（纺织工程专业论文）救生衣复合浮力材料研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

攮簧 摘要 本文总结了救垒衣殿其浮力材料的类型和特点，分析了引起纤维集合体浮力材料 救整农浮力授失鹃藤鬻，在藏繁础士，提出了采用多种材料复合以改迸救生衣浮力材 餐往艟瓣浚诗愚路，壤论势轿了纤雅集合俸的辩永舔与谇秘质萤、纾绒宣径、纤维密 度、表嚣张秀叛及接皴燕熬关系，褥窭挺承野维翁瓣承疆高度毽论上等予与其接触捅 置羚懿潦窳瞧终绦懿纛缎瘫发，终缭案食钵煞辩农嚣与豢金俸麓密度、衰西张力获爱 接触角戏正魄，与纾缀壹襁、野缎寮发墨集会蒋密凌鹣麓僮袋爱爨；掺鑫了救生表浮 力誊| 料憋选择原则，转葵了浮力毒砉料褒终维寮堆较馕况下，不搜农避入斡魏径窝绛壤 嶷径婀选铎越围，为救生农浮力材料的优化设计提供7 理谂依据。 纯术棉填充救生农具霄不i | 对压缩的缺点。本课题采用两种不同的方式米改蛰纯本 稀浮力材料躺不足；一是采用蕨有良好阐弹性的三维器腑中空涤纶纤维与术棉纤维混 梳、：楚采羯祗薅煮融绪纤维与术稀混梳并加热牯合成絮；通过模撷实际使用状态测 试了三维卷藏串窘涤魏，本褊、低熔点纤维，术稀的嚣缩彀能、浮力倍数( 浮力材料单 挺蘩囊下爨浮力蹙 、浮力攒失率簿谬徐救擞表浮力耱料性裁鹩指标并与绝木稀材稀 逡嚣了魄较，溅试缝暴表爨：影稳纾缝集会棼浮力耪料浮力馁鹱熬医素有繁台钵戆体 积鹱爨、纤维熬窘譬秘缨燮等，其枣髂辍震羹黠浮杰失，j 、影晌最大，簸嶷会俸体积豢 鬃的增挑，浮力穆数量指数娩镎下降，浮力损失攀则线髅减少，在浮力损失率不超越 5 的前提条传下，浮力材料集含俸体积质爨取0 0 3 9 c m 3 时浮力傣数较大。本槔，三 维卷曲率宅涤纶瀹梳时，选用纲度为6 6 7 d t e x 的涤纶纤维且含量为9 时，综台性嫩 较好；经熟熔粘绪憝瓒过瀚术棉t 低熔点纤维复台浮力材料具有较为稳定的结构。同 群体拣痰嚣下，疆诋熔点纤维含量静增加，体积难缩率减少，抗压缩髋能捻高，浮力 绥数先增鸯珏瑟减少，襻力按失率先减少麓瓒魏。低熔点纤维含璧在9 左右时，浮力 绥数最大，漤力搂失举最，l 、，稳露戴缝本褥集合俸浮力戆娆寄鞠嚣提菇，并豆这时蓠 耱方式露褥翡浮力材料餐爨缝本橡瓣糕焚骞菱大翡浮力。 鲻强泡沫塑搴喜其鸯嶷好熬浮力保持矬，缳霉壤交撄惑等感较差。本交尝试了鞋羚 戡泡沫塑料律先生体浮力拱料+ 恧以一薄屡 l l 孔泡沫塑料作梵包覆材料截娥驰好孑日 闭孔泡沫塑料复合浮力材料，结果袭明，开孔和 l l 孑l 泡沫塑料复台材 ； 的浮力大小髓 歼孔泡沫塑料密度盼蹭加而减少。低密璇的汗孔泡沫迥料来复合时浮力损失率很大， 凝合菇往能翡鼹援尚；瞥通聚醚篷聚氯酪开孔泡沫塑料比软质开孔泡沫塑料更适合作 为浮廊材料整瘸；p e 掰托泡沫燮科秘：e v a 泡沫塑料和汗孔泡沫擅科复台时浮力螫大。 势显舞魏泡沫整瓣瓣簿度对复合耪辩静浮力榷能没有褥显酌影响，最主瑟的是这种复 合薅系在苓躐痧浮秀嫠数豹基旗主，弱驻改蕃了簪惑。 攘囊 关键词：救生农，浮力材瓣，本褊，三维豢魏涤缭，低熔点纤维，溆沫塑料 a b s l r a c t s t u d yo nc o m p o s i t eb u o y a n c y m a t e r i a l so fl i 捌a c k e t a b s t r a c t t h e a r t i c l es u m m a r i z e s t h e t y p e s a n dc h a r a c t e r i s t i c so f l i 躅a c k c t s a n dt h e i rb u o y a n c ym a t e r i a l s ，a n a l y z e st h ec a u s eo fb u o y a n c yl o s s ，a n dc o m p o u n d e s d i f f e r e n tp o s s i b l eb u o y a n c ym a t e r i a l st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so fb u o y a n c ym a t e r i a l s t h ea r t i c l ea l s ot h e o r e t i c a l l ya n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rp r e s s u r er e s i s t a n c e a n db u l kd e n s i t y , f i b e rd i a m e t e r , d e n s i t y , s u r f a c et e n s i o na sw e l la sc o n t a c ta n g l e ，a n d c a l c u l a r c st h es c o p eo fp o r e sa n df i b e rd i a m e t e rt h a tw a t e rw i l ln o te n t e ri n t ot h ec o m p a c t a r r a n g ef i b r o u sa s s e m b l y 瓢f e j a c k e t 、砘斑k a p o k a st h eb u o y a n c ym a 绝r i a lc a nn o tr e s i s tt h el o n gt i m e c o m p r e s s i o n t h e r ea r et w od i f f e r e n tm e t h o d sp r o v i d e di n t h ep a p e rt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fk a p o km a t e r i a l ：o n ei st om i xa n dc a r dt h r e ed i m e n s i o n a lc r i m ph o l l o w p o l y e s t e rf i b e rw i t hg o o de l a s t i c i t yw 氇k a p o k ；t h eo t h e ri st om i xt h e r m o - b o n d e dp p - p e t f i b e ra n dk a p o ka n dh e a tt h e mu p t h e nt h ep a p e rt e s t st h ec o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e ， b u o y a n c ym u l t i p l ea n dt h er a t i oo fb u o y a n c yl o s so ft h et w om a t e r i a l sb ys i m d a t i n gt h e a c t u a lc o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h eb u o y a n c ym u l t i p l eo ft h ec o m p o s i t eb u o y a n c y m a t e r i a l si sh i g h e s ta to 0 3 9 c m ju n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h e yh a v el o w e rt h a n5 b u o y a n c yl o s sr a t i o ；t h ew h o l ep e r f o r m a n c e so fk a p o k t h r e e - d i m e n s i o n a lc r i m ph o l l o w f i b e rc o m p o s i t eb u o y a n c ym a t e r i a la r ct h eb e s tw h e n9 t h r e e d i m e n s i o n a lc r i m ph o l l o w p o l y e s t e rf i b e r sw i t ht h ef i n e n e s so f6 6 7 d t e xa r em i x e dw i t hk a p o k ；t h ep e r f o r m a n c e so f k a p o k t h e r m o - b o n d e df i b e r sc o m p o s i t eb u o y a n c ym a t e r i a la r et h eb e s tw h e nt h em i x i n g c o n t e n to ft h e r m o b o n d e df i b e ri s9 ：a n dt h eb u o y a n c ym u l t i p l e so ft h e s et w of i b r o u s a s s e m b l e sa r eh i g h e rt h a nt h a to f t h ek a p o kb u o y a n c ym a t e r i a l 。 t h eh a n d l eo ft h eu o i - c e l l u l a rp l a s t i cw i t hg o o db u o y a n c ym a i n t e n a n c ew i l lg e tw o r s e w h e nt h em a t e r i a lg e t st h i c k e r t op a p e rd e v e l o p san e wc o m p o s i t em a m r i a l 弼攮 o p e n - p o r ef o a mi n s i d ea n dc l o s e - p o r ef o a mo u t e ri m p r o v e st h eh a n d l eo fu n i - c e l l u l a r p l a s t i cw i t h o ml o w e r i n gb u o y a n c ym u l t i p l e k e yw o r & ：l i f e j a c k e t , b u o y a n c ym a t e r i a l ， p o l y e s t e rf i b e r , l o wm e l tf i b e r , c e l l u l a r p l a s t i c m 符号总表 符号总表 意义 纤维间孔隙截面积 纤维间孔隙周长 相邻纤维平均中心距对纤维平均直径之比 当量直径 纤维的直径 重力加速度 集合体入水深度 水压 弯曲液面附加压力 水力半径( 即孔洞的当量半径) 水的表面张力 纤维与水的接触角 集合体的体积质量 纤维的密度 集合体的孔隙率 集合体中纤维部分与纤维间空隙的比值 水的密度 v i 单位 um 2 u m m m 屉 m 恤 咖 ，皿 ， m m嚣：n羔。耐耐蚧 厶口 符a b q 以 办 g 乓暑只 ，口占占 巾所 1 绪论 1 i 救生衣的种类及特点 1 绪论 救生农俸茭一耪令体敦玺装冬，是各静本土疆动必餐懿陵妒露瑟，广泛疲尾予澹 业、水上邋输业、水上遮动、水上作业、抢险救灾等方面，是军警和执法人员执行水 上任务薅最基本鹣防护装备。 救生农根据其用途、结构和浮力材料的不同农多种分类方法i 啦】，按照耀途可分 为军用救受衣和民用救生衣；拔其结构分类有背心式、套头式、轭式、连身式、腋下 式等；按照提供浮力戆材料移方式来划分，救生表骞圭要绞靠藏永轻矮榜辩提供浮力 的填充式固有浮力救生农、依靠在救生衣内外形成膨胀室、气袋或气巍提供浮力的气 联式救生衣、醚及由疏承轻爱搴| 瓣弱气囊共弱鬟傲浮力的复合袋救生农。 固有浮力式救生衣的浮力源于能提供较大浮力的填充材料。常用的填充材料有软 木、术棉等天然幸雩料和各种闭礼泡沫耀料，它们容易制成适体的预制件，且能提供相 当商的浮力；不怒之处怒固有体积较大，存放不方便。本撼集合体填充救生农长时超 存储和使用会引越体积缩小，浮力下降，危及穿着人员的人身安全。泡沫塑料填充的 救生友穿蘩瓣骞芋感过硬戆获熹，不便于下蹲、整体等潘凌，使缀多入特剐怒在要妖 时间穷用、水上运动等威该穿救生衣的场合不愿意穿着，且长时间存放后存在泡沫鞭 辩老纯现象。 气胀式救生农采用具有良好气密性的复膜织物露g 成气囊，缎充气泉提供浮力。朱 充气时气囊体积檄小，冀量轻，便于携带，适合用于空间狭小的使用场所，如航空用 救生农均必此类。填充煞气俸一般是c 0 2 、n 2 或空气，其孛c o z 气抟霆荧秃毒、苓 易燃凰易存储、易液化而成为酋选。似气胀掰：救生农有一个致命的弱点，就魑当气囊 破裂绶嚣气靖，浮力会瓣蠢丧失，使傈险系数大大降低；置这种救生衣价格较赛，不 易推广使用。 复合式救生袭兼其阐有浮力式救生衣和气胀式救生农的优点，以固有浮力材料掇 供基本的浮力，以气囊_ j | 乏增加极动浮力，一宠程度减少7 救生衣浆体羧，避免7 气囊 破裂后造成的浮力全部丧失的情况，掩高了安全性能。但该救生寝也同时兼具两者的 鲮患，不蟋嚣孛爨鸯一定熬体积，萎气囊漏气豹危陵依然存在。 墨种不间类型的救生衣各有其优缺点，适用于不同的场合。通常，泡沫塑料填充 豹救生衣多用于承上或举边作娩( 如船用救难衣) ，木棉填充的救生衣多用予海军， 面外翠特种部队救生衣多采用气囊式，复合式救生农则在海军戴艇上大蠢采蹋。 禚特定的使用场合，如对予渡海登陆作战救生农。使用时需瑟承受携行具更多的 l 缝论 璧爨，同时要求高的安全性，因此改善和提高固有浮力材料的性能成为急切的嚣求。 1 2 救生衣浮力材料的种类及性能 救生衣用以提供浮力的糖精应具有斌辍拒求的特熙，共有两大炎：一是气囊， 楚潮有浮力毒| 籽。 1 2 1 气囊材料及性能要求 气囊蠹气密链覆辩制袋密溺囊螽充气澎成。气囊爨气袋式救生农海辇渡来发搬了 很大的变化口】。+ 制作气囊的气密性面料由涂胶布发展剿了聚氨酯锦纶复合气密性面 料，气囊个数由单囊发展到取囊、三囊和多囊，提高了使用的安全性。内充气体有 c 0 2 、n 2 、叠爨德会兹、空气镰。 a 气密性瑟料 救生衣用气密性面料应不透气、具有较高的粘台或热合强力、较小的平方米党煎、 芋感累软、较邋的拉律断裂强力 鬟及耐老化性缝、劳典蠢良好的耐海承色牢度。 气密往西籽静发展一关缀掰了三个除段：天然蔽一稀涂层布时期，丁基橡胶、氯 化丁基橡胶一锦纶涂层布时期以及现在的聚氯酯一锦纶复合布时期【3 】。前两个阶段的 气密性面料气密性和耐老化性都不够理想，丽料厚重，盥救生衣制作时都是手工贴仑， 垒产效率较秀低下。氆纪8 0 年代，热熬往聚氨貉褥辍广泛瘟霜耧发震，矮它黛产 的复合布不需要硫化，胶膜含量低，采用商频或超声波热封，工艺简单，可以实现自 动化生产并改善嫩产条件，鼠用其生产的聚氨酯气密性颇料具有良好的性能，表1 1 是溪产聚氨醚气密蛙嚣拳季熬童要性髓指标f 驰。 表1 1璃产聚氨酯气密性面料的轰要性能指标 b 内充气体 内充气体一般通过口充气提供的空气或通过附属气瓶内的压缩气体气源经过簪 动蕊囊动豹掇城装藿释放褥裂。终兔救生蔽嫠霭戆气瀛，要求安全、溅毒、不燃，霹 快速膨胀，一般漱度条件下有照好的可压缩性能，在使用温度范围内雁力波动小，熏 量辍，价格便宜a 表1 2 列出了在常温常聪下产生0 s i n 3 气体的常见气体经压缩后的 2 1 绪论 重嶷、体积和2 l 下的压缩眶强等技术参数【3 j 。可以看出，在常温常压下产生同样体 积靛气转掰蔫懿篷缩麓俸孛，丁烷、氯擎靛、鬈不烯、氟季l | 黪2 2 爨磐獒嚣强较l 蕊， 但t 烷、氯甲烷、氯乙烯均易燃易爆；氯己烯和氟利昂2 2 有海，均不适合于救生农 使裙；z 。烷虽然w 醴这蓟很低的体积和 畏辍的重蠹，毽乙烷极易燃烧；二戴诧碳虽然 器娶较巍的压缩压强，对容器的耐暇强度有比较离的要求，但满足安全、无毒、不燃 的攫求，体积和重量魄较小，且二飘化碳来源丰寓、价格便宜。有研究者尝试用鬟氮 纯会垮皴产生囊【气豹源，缀整氮鬏：会携毒劂毒，劳震鬟毒类缎与电雷警瓣发必零| 爆 启动装置，且压缩氮气成本高，压强高，般不用。 表1 2 常雳箍缩气体耱投零参数及褶关往蔻 1 2 2 固有浮力材料的种类及性能要求 a 固有浮力材料性能要求 翼寿浮力耪辩蔽纛楗辩内部或耪料之瓣戆孔溅嚣获褥较轻熬密度，使褥英撵开拳 的道量远远大于自身熏量而提供浮力。和气囊相比，固有浮力材料具有适体、易于成 形、静囊玻攒蜃浮力授失，j 、安全w 靠的优点。麓宥浮力材料豹基本往能特点是： ( 1 ) 有较小的密度，或者具有商的含气量，来源于材料内部或材料之间嵩的孔涨 率，以达誉4 较高的单位质量浮力。 ( 2 ) 糖水、魏淀不吸承、耪秘玻援爱不等致大量渗水。熙材辩豹吸承建缝及2 4 k 后的浮力损失率来评价。 ( 3 ) 逶当鹣篷缩嚣度稻良好静舔缩舜後恢复率、较静静抗挤莲怪随、歪缩后静浮 力损失率小。用材料的压缩率、压缩弹性恢复率、压缩后的浮力损失枣来评价。 此外为了适应实际使用环境酶要求，眈如不同温度下的海域，救生衣的固有浮 力材辩还必器具霄良姆舶嚣域适应技，特别是对人工会成材料如泡游塑料，要求其 有： ( 1 ) 爨鲟酶纯学稳定性：穰蕹g b 4 3 0 3 1 9 8 4 籍弼工传教生衣标准掰稻舔毪 l 绪论 型泡沫塑料的测试方法的规定，要求2 3 2 时，在2 0 的硫酸水溶液、4 5 苛性钠 泰溶滚蠢3 瓣氯纯镳零溶渡孛努翔浚逛篮殛取溅器，试弹必寸应无交缳戮 ( 2 ) 良好的耐油性熊：在室温2 3 士2 时浸入紫油中2 4 h r 聪材料应无收缩、裂痕、 肿胀、溶解戚机械特性变化； ( 3 ) 嶷姆豹耐寒涅拣戆：在1 3 0 秘6 5 交替变纯匏遗度下凝测试l o 令锤珏嚣矮 观应没有翳殛膨胀、l | 5 c 缩、龟裂和发稿现象驿j ； 具有上述性能特征、用作救生农的固有浮力材料分为两大类：片状浮力材料和纤 维集合体浮力材料。片状浮力材料有软本、各类软质闲孔泡沫爨料；纤维集含体浮力 耱辩圭要露本稼纾缝、辍爱霹蕤弱其它轻震蕹永纾维，翅孛空纤维等。 早期使用的多为天然的纤维集合体浮力材料，如灯心草、芦苇等，此外，还有植 物韧皮纤维蒋。到二十馓纪四、五十芷f 代，人们升始研究木棉、香蒲( c a t t a i l ) 、玻 璃纾维等多耱纾缨集会俗捧秀浮力携辩瓣蛙1 l l 差舅，势涯实本稳纾维在单佼蒺璧下兵 有最大的浮力j 。随麓仓成纤维和含成高分子工娥的发展，入们把目光转向了泡沫 塑料，上世纪七十年代，总后军需装备研究所对比研究了木棉、棉花、晴纶纤维集合 体以及p v c 、p s 等泡沫材料的浮力行为，并在正戏装备部队瓣救生衣中选耀了本撼 雩# 兔浮力枣| 瓣。近二十年来，泡沫浮力材料褥弱了遮速发展，濑初麓使焉的p v c 、 p s 等硬质泡沫发展为p e 、e v a 、p v c 、n b r 改性e v a 等软质闭孔泡沫塑料溅橡塑 其混材料，而纤维集合体浮力材料的藏流依然为纯术棉纤维集念体。 疆袭会或纾维懿发璇，胃鞋人工设诗纾缝结构毅提供整翅懿瞧裁。摇巍枣空毫卷 曲度的合成纤维同时其脊质量轻和联缩弹性好的特点，这和浮力材料的要求是一致 的，从而使得改善木棉纤维集合体浮力材料性能成为可能。 b 露露浮力材辩羊孛类 ( i ) 软术 软木义称栓木，由栓皮栎树干生成的厚栓皮层缀采剥、干燥而制成，它的密度小 于水，吸滠性不大，在1 7 世纪被人们用傲巷作救生农的浮力材料，由于其来源广泛， 魏工巷l 终麓犟，髻 格霞嶷，嚣磊在当辩褥羁了广泛瓣应嚣，戮繁二次整赛夫蔽戮兹， 软木填充的救生衣一直占主导地位，假由于软木手感较硬、材威较脆，由软术填充的 救生衣穿着时不贴身、有时会擦伤皮肤，局部挤压时会折断，且软木填充使救生衣体 积大、笨鬟，不能鹱身携黪，著显舞逶瞧蔽差，爱寒逐激蔹其宅誊砉辩褒戴； ( 2 ) 术稀 木棉为锦葵日木棉科术棉属落叶火乔木，主要产地是东南亚、南亚、大洋洲等地 区i s l ，中国称本祷树为英雄树、攀枝藏，分布于华露她嚣戳及霹艇金沙江流域。本攘 纾维是本穗泶葵内辩整鹣纤维，本耩长稽霉形韵栗实在6 胃左蠢成熟看，裂戒5 瓣露 出洁白如绢的棉纤维，数目后种子随纤维飞散传播。采集时在果懿未裂开前摘取，剥 毒 l 绪避 出纤维。木棉纤维长1 3 3 c m 直径2 0 4 5 1 a n 纵向外观呈圆棱型，表面光滑，不 摄转曲：截筒为圆形或椭嘲形，中段较糖，根端钝圆，稍端较细，两端封闭，细胞中 瓷窒气。纾壤豹孛空菠毫遮8 0 9 0 ，缒壁薄，接遮透貉。截瑟缓骢酸襞基终维呈 翩带状 9 1 。无拖合性，松软而不易压实，常用作床垫、枕头和玩鼹等的填充物o 】，由 于木棉纤维猩细胞未破裂前呈气囊状封闭结构，具有q e 常高的中窝度，密度很小，纤 维本身可提供较大戆浮力；本撼纾维较细且表葱油鼹鸯塞裹，馒褥窳不易进入终续之 间的缝隙孔澜，故适合予髂隽救生衣、救生圈斡浮体材料使用。本棒的浮力可敬承载 自身重量2 0 3 6 倍的负荷而不下沉i 1 1 。但木棉纤维存在压缩弹性麓的缺陷，储存和 使用一段时悯以后纾维压崩和缍维闻的空隙率下降企导致浮力的熙著下降。我嗣原来 薅缝本穗壤炎翱褥懿海军救生袭在广畚等趣使用3 4 年，浮力簧遮下降约2 0 ：3 0 n ， 个别甚至下降4 0 n ，已经威胁到使用者的安全【i l l 。肖红【2 l 研究了在术棉中混入三维卷 曲中空涤纶以改善其压缩弹性恢复率的方法，表明对浮力保持有一定的作用，但直接 瀑会疆难去羧本穆枣戆杂矮，楚本糖麴靛毙褥不到充分数发挥，i 鲢：终，本穗终缎还存 在不耐海水、易霉烂，水谢有汽油、紫i 哇 时极易渗水簿致浮力迅遂下降、加工方式落 后以及浮力分布难以控制等问题【l 】。 ( 3 ) 泡沫耀料 现在诲多救生衣采震怒发泡穰率豹羯藐灌沫錾籽终为救生衣及其镪漂浮装鬟豹 浮体材料【l 刁，主要应用的品种有交联聚乙烯( p e ) 泡沫塑料【”l 、聚乙烯醋酸矗烯酯 ( e v a ) 泡沫爨料、改性聚裁乙烯( p v c ) 软质泡沫塑料等，聚乙烯泡沫塑料具肖细小 壹肇匀豹翔琵缝棱特点，柔软，骧漫透滠秣小，密度小，篷缓强瘦戴，撬隶久交髟好， 暇承性小，剩穿或撕破后谯不易进水戴腐烂。并且价格便宜，是一种很好的浮力材料 1 4 1 。改性p v c 泡沫塑料筝感柔软，具脊优良的适体性，能抵抗化学物质、紫外线及 缳变，著且不吸水，弗是一种优良的热绝缘体，有良好的保温性，农国卦周量很大f 1 5 1 ， 瑷在使用酶裔a q u a f o a m 、c r o s s t e c h 圆、a i r e x 等产菇，毽国蠹淹处予试裁除段。忿终， 聚氨酯p u 、浆苯乙烯p s 镰泡沫塑料理论上也可应用于救生衣，但p u 价格较赞且发 泡倍率偏低、密度过高；p s 较难制取软质泡沫塑料制品，故无实际应用；泡洙塑料 貔蘧臻澍度鞠莲缭弹毪虱笈率较难蓑矮，帮手感好、穿着努骚豹逡沫鳖籽，易凌瑗不 j 时压缩、变形量大、浮力下降显著的闯磁：而浮力稳定的泡沫塑料义出现手感过硬的 缺陷，导致推广困难。 1 绪论 常用的e v a 闭孔泡沫擞料浮体材料的主要物理性能见下袭1 6 i 。 寝2 常用e v a 闭孔泡沫塑料浮体材料物理性能 趱耢 袭蹑密度g c m 披伸强度 断裂伸长率 撕裂强度 吸水性 种类 m p a n e r a k g m 3 e v a 闭孔泡沫塑 0 0 3 83 0 0 3 0 0 l 。0萎0 0 3 5 料 ( 4 ) 其它材辩 1 ) 巾空纤维 i t l 中空纤维题横截匿沿轴晦具考空腔的化学野缎的褥称，是一势霪要瓣异形纾维， 宦通过不同的方式在纤维截面内沿轴向形成空腔从藤获荦譬不周于纾维本体的优良性 能：降低了纤维密度；空腔提供静止空气从而提简了保暖性：哟加了单位体积内的表 面积从而提高了纤维的蓬松性，一定程度上提高了纤维刚度和硬挺度；提高了纤维的 抗弯饿能和耐磨性能。舆有三维卷曲的中空涤纶纤维其有良好的膨松性和弹性使其成 为优菠的填充材料，经过有机硅整理后将使纤维受光滑，尤其是多孑l 纤维，当纤维受 力时，孛空纤维各孑l 之蠲熬支撑结梅分撵压力，稻对院单犹结构有受高豹抗涯缩性和 壤壤鼹弹性，怒撬葱、疆袋、靠艇稻褰级较钵玩其等静理想填睾幸。赣逶涤纶纾维麓密 度为1 3 8 9 ，c 矗，当它的中空度达到2 8 以上畦，它的密发裁小于本的密度，瑗蠢酶 中空涤纶中空度很容易达到3 0 以上，具备了馋为浮力誊孝料的基本条件，戈其是具 有三维卷曲结构的中空纤维与其他纤维复合的集合体椒度更小，但与木槔相比密度还 魑要犬得多，它的这些性能使其具有作为救生农浮体材料韵潜质，有望与其他材料复 合以改进救生农的浮力性能。 2 ) 群孔滤沫塑料 舜琵终梅黪泡沫塑辩其窍更多懿魏隙，它其宥震轻、攒蠢强度离、黼热、隔音及 吸收 申毒簿憷点，爨蘸生产最多鳇舞强结构熬穗怒聚煞酯浇沫塑料，掌称为海绵，它 是以劈氯酸酯帮羟基化会物反成生成鲍食氨基甲黢繇链段豹炙基甲酸戆蹇聚耪为骧 料。采用预聚体法、半预聚体法藏一步法制成憎1 ，索用作坐整、汽车装修材料等， 其中聚醚型泡沫塑料的密度能低歪o 0 2 e , c m 3 左右，但熄它的孔隙较大容易被水渗透， 如果能防止液体的进入，它将提供相当大的浮力，成为优质的浮力材料。 闭孔泡沫塑料可以单独作为浮力材料使用，但国内生产的产品，在厚度大时考虑 毯缩弹性恢复率( 1 i i j 作为浮力材料时浮力保持性) 豹因索，手感较差的缺点无法克服， 聚醚蘩开魏泡沫望隼毒有释常低韵密度，毽托洞容荔进永，不能单独作为浮力材料使用， 把宅锻二豢复会，生产爨溉粪有瓣藐泡沫逛辩不渗承豹特点又其有较低密度酌浮力材 料成为可能。 6 一一! ! ! ! i ，。 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ * _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一一 l 。3 本课题的工l 乍内骞及磺交意义 目前，救生衣固有浮力材料基本上都是采用单一的术棉或闭孔泡沫塑料填充，对 雾种材料复合以改善性能的研究迸行的较少，现商的纯木棉集合体材料存在浮力保持 往差的缺点，雨闭孔泡沫塑料虽然其有较大的浮力，但是手感僵硬的缺点也特别明显。 本文在对备种浮力辛才料琵较分祈静藜磴主，拟采霜多羊中杳芎科复合酶方式改善填充材料 憋舒逶惶并镬救生友浮力孝葶料舆有曼大熬浮力和翌好鹃浮力舔持愁。 1 3 1 本课题的研究内容 ( 1 )理论分毒厅纤维集合 零浮力誊孝牲铃没鸯包覆榜糕对，纤维集合体孔黪尺寸瓣大 小和纤维囊径、体积质量的关系，并据此选择和设计浮力树料。 ( 2 ) 采用具有良好弹性回复率和较低密度的三维卷曲中空涤纶与木棉混和棱理成 片，模拟救生农的不同使用状态测试不同涤纶纤维含擞、不同涤纶细度以及不同 集合体质燕条件下浮力材料的浮力倍数( 浮力材料单艇重量下的浮力值) 和2 4 h r 浮力损失率的大小，并分析比较这些指标对浮力性能的影响。 ( 3 ) 使用低溶煮秸结纤维与术棉混和梳瑾成两，缎过熟熔粘结蕊做成絮片，并测 试这静复合奉孝耩静浮力性麓指稼。 k 一 k 7 ，x r 、 ，7 ：、一一f 、 f、j ，、f 1 i fj、 i ：一一一 一一一：1)i一六一一一ij 1 、匕蓦一7 一、匕斗 ( a ) ( b ) 图2 4 纤维密堆积状态截面图 将b = x d ：2 ，以= 2 r 以及( 2 3 ) ( 2 5 ) 式代入( 2 6 ) 得 算得d ，为 以= ( 以4 ) 办2 一( 万8 ) d ：2 协d ：2 ) = 当纤维堆积形式如图2 - 4 ( b ) 所示时 ，1 6 n y c o s 0 d ，2 函f 而鬲 1 6 7 0 c o s p d 2 再丽 4 y c o s 0 表2 - 2 纤维密堆砌时，耐水压高度与浮力材料允许纤维直径关系 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 0 1 0 2 o 3 0 4 0 5 0 6 2 0 1 1 0 1 o 6 7 0 5 0 0 4 0 o 7 5 o 3 8 o 2 5 0 1 9 o 1 5 1 0 0 2 5 0 1 3 3 4 2 5 l 2 0 0 3 7 6 1 8 8 1 2 5 0 9 4 0 7 5 1 1 5 7 5 7 9 3 8 6 2 8 9 2 _ 3 1 4 3 5 2 1 7 1 4 5 1 0 9 0 8 7 0 3 40 1 31 6 7 0 6 31 9 30 7 2 2 浮力材料理论研究 重 8 强 _ _ 口6 裂 女 2 a 水深( 1 1 1 ) 图2 5 三角形密堆积纤维直径与水深关系 0 102o304 05口6 水深( n a ) 图2 - 6 四边形密堆积纤维直径与水深关系 将不同的入水深度值和0 值代入方程分别得到三角形和四边形密堆积时纤维直 径的大小分布如表2 2 和图2 5 、图2 - 6 所示： 当纤维分开一定距离时，设相邻纤维平均中心距对纤维平均直径之比为c i e l ，这时孔洞的截面积为： 4 = ( ! s 4 ) d r 2 0 2 一( 石8 ) 办2 ( 2 一1 0 ) 按照同样的方法由式( 2 8 ) 得到纤维分开一定距离时允许纤维的最大直径嘭 办。 5 4 3 2 1 o (u点=；=_删转蕲 2 浮力材料理论研究 嘭2两1蕊6ncos口 ( 2 - 当纤维堆积形式如图( 2 - 4 b ) 所示并放松为四方堆积时，可得： 彬= 藩豸赫 沼z ， 可见，松散情况下选择的纤维直径要小于密堆积情况才能保证水不进入集合体内 部，由于集合体中纤维排列形式比较复杂，各处的密度也并不一致，因此理想情况下 纤维直径的计算只能提供选择浮力材料直径的大致范围，实际大小还需要考虑纤维的 排列方式、分布和集合体密度等因素。 2 3 纤维集合体体积密度与耐水压关系 纤维集合体密度大小直接影响孔洞的大小及分布，与浮力材料的性能密切相关， 人们经常使用孔洞缝隙空间的体积占多孔材料总体积的比例即孔隙率来描述孔洞的 状态，纤维集合体浮力材料孔洞的形式与文献【2 2 】分析的纤维直接成网的非织造布等产 品中各个层次孔洞的指标比较相似，可以据此推导出由纤维直接组成的织物中孔洞的 当量直径为： 以= ( d y 4 ) 占( 1 一g ) ( 2 - 1 3 ) 式中：以纤维间孔洞的当量直径； d ，一集合体中纤维的直径： 占集合体的孑l 隙率。 l 隙率又可以由下式表示： s = ( 一巧) ( 2 - 1 4 ) 式中：占，一纤维的密度： 占集合体的体积密度。 将( 2 - 1 4 ) 式代入( 2 1 3 ) 式得： 吐= ( 哆4 ) ( _ 一j ) 占 ( 2 - 1 5 ) 则水力半径： r = d 2 = ( 办8 ) ( 一万) 占 ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 6 ) 式代入( 2 - 3 ) 式得： 2 浮力材料理论研究 驴硬丽 由( 2 - 1 7 ) 式知，拒水性纤维集合体的耐水压高度与纤维的密度、 懿 搴稼矮量、表嚣张力、纾维与东酶接触莛鸯关，冀中： 8 ( 8 , - s ) = 4 ( s , - s ) - l = ( 1 一譬) 占一妒 式中：妒表示集合体中纤维部分与纤维闻空隙的比值。 ( 2 一1 7 ) 盥径、集合体 ( 2 1 8 ) p 趟大，表示纤维排列的越紧密，纤维问的空隙越小，耐水压越大。所以式( 2 1 7 ) 可写为 蔬：1 6 y ：c o s o ( 2 - 1 9 ) d f p i g 可见，掇东褴纤维集合俸的瓣承压嵩度与集台体中纤维部分和空隙部分眈俊成正 比、与表面张力以及接触角成正比，与纤维直径成反比。 2 4 小维 1 ) 握拳纾维筑耐求压毫凄理论上等予与其接魅囊互钤戆豢求整纾维懿毛缨赢瘦。 2 ) 耐水压高度与纤维密度、直径、纤维集合体体积质量、波面张力、接触角等因素 有关；它与集合体孛纾维部分和空豫部分晓值藏正琵、与表瑟张力以及接触角成芷跣， 与纤维直径成反比。 3 ) 当中空纤维制作救生衣浮力材料时，其中空部分j 氡径应不大于5 0 um ，且接触角 应在1 5 0 。左右。 4 ) 纤维集合体浮力材料的选择原则是：表面拒水、中空纤维如果是未封端的，中空 部分壹径摄攒接齄兔的不瓣，选撵范盈臻莲2 - 2 所示；纤维集合体静缝豫孔灞的大小 也应该限制在同样的范围内。 3 纤维集合体复合浮力材料性能研究 3 纤维集合体复合浮力材料性能研究 本檬纤终填兖救生衣舆有非拳褰熬浮力，但长对闻馒翅浮力损失缀大，主要原因 是本槔憋耐压缩性能较差，三维誉曲中空涤纶纤维具有较小的密度和优良的耐压性、 回弹性，且缝过拒水剂整理后纤维中空部分不会进水，能作为浮力材料的组成部分使 用，在试制术棉与三维卷曲中空涤纶复合材料的基础上，对其性能进行了探讨。 现有的压缩理论淡明，纤维集合体的压缩性能除了取决于纤维自身的弯曲和扭转 刚度外，集合体中纤维间的滑移、摩擦、纾维卷曲等特别是纤维间的淆移更是不可忽 视的西索 2 3 “j 。纤维间的淆移将导致纤维集合体静空阊结褥产耋| 三变形，纤维阉的捧 残敬态发生菠交，形成薪瓣纾维接糕点及集合钵空闼结橡，量变形矗翡集合体滩以回 到驻始状态，搜褥恢复性能不够理想。采用增掇并热固集合体中纾维接触点数方式可 以有效减少纤维之间的滑移，在小压强下能保持相对稳定的结构，使集合体具有更好 的抗压缩性能。为此，利用低熔点涤纶纤缎与木棉混合梳理并加热粘结制成絮片状的 复合浮力材料，并分析对浮力材料性能的彩响因素，为进一步优化设计提供指导。 3 1 实验材料、设备与样品制备 3 。l + 1 实验拱料 所用实验材料的品种和特征茹表3 。l 所示。 衰3 - 1 实验耪料晶釉与特征 品种 主要特征 木棉纤维 平均细度约2 o d t e x 、长度约2 5 r a m ，四川攀枝花产 三维卷燕中宅涤纶纾 l 瑚度为6 6 7 d t 。、长度为6 4 r a m , 单孔，中空度为3 3 ，有机硅整理 。 2 细度为8 8 7 d t e x 、长度6 4 m m 、单孔，中空度为3 4 3 。有机硅整理 3 细度为t 4 4 4 d t e x 、长度为6 4 c m 、单札，中空度为4 0 ，有机硅整理 彳氐熔点纤维 皮芯结构p p p e t 纤维，细波4 4 4 d t e x 、长度兔5 1 m m 、髂点1 4 0 。c 3 1 2 实验设备 绎维梳理设备：g u a m i c a r d ( s a b a d e l le s p a n a ) t j 、整梳毛极( 谣舞牙产) 、x f h 警小 积亳极( 青薅枣黢鸯锌织槐槭厂) ： 压缝试验用装置：i n s t r o n 5 5 6 5 电予强力枫，叁行残割豹基缨装嚣； 浮力测试仪：浮力检测量程0 - 2 0 0 n ；分辨零为o 1 n ( 总后军褥装餐研究取磺制) ： 3 终维集合体复食浮力树辩性能研究 镀镩铁筐：四面均布孔眼，尺寸1 0 l o x1 0 c m 3 ( 自制) 。 3 。1 , 3 实验设计 采用正交设计考察涤纶缩度、涤纶含量敬及集会体的体禚密度靖浮俸榜籽体积 压缩率和浮力倍数静影穗，然篱具体探讨各因素对三维卷蓝申空涤纶，本榻复合耱料 粒低熔点纤绦本攘复合撼鹋的影嚷援德。 a 。鹰缩实验 对三维卷曲中空涤纶术棉复合浮力材料，按照救生农使用时所承受的极限水压 为0 5 m 深压强，设计压缩试验羹压为5 k p a 。参考f z t0 1 0 5 1 1 1 9 9 8 和f z t 0 1 0 5 1 2 - 1 9 9 8 ，在i n s t r o n 5 5 6 5 电子强力机上采用定应力循环压缩测试，加载速度为 2 0 m r r d m i n ，雁头面积1 0 0 c m 2 ，试样面积1 5 c m 1 5 c m ，辍压为1 n ( 压强为o 1 k p a ) 、 藿压为5 0 n ( 藤强为5 k p a ) ，循环压缩4 次。鞠力e l ； o n 开始，至5 0 n ，然后豫复至l n ， 再跌1 n 攘压，徒复4 次。 对低熔点纾缎本檬复合浮力孝才秘，将一定覆量的绥缎集会钵放入糖水豹t p u 薄 膜袋中，使集合体上端在水西之下5 c m 处，放置2 4 h r ，通过浮力变化计算体积变化 得出体积压缩率，用以反映长时间压缩下的集合体的抗蠕变性能，并能更全面的反映 试样的耐压缩性能。 b 浮力测试实验 把同样质量的集合体材料鬣于镀锌铁筐中，下挂砝码懋接在浮力测试仪上，铁畿 上端面距离东西o 2 m ，计算材辩入水5 r n i n 锌后的浮力倍数鲠及2 4 h r 看静浮力倍数 及浮力损失率。纤维集合体浮力楗料冀鬻浮力交纯兹线魏盈3 + l 零3 - 2 疑示： t 10 一 芎 收 r 睦1 0 a 凡拳封阅s i 图3 - 1 入水5 m i n 浮力变化 6 3 纤继集合律复台浮力树辩性能研究 3 1 。4 谬徐攒标 堕3 - 2 入水2 4 h r 浮力变化 初压压缩搴( ) ：韧始厚度与第一次压缩后的厚度之蓑与树始嗲度的眈德。 终蓬嚣戆搴( 艇) ：软始浮度与第酒次压绫轰姻蓐震之蓑与褪热簿褒懿魄蕊。 压缩弹榷滚复率( ) ：拐始厚度与第瑟次蓬端恢餐后瀚j 攀藏之差与幸刀始簿廉与 籀耀次匿缨蕊浮度蓑熬# & 馕。 浮力绩数：浮力材料掰键供熬浮力丈，j 、与舞身墼鲎戆比蕊，秃量缨。其中：秘始 浮力倍数必入水5 r a i n 蕊濑褥麓；2 4 拇浮力蘩数免入7 k2 4 k 爱测餐斡。 浮力损失率( ) ：窀珂始浮力与2 4 h r 胼的浮力之差与初始浮力的比值。 3 i 。s 甏瑟魏裁簧 取不间规格的三维港黼中空涤纶纤维以不同的比例与术棉纤维瀹合。并猩小型和 琶祝上去除杂质并混合均匀，然盾在小型梳毛税上械理成片，制德不圊飙格不阁混眈 熬蘩凝集合俸试撑凳表3 。l 。鼗祗溶赢鞑臻涤绘纾缀帮本稳野缭叛不嚣琵餐溅台，羟 小瀣稀琵税开松薜满合端匀耨，在，j 、登梳亳祝上梳溅藏橙散紫片，然后夜1 6 0 蔚烘 籀中加热，馊羝熔点纾皴熔融著霞结本糠纤维，褥副袭3 2 所示鹣本棉群藩熔点纾缭复 合试验样菇。 3 纾蝗囊食体蔓台浮力材科性能研究 表3 一l 木棉涤纶不同混梳眈铡试验样品 样黼编号 涤纶蕊格每含鬣样品编号 涤纶撬格与宙釜 ：i t6 6 7 d t e x 6 4 c m 5 l l 莓 8 8 7 d t e x x 6 4 c m3 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 7 # 8 # 9 # 1 0 # 8 8 7 d t e x 6 4 c m5 1 2 #8 8 7 d t e x x 6 4 c m 6 1 44 4 d t e x 6 4 c m 5 6 6 7 d t e x 6 4 c m 1 0 8 8 7 d t e x 6 4 c m 1 0 1 4 4 4 d t e x 6 4 c m 1 0 6 6 7 d t e x 6 4 c m1 5 8 8 7 d t e x 6 4 c m1 5 1 4 4 4 d t e x x 6 4 c m 1 5 纯奉撼 1 3 # 1 4 并 1 5 # 1 6 # 1 7 辩 1 8 皇 1 9 群 2 0 # 8 8 7 d t e x 6 4 c m9 8 8 7 d t e x 6 4 c m1 2 8 8 7 d t e x 6 4 c m1 5 6 6 7 d t e xx6 4 c m 6 6 7 d t e x 6 4 c m 6 6 7 d t e x 6 4 c m 3 6 9 6 6 7 d t e x 6 4 c m 1 2 瓤 6 6 7 d t e x 6 4 c ml5 表3 - 2 本撼抵熔点纾缝复会试骏榉熬 搀撼缡号混援比铡榉是编号 混撬比铡 3 2 试验结策反分析 3 , 2 。1 本糖，孛窆涤纶瀑配复含浮匆拱糕悭戆 a 影响体积压缩率和浮力的因素分析 影响体积压缩率和浮力的因素主簧有集合体的体积质量、涤纶纤维的细魔和含 建。采堵正交设计漪方法分析涤纶纤维含量、涤纶纤维绍菠以及集合体翡体积霞量等 对浮力耱辩蠼髓影稳大，l 、。在鸯气密牲孝葶料色覆瓣条件下靛歪交设诗方案彝相痿测试 表3 - 3 涤绘本撼复合浮力材料歪交试验设计 ( 气密性t p u 材謇耳包覆，体积质量为o 0 3 9 c m 3 ) l566 7 21 08 。8 9 31 5 t 4 4 4 8 3 纾壤搀台律复合浮力静辩拣麓研究 蘧 12备指标的试验结果 ab 裙始浮力倍数 2 4 h r 浮力倍数 浮力损失章 1 ( 1 掌) l1 3 4 1 42 6 5 42 2 2 6 2 ( 2 # )12 3 4 5 32 6 5 32 3 1 7 3 ( 3s t ) l33 6 1 5 2 8 1 52 2 1 3 4 ( 4 # )23 4 5 22 8 1 2 1