱机上，并纱得 到玻纤丙纶并纤纱。 在并纱的过程中要注意无捻纱的张力是否符合工艺要求，筒子是否 摆正。 1 4 2 玻纤n 纶并纤纱的性能 本课题选用玻纤维，丙纶并纤纱的具体规格如表2 - 4 所示。 表2 4玻纤n 纶并纤纱规格 纱线玻璃纤维单玻璃纱线丙纶纱线规格 种类 纤直径( g - m )规格( t e x ) ( t e x ) a93 3 e x 23 3 t e x x4 b93 3r e x 23 3 t e x x3 c93 3 t e x x 23 3 2 t e k + 2 8 t e x 本课题利用玻纤丙纶并纤纱制各复合材料，下面介绍了玻纤丙纶 并纤纱的各种性能，以科予以后分析这种纱线对复合材料的酃备及力 学性能的影响。 第二章纱线性能发纬编针纵物编织工艺 1 4 2 1 玻纤丙纶并纤纱的力学性能 玻璃纤维的摩擦系数比较人，作者在纱线摩擦仪上测量了各种玻 纤丙纶并纤纱的摩擦系数。并且与其它纱线做了比较，实测结果如下 表2 - 5 所示。 表2 - 5儿种纱线的动态摩擦性能 比强度断裂伸动态摩 纱线种类规格细度( t e x ) ( c n t e x )长率( )擦系数 2 3 3 t e x 无捻玻纤纱 a0 4 5 + 4 x3 3 t e x 丙纶长丝 2 3 3 t e x 无捻玻纤纱 b0 4 7 + 3 x3 3 t e x 丙纶长丝 2 3 3 t e x 无捻玻纤纱+ co 4 8 2 3 3 t e x + 2 8 t e x 丙纶长丝 2 x 3 3 t e x 无捻玻纤纱 do 5 8 + 3 3 t e x 丙纶长丝 低捻玻璃 5 03 9 3 82 90 6 纤维纱线 中捻玻璃 1 5 05 0 4 52 2 0 4 5 纤维股线 棉纱 1 8 21 2 2 44 5 o 2 涤纶长丝1 6 73 1 5 317 8o 3 8 腈纶 7 5l o 8 52 7 4 o 1 2 从表2 5 可知，玻纤丙纶并纤纱的摩擦系数随着丙纶含量的不同 而0 i 同。由试验可以发现，当玻纤丙纶并纤纱中玻纤含量较多，摩擦 系数比较大；当玻纤含量较低，摩擦系数比较小。整体来说，含有玻 璃纤维的纱线和其它普通的针织纱相比较，前者的摩擦系数大。这也 是利用玻纤n 纶并纤纱生产纬编针织物容易出现编织困难的原因。 此外由上表2 2 可知，玻纤丙纶并纤纱的弯曲刚度没有纯玻璃纤 维纱线的弯曲刚度大，却要比其它普通纱线的弯曲刚度大很多。在横 机上利用玻纤丙纶并纤纱编织针织物的时候，易于出现成圈困难的情 况。 在纱线的拉伸过程中，玻璃纤维纱线和丙纶纱线的断裂伸长率相 差很大，因此会出现如图2 2 所示的典型的玻纤丙纶并纤纱应力应变 曲线。 热塑性纬编针织物复材料的制备和力学性能研究 压矍c * ) 阁2 - 2 典型的玻纤丙纶并纤纱的应力一应变曲线 如图2 - 2 所示，在刚开始拉伸的时候，玻璃纤维纱线作为承载的 主体，曲线出现了第一峰值。随着应变的增加，纱线中玻璃纱线伸直， 同时丙纶纱线开始承担负荷。当玻璃纤维断裂之后，承载负荷降低， 丙纶作为承载= ：七体，当到达丙纶的拉伸强度时出现了第二峰值，然后 逐渐降低。 1 4 3 采用并纤纱制备热塑性复合材料存在的问题 目前，在采用并纤纱制备热塑性复合材料领域中主要存在如下几 个问题： ( 1 ) 并纤纱制备过程以及进一步的编织工艺过程易引起纤维损伤 并最终导致复合材料力学性能降低。 ( 2 ) 由于增强纤维和基体材料弯曲刚度和延伸性能等的不匹配 性，在不均匀力的作用下，如果不采取措施，并纤纱中的热塑性纤维 和增强纤维易于分离而影响复合材料的性能。 ( 3 ) 成本相对较高。 第。一章纱线性能发纬编针织物编织t 艺1 5 ( 4 ) 真正达到水平分散的高质量并纤纱很难制备。 玻纤n 纶并纤纱存在以卜的问题，在利用玻纤丙纶并纤纱作为原 利进行编织纬编针织物的时候需要注意很多问题，具体在第三节介绍。 第二节织物组织的设计和编织。眭能分析 玻纤，丙纶并纤纱弯曲刚度、摩擦系数比较大，并且本课题选用的 足无捻纱，容易出现编织困难的情况。作者试织了各种组织，其中， 编织集圈织物容易产生乱纱，编织畦编和半畦编组织比较困难。另外， 在实际的生产过程中，试织了罗纹衬纬组织。由于玻纤丙纶并纤纱的 摩擦系数大，在编织罗纹衬纬组织时，纱线回退比较困难，从而衬纬 的纱线凸现在织物的表面，使织物表面不平整。其中可以顺利编织的 组织有平针组织、1 + l 罗纹组织、罗纹空气层组织、满针罗纹组织、 罗纹半空气层组织。本课题选择了以上五种纬编针织物来研究组织结 构对复合材料力学性能的影响。这几种组织的线圈结构和编织图如图 2 - 3 至2 7 所示。 2 1 平针组织 平针组织是针织物结构中一个最基本的原组织，是由连续的单元 线圈穿套而成的。平针织物的纵横向延伸性都比较好，顺编织和逆编 移 方向都易脱散。其线圈结构图和编织图如图2 3 所示。 2 2 1 + 1 罗纹组织 1 十1 罗纹组织是双面针织物的。种基本原组织。其线圈与编织图 如嗣2 - 4 所示。在不受外力的情况下，罗纹组织沉降弧弯曲比较大， 力图伸直，与织物平面的夹角比较大，因而使同一面的相邻线圈彼此 靠近。但当受到横向拉伸力的时候，沉降弧会朝拉伸力方向偏转，所 以该织物的横向延伸度比较好。 2 3 罗纹空气层组织 罗纹空气层组织又称为“米兰诺组织”。其线圈和编织图如图2 5 所示。个完全组织是由三路组成，两个平针组织线圈横列，一个罗 1 6 热塑性纬蝙针织物复合利料的制各和力学性能研究 纹组织线圈横列。在没有受力的情况下，平针组织线圈处于织物平面 内，而罗纹线圈与织物平面有一个角度。当受到横向拉伸的时候，不 会出现象1 + 1 罗纹组织的情况，因此该织物的横向延伸性比罗纹组织 的小，尺寸稳定性