（纺织工程专业论文）经编双轴向柔性复合材料性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

经编双轴向柔性复合材料性能研究 摘要 柔性复合材料作为一种新兴材料已经被广泛运用到城市建 筑、广告装饰、交通运输，家居生活等各个领域，发展前景相当 广阔。目前，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。经编双轴向织物对比机织物具有许多优点，由于衬经衬 纬纱在织物中几乎呈完全伸直状态，使得该织物的抗拉强力、弹 性模量较高，织物的悬垂性好，可设计性强，抗撕裂性能好，而 且生产成本低，经济性高，因此以经编双轴向织物作为增强结构 的复合材料比例日益增加，适用范围也逐渐拓宽。 在实际使用过程中，复合材料不可避免地会受到各种外力作 用，如拉伸，剪切，撕破等，因此材料的力学性能是进行织物设 计时需要考虑的重要指标。目前生产柔性复合材料主要有涂层法 和层压复合法，本文采用后者进行研制，并对复合后得到的材料 进行撕裂性能和界面间的粘结性能研究，针对目前层压产品存在 粘结性较差的问题，尝试采用等离子方法处理织物基布来进行改 善。 本文中采用了以涤纶高强丝作为原料的经编双轴向织物为 复合材料的基材，即增强体，利用热熔层压法将其与聚氯乙烯薄 膜复合。采用正交设计方法对撕裂和粘结性能的影响因素进行了 方差分析，发现温度和时间对两者的影响较大，而压力的影响较 小，其中温度是最重要的影响因素。 在进行撕裂性能分析时，我们首先分析了基布与复合成品性 能的变化差异，发现复合后材料的撕裂强力明显下降主要归因于 纱线集束程度下降。同时主要从织物方面分析影响因素，其中衬 经衬纬纱的细度和根数是影响撕裂强力的主要因素，并进行了二 元线性回归，希望可以对该类产品的生产设计有一定的参考意 义。另外衬经纱的衬入方式对撕裂性能也有一定的影响，文中还 引入撕裂时纱线的强力利用率来针对基材不同密度，经纬向差异 等进行深入分析。 针对复合材料的界面粘结性能，依据现有的一些界面理论对 各种加工方法得到的产品进行初步分析。从织物角度，包括改变 织物密度，织物结构等方面进行深入分析得到相应的一些结论。 通过对成品撕裂性能与粘结性能的研究还发现两者之间存在一 定的反比关系，在设计产品时需要综合考虑这两者。 本文试探性地采用等离子方法处理基材来改善复合材料的 界面粘结性能。从结果看来，该法对界面粘结性能有一定的改善， 主要是增加了表面的粗糙度，增加了机械嵌合力，同时等离子处 理还可以引入一定的活性基团或者极性基团，有利于界面间的相 互吸引力，增加吸附和扩散能力。而且采用等离子处理对机械强 力的损伤较小，只要控制好处理时间和强度就可以保证这一点。 影响处理效果的主要因素有处理时间，放电电压，强度以及放电 气体的种类。 本文所做的工作及得到的一些结论有助于加深对经编双轴 向柔性复合材料性能的进一步理解，对实际生产也具有一定的参 考价值。 关键词：经编双轴向织物，柔性复合材料，撕裂性能，界面粘结 性能，等离子处理 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 订 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： 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。所墨交的学位论文。是本人在导师的 指导f ，独立进行研究1 ：作所取得的成果。除文中己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：； j 砖 f 日期：。加中年，a 月尊二日 附件二： 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，同意学校保留井向国家 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。 学位论文作者签名 日期：妇w 年 月砧日 指导教师签名：而巳而 日期：2 旃f 工月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 柔性复合材料概述 复合材料通常是将高强度、高模量、脆性的增强材料和低强度、低模 量、韧性的基质材料经过一定的成型加工方法制成。从许多方面看，纤维增 强的聚合物复合材料是其中最为重要的一类。根据纺织纤维结构的不同，有 机织物、针织物、三维编织物以及非织造布之分【i 】；根据刚性大小的不同， 还可以将纤维复合材料分为两类：刚性复合材料和柔性复合材料。1 2 1 与刚性复合材料相比，柔性复合材料有较大的的变形范围，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的强度和刚度。因 此在应用中需要通过一些支撑结构对它施加预应力，才能使它获得一定剐 度以承受外力负载并形成所要求的空间形状。这些支撑可以是钢骨架，支柱 及钢索，或者是加压气体1 3 j 。新型柔性复合材料通常以涤纶或玻纤取代早期 的棉、麻等天然纤维做为基布原料，通过一定的织造方式( 机织、针织等) 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 ) 、 天然橡胶等材料为基质通过涂层、压延等加工方式制得。其力学特性主要 由内部基材织物决定，物理特性主要由外部涂层决定。 4 1 总体上具有很好 的机械、力学和热学特性，经过特殊涂层、贴膜后具备高强、轻质、不燃、 自洁、透光耐久等优异性能，可满足多种需求，广泛应用于建筑、广告灯 箱、充气材料、农用材料等。 目前作为柔性复合材料的基布主要有机织物、经编双轴向和多轴向织 物。研究证明1 5 4 】，针织结构增强材料的机械性能是不稳定的，取决于针织 物的许多性能参数，如织物层数、密度、组织结构、织物的拉伸变形情况 以及失效时织物中断裂纤维的体积等。在相同的增强纤维含量下，普通针 织结构增强材料与机织物相比，能量吸收特性和抗冲击性能较好，疲劳性 能相当，但其拉伸、压缩强力较低。这是由于普通针织线圈结构在成型时 所产生的增强纤维模塑变形拉仲和扭曲将带来增强纤维结构的不均匀性， 而且使得增强纤维在轴向上的强力性能无法得到充分利用，从而影响材料 第一章绪论 的整体强力性能。但是，针织结构材料的刚性和强力性能可以通过在负载 方向和部分有目的地、灵活地衬入平直排列的增强纱线来改善结构的均匀 性和稳定性，并提高增强纤维的强力利用率。经编双轴向增强结构就是这 样一种效果优良的改进后的增强针织结构体。与机织物相比经编基布的 优点在于：( 1 ) 织物的抗拉强力、弹性模量较高。这是由于经编织物中的纱 线平直排列，从而提高了织物的弹性模量1 7 1 ；( 2 ) 织物的悬垂性好，可设计 性强，原因在于经编增强织物悬垂性能由线圈系统根据衬纬机构进行调节， 变形能力可通过加大线圈和降低组织密度来增加：( 3 ) 抗撕裂性能好。经编 织物受到撕裂时，纱线会沿裂口滑动，纱线聚集增加撕裂强度，而机织物 中纱线很难相对滑动聚集，相应强度较低；( 4 ) 原料的适应性好。经编织物 内衬经衬纬纱的平直排列，使它可以采用几乎任何种类的纤维原料，包括 一些刚度高的高性能纤维如玻璃纤维、碳纤维等。( 5 ) 生产成本低，生产效 率高，经济性高。 8 1 1 9 】 鉴于经编轴向织物的这些优点，目前以经编织物为基布的柔性复合材 料在市场上所占的比重日益增加，尤其是双轴向织物，应用已相当普遍， 相信会有很好的发展前景。 1 2 柔性复合材料国内外发展应用情况 新型柔性复合材料由于采用了合成纤维，强度、弹性、均匀性、耐化 学性、耐侯性、阻燃性、耐磨性、防霉等性能都优于天然纤维，经过涂层、 层压处理后综合性能大大改善，使用范围日益广泛，目前在国内外主要有 以下一些用途： ( 1 ) 灯箱广告布 由于柔性复合材料具有良好的透光性及着色性特别适合做灯箱广告， 打破了硬质材料的局限，比传统广告材料具有更好的效果，8 0 年代以来在 国外得到了迅速的发展。也是我国目前用量最大的柔性复合材料市场，市 场用量在1 0 0 0 万平方米以上，并以每年2 0 的速度增长。1 1 0 1 通常采用高强 涤纶丝经过机织或经编织造制得增强骨架织物，采用涂层、贴合或压延工 艺生产得到最终成品。 2 第一章绪论 ( 2 ) 遮篷、盖篷用材料 根据国际组织的定义，遮阳蓬分为两类：一类是a w n i n g ( 简称a 蓬) ， 是指完全由建筑物支撑的伸出篷体，由轻质刚性或伸缩式骨架覆盖以柔性 复合材料制成。另一类叫c a n o p y ( 简称c 蓬) ，是指同时由建筑物和地面支 撑的伸出篷体，由轻质骨架覆盖以柔性复合材料而成。 n l 在欧洲和北美， 遮阳材料作为建筑的附加设施随处可见，形式多种多样，随着技术发展， 颜色日益丰富、款式新颖别致，在居家、咖啡馆、露天餐厅等场所都有广 泛的使用。 ( 3 ) 篷面建筑材料 自五十年代以来，柔性复合材料作为第五种建筑材料逐渐在全世界流 行开来，尤其是在美国、西欧和日本等国发展相当迅速。由于其优良力学、 光学特性以及优美活泼的造型，并且安装快捷、节能减耗，可以将建筑的 艺术性、实用性和经济性很好地统一起来，重量轻，织物“外壳”仅为泥 灰、砖瓦、水泥、钢材等一般外壳材料总量的1 3 0 ，因此可以节省支撑结 构和加强材料，降低造价1 3 2 3 1 2 l ，应用相当广泛，如体育馆、候机 大厅、展览馆、音乐厅以及工业、军需仓库基地等一些大型设施，也可用 于一些景观性小建筑。另一个优点是纺织结构材料能建造大跨度建筑，与 常规的结构材料比较，织物外壳层的建筑时间可显著缩短。此外，用织物 材料作外壳的建筑物能较好的抵御地震等严重破坏力。从经济和生态角度 综合衡量，轻质高强的柔性篷盖类材料已成为继木材、石料、金属和玻璃 之后的第五大建筑材料。迄今为止，全世界的膜材建筑有十几万座，其中 1 0 0 0 多座是大型的公共建筑，尤其以体育建筑为多。【1 3 l 随着技术的不断改 进，篷面建筑已经由简易型向半永久型，永久型过渡，目前采用玻纤为基 布材料，以聚四氟乙烯为涂层材料的膜材寿命至少在2 0 年以上，最高可达 到4 0 年左右。 1 3 - 1 4 ( 4 ) 运输用柔性复合材料 除了用作传统的车用篷布，目前在欧洲很多国家采用柔性复合材料作 为软体集装箱，汽车外饰织物，海运船用织物等等。例如欧洲的集装箱8 0 用涂层篷盖布材料制作，8 0 年代美国，日本等发达国家软体车厢式大型货 第一章鲳论 车已得到应用，年增长率达2 0 。【l0 】这些材料都必须具有低伸长，高强度， 良好的耐磨性，抗老化性和耐化学性等以满足相应场合使用要求。【1 2 】 目前在国内外柔性复合材料的使用范围日益增加，具有很好的发展前 景，特别是欧、美、日本的柔性复合材料制造业已达到很高的水准，但在 国内，这方面的生产研究起步较晚，近十几年来才有所发展，质量和性能 远远落后于国外产品。目前使用范围也比较局限，较多的是低级形式的遮 阳篷，大部分材料是质量较差的p v c 涂层、层合聚酯织物，式样单一，使 用寿命较短。柔性灯箱布近年来使用较为广泛，发展也较快，但一些宽幅 产品( 幅宽在2 ，5 米以上) 使用的还是进口产品。而篷面建筑材料起步 则更晚，其研究、开发、应用还只是近几年才开始，对于其理论、方法、 实践等都处在摸索阶段，目前基本上还没有自己的永久性膜结构产品。总 体上看来国内的产品存在一些问题：1 ) 质量较低，有些基材原料达不到力 学性能要求，有些p v c 涂层耐久性差，其中增塑剂易迁移导致涂层过早失 效：2 ) 产品花色品种少：3 ) 产品不抗污染，表面没有整理，易发粘，不耐污； 4 ) 缺乏大型膜材结构的生产技术。o s - 16 】因此针对目前良好的市场前景，我 们急需提高现有产品的质量，使其能与国外产品相抗衡，占领中高端市场。 另外需开发高端膜材产品，避免过渡依赖进口产品。 1 3 课题意义和内容 1 3 ，1 课题背景和意义 新型柔性复合材料可用于传统的遮阳篷、帐篷、商品及运输盖布、车 厢，广告灯箱，大型体育健身、文化娱乐、商业、交通设施等建筑物，总 体上呈现良好的发展态势。在我国的市场需求也相当大，1 9 8 8 年篷盖产品 耗用纤维8 万吨，“九五”期间达1 2 万吨，预计2 0 1 0 年将达到1 8 万吨。 1 5 1 目前基布使用的最多是涤纶织物，其中以机织物居多，但由于双轴向经编 织物强力利用率高，收缩率小，与涂层结合好、撕裂强度高，生产速度比 机织物高得多，而且技术、设备日益先进，上升势头日趋明显。因此我们 需要做好前期的开发研究工作，使产品具有最佳的物理机械性能并能适应 不同的应用要求，使产品系列化、规范化。 4 第一章绪论 在实际使用过程中，柔性复合材料不可避免地会受到拉伸、弯曲、剪 切等外力，其力学性能是设计和应用时需要考虑的重要指标。在以前相关 的研究论文中针对拉伸性能的研究较多，因此本文重点对经编双轴向复合 材料的撕裂性能进行研究，期望可以丰富柔性复合材料的力学方面的研究， 并对生产实践起到一定的指导意义。目前柔性复合材料的主要加工重点在 于如何更好地将基布与基体结合起来，克服和减少组份材料各自缺陷，这 决定了材料的性能可否发挥最大效用，即两者的界面粘结状况直接影响着 产品的各项性能。粘合不佳极易产生分层和芯吸现象，致使产品力学性能 降低，易吸湿，严重影响使用寿命。目前对于界面研究主要集中在刚性复 合材料，本文拟借鉴现有的界面粘合理论，对双轴向经编柔性复合材料界 面进行研究，并主要采用等离予方法来改善粘合性能，针对课题研究中的 贴合产品进行了一些试探性试验，希望也可以引用到其他的加工方式( 涂 层和压延产品) ，从而对生产起到一定的借鉴作用。 1 3 2 课题内容 本文首先进行经编双轴向复合材料的研制，方面从基布组织结构、 密度、加工工艺等方面深入研究柔性复合材料的撕裂性能，以进一步完善 力学性能方面的研究；另一方面对界面粘结状况进行初步研究，粘结性能 好坏宏观地体现在剥离强度的大小，本文中也将主要根据剥离实验来进行 这方面的研究。另外采用等离子方法对基布进行放电处理，使其表面改性， 增强其与基质( 即为聚氯乙烯薄膜) 的粘合性能，同时也考虑了等离子处 理对基布强力的影响。具体内容包含以下几个方面： 1 经编双轴向柔性复合材料的制取 其中主要探讨热熔层压法中温度、时间、压力三个主要参数的影响， 并确定较为合理的工艺参数，制取后面试验所需的样品。 2 经编双轴向柔性复合材料的撕裂性能测试研究 分析基材及复合材料的撕裂过程，比较两者的差异，并主要从基布组 织结构、密度、加工工艺等方面总结出其影响规律。 3 经编双轴向柔性复合材料的界面粘结性能研究 第一章绪论 借鉴现有界面粘合理论，介绍并研究经编双轴向柔性复合材料的界面 粘结状况( 包括涂层和贴合产品) ，从织物密度、加工工艺方面对所制取样 品进行分析。 4 复合材料撕裂强度和剥离强度关系探讨 5 改善经编双轴向柔性复合材料界面粘合性能的方法探讨 主要采用等离子处理的方法进行尝试性的实验，期望可以对实际生产起 到抛砖引玉的作用。 6 第二章经编双轴向柔性复合材料生产工艺 第二章经编双轴向柔- | 生复合材料生产工艺 本章主要介绍经编双轴向柔性复合材料的一般生产过程，包括原料选 择，基布织造以及复合加工方法，比较了机织物与经编双轴向织物生产的 一些差异：另外主要探讨了实验室加工工艺，并根据所确定的工艺进行了 后面实验所需样品的制取。 2 1 原料的选择与性能 经编双轴向柔性复合材料主要由两部分组成，一是增强基布，一是基 质。增强基布作为承载负荷的主体决定着复合材料的力学性能，为保证基 布具有较高的强度，其材质的选择是一个关键的问题。目前广泛采用的原 料主要有以下几种： 1 聚酯长丝( 涤纶) 聚酯( 涤纶p e t ) 由乙二醇和对苯二甲酸合成，其具有强度高、拉伸性 能好、耐热性好、耐溶剂、耐腐蚀、耐磨、吸湿性低以及价格适宜等优点， i r a 是目前柔性复合材料基布使用最为广泛的原料。一般采用的都是高强低 缩的工业长丝，单丝强度要大于5 3 c n t e x ， 1 5 1 可根据产品使用要求不同来 选择不同强度的原料。 2 玻璃纤维 玻璃是一种非晶体，没有固定的熔点。将玻璃加热熔融并拉成丝，即成 玻璃纤维。玻璃纤维拉伸强度高，超过一般的合成纤维和钢材的强度，但 它的弹性模量比较低，只有钢的1 3 ，属于脆性材料；具有良好的耐热性， 一般在3 0 0 。c 以下可保持性能不变；具有良好的电绝缘性。t 1 4 目前主要用 做永久性膜结构材料的基布原料。 除了以上两种纤维，尼龙也用于膜结构，它比涤纶耐用，但成本较高， 延伸性大，易变形，因此使用较少】。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。在国外，大多数工业用织物都采用长丝而较少采用短纤纱， 第二章经编双轴向柔性复合材料生产工艺 这是因为长丝本身强度和伸长性能好【1 2 】。如果采用短纤纱则捻度选择要适 当，使之能承受较高的拉伸负荷并防止纤维间滑移造成的纱线过早断裂。 捻度较小时，长丝在织造中会变扁，使覆盖率增高，适用于疏水性材料。 使用小直径的单丝可以大大提高单丝与单丝的交叉密度，同时剪切力、杨 氏模量以及重量都有显著提耐17 1 。 在复合材料中基体也起到相当大的作用，它将基布固定，保持纱线间 的相对位置，并免受化学腐蚀和机械损伤，减少环境的不利影响，主要决 定复合材料的物理性能，如耐热，耐气候性，抗老化等性能。尤其是对于 双轴向经编织物来说，其织物本身稳定性较差，经过与基体材料复合后才 能充分发挥两者的优良性能。目前使用的主要基体材料有： 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 ) 是由氯乙烯单体聚合而成的热塑性高聚 物。具有阻燃性、自熄性、耐化学腐蚀性、电绝缘性等特点，而且p v c 涂 料价格较为低廉，使用范围最为广泛。由于其聚合链上间隔地含有氯原子 以及侧链而使分子不对称，氯原子带有负电荷而使电子分布不均匀，产生 偶极，不能结晶，没有固定的熔点，而有一个较宽的从热弹性过渡到热塑 性状态的温度范围即流动温度范围，通常为1 6 0 c 一1 8 0 c 。p v c 织物涂层用 树脂在加工前必须加入适当的助剂，主要包括增塑剂，热稳定剂等。 ( 1 ) 增塑剂：它是一种低分子化合物或聚合物，通常是液态亲水性物质，其 作用在于改善分子链间吸引力，从而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，并且使流动温度范围降低至1 3 0 1 2 - 1 7 0 。p v c 常 用的增塑剂是液态高沸点难挥发的酯类；有邻本二甲酸二辛酯( d o p ) ，癸二 酸二辛酯( d o s ) 等。 ( 2 ) 稳定剂：p v c 的稳定性较低，在1 6 0 一2 0 0 温度下会发生一定的降解。 稳定剂的作用就是通过取代不稳定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。一般使用较多的有脂肪酸的铅盐或金属脂肪酸盐( 钡、镉、锌、钙等) 。 除了以上两种主要助剂之外，还需要适当加入粘合促进剂、填料、着色 剂等其他助剂。由于增塑剂大都为低分子物质，在使用过程中易挥发迁移， 第二章经编双轴向柔性复台材料生产工艺 涂层易失效，表面也易污染，使用年限较低，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 ) 树脂最大的特点就是耐久性、防火性与 防污性高。在耐久性方面，p t f e 对酸、碱等化学物质及紫外线非常稳定， 不易老化。由于聚四氟乙烯树脂薄膜表面能低，不易污染，自清洁性能佳。 在防火性方面，p t f e 膜符合所有国家的防火材料试验。由于p t f e 加工时需 要采用类似粉末冶金那种冷压与烧结相结合的方法，u 4 1 其烧结温度高达4 0 0 ，一般不能与聚酯材料复合，大都采用与玻璃纤维织物复合， m 】复合而 成的膜结构材料具有强度高，耐燃，自洁性能好的特点，使用寿命最长可 达3 0 - 4 0 年。 2 3 1 由于价格比较高，一般用于一些大型永久性膜结构的制作。 3 硅酮树脂 硅树脂耐久性、耐侯性佳，在很大温度范围内能保证很好的柔韧性和高 弹性，因此可以和玻璃纤维复合改善纤维的柔韧性，允许纤维在其体内少 量移动，受力时可以传播到更大范围内的膜表面，降低了撕裂的可能性。【卅 因此这种树脂对于改善撕裂性能具有一定作用， 2 5 】不过其成本较高。 4 聚氟乙烯( p v f ) ，聚偏氟乙烯( p v d f ) 【2 q 由于p v c 膜材自洁性差，为提高使用年限，可以在p v c 膜材表面贴合 p v f 或p v d f 薄膜，经过处理后复合材料热反射可达7 0 ，传热1 3 ，透光率 3 0 ，自洁性好，使用年限增加至7 一1 0 年。 除此之外，聚氨酯、聚丙烯酸酯、天然橡胶、合成橡胶等材料宜可作 为基质。 目前市场上用于篷盖材料及膜结构的主导产品是聚酯织物基材+ 聚氯 乙烯涂层或薄膜，玻纤织物+ 聚四氟乙烯，前者用量较大，使用范围也比较 广泛，一般篷盖类产品大都采用此种结构，后者具有高强度，隔热性佳， 防火、耐污自洁性佳，主要用于大型的永久性膜结构，价格也较为昂贵， 大约为5 0 美元m 2 。在实际生产过程中，我们需要根据实际要求来选取合 适的基材和基质。 第二章经编取轴向柔性复合材料生产工艺 2 2 基布的织造与设备 在柔性复合材料领域内，基布起到了承载外力的骨架作用，因此基布 的结构性能直接影响到复合产品的质量。目前，国内外篷盖类增强骨架织 物所采用的织造方法主要有机织工艺及针织工艺两种。机织物由于织物结 构稳定、织造技术相对成熟，在市场中还占据着相当大的份额。针织物主 要是经编双轴向和多轴向织物。 在经编双轴向织物的编织过程中，由于采用全福衬纬机构及衬经装置 ( 多轴向经编机还有可调角度的斜向衬纱装置) ，使经编织物中多层纱线平 直排列在一起，不存在上下交错互压的现象，并有地组织纱线将它们在交 点处捆绑在一起。这种组织结构的特点是纱线组平行排列，取向度很高， 纱线的性能得到充分利用，织物的抗拉强力及弹性模量较高，再加上其生 产速度高。【8 】因此经编基布作为增强材料具有很大优势。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 1 2 2 7 1 在实际运用领 域中，双轴向基布应用日益广泛，并取得了良好的经济效益，但是多轴向 柔性产品还比较少见。 目前经编双轴向织物生产设备的典型机型有德国卡尔迈耶公司的 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 经编机，这两种机型克服了传统经 编织物的缺点，利用全幅多头衬纬装置，将纬纱在机后筒子架中同时多根 引出，每横列逐根将平行的纬纱推入织针针背的交织点，这样可以使经编 机的衬纬速率高达3 0 0 0 m m i n 。 2 8 1 下面举c o p e e n t r ah s 2 s t 经编机为例， 如图卜1 ，这是一种通用型的经编机，可以生产特里科织物和拉舍尔织物。 该机器的各组件的可替换性强，在该机器的基础上，可改造成6 种机型， 因而该机器能生产多种种类和规格的单轴向、双轴向产业用布以及与无纺 布结合在一起的复合土工布。 】o 第二章经编双轴向柔性复合材料生产工艺 图卜1l i b ac o p c e n t r a h s 2 一s t 经编机 该机器的机号( o f 数英寸) 从e 6 到e 2 4 ，没有衬经纱时可达到e 2 8 。 该机器的编织宽度分为多个档次，有9 3 ”、1 3 0 ”、1 6 0 ”、1 8 2 ”、2 1 3 ”和2 4 5 ”。 在每个档次内，其编织宽度都可以无级调节。 该机器的成圈机件的组成和配置如图1 2 示，从图上可以看出，衬经 纱在编织前后呈一条直线，这样可以给衬经纱施加较大的张力，使织物张 力均匀。该机器对导纱机构进行了重新设计，使衬经纱在编织时没有损伤。 推纬片的作用是使衬纬纱精确地衬入到成圈的纱线内。以上几处都有利于 提高织物的质量。 该机器的衬纬系统位于机器的后部，衬纬装置最多能同时握持3 0 根纬 纱；它的纬纱传送装置由一个计算机控制的高速伺服马达控制( e m s ) 。同 样将纬纱衬入传输钩的耙状装置也是由一个伺服马达控制。衬纬纱通过衬 纬系统衬入传输钩，受纬纱握持系统控制，纬纱握持系统再将衬入的纬纱 安全稳定、张力均匀地送入成圈系统。 图卜2 成圈机件的组成和相对位置 第二章经编双轴向柔性复合材料生产工艺 2 3 复合加工方法及设备 对于以织物为增强材料，以聚氯乙烯等树脂为基体的柔性复合材料，通 常有以下一些加工方法：1 ) 涂层法；2 ) 热熔层压法。采用何种方法进行 复合，需要根据基材组织、产品用途、要求等来确定。 ( 1 ) 涂层法 2 9 , 3 3 】 涂层法是在织物表面均匀地涂覆一层或多层高聚物质，它既能赋予织 物的各种性能，又能赋予织物独特的风格手感和外观。 涂层法可分为直接和间接两种。直接涂覆是把聚氯乙烯塑性溶胶直接 涂于布基上，熔融、塑化，经轧花、冷却得到成品。间接涂覆是将溶胶用 刮刀或逆辊涂覆的方法涂到一个循环运转的载体上，通过预热烘箱而使其 在半凝胶状态下与布基贴合，再使其进入主烘箱塑化，随后将它冷却并从 载体上剥下，再经轧花，表面涂饰处理即可成为成品。涂层法主要有：( 1 ) 刮刀涂层法，就是使用各种刮刀在基布表面涂上涂料，设备简单，但涂层 厚薄及均匀性难以控制；( 2 ) 辊涂法，其类似于经纱上浆，基布与附着有涂 料的回转辊接触，从而达到涂层目的。 直接法与间接法相比，工艺流程简单，设备投资小，生产效率高，但 产品表观质量不高，不宜采用强度低、易变形的布基，一般要采用密度较 大的机织物。 目前常用的涂层机主要有卧式和立式两种。德国的c o a t e m a 公司 3 0 - 3 1 】 以立式涂层机和s l o t c o a t e r 涂层机这两种设备向市场推出两种新型的涂层 和干燥工艺。采用这种立式涂层机，可以对纺织品进行涂层和浸轧加工， 不必像一般涂层设备那样，在涂布之后未经干燥就带着浆料再次与转向辊 接触，从而也避免了对涂层表面的伤害。此外，立式涂层机占据空间小， 涂层表面比较光滑。在s l o t c o a t e r 涂层机上对基布进行涂层，可以在整个 基布宽度上涂以非常均匀，而且非常薄的一层涂膜。这对于在薄膜、纸张 上实施粘结涂层非常重要，因为这样的粘结膜对纺织品的性能无不利的影 响，亦不会引起其性能的改变。 ( 2 ) 热熔层压法 热熔层压法是采用热熔粘合剂，利用其在受热时自身熔融，与织物或 1 2 第二章经编双轴向柔性复合材料的生产工艺 其他材料发生粘合作用，冷却后固结在一起的一种复合方法。【3 2 利用树脂的热塑性将已制成的薄膜与织物叠放在一起，通过加热、加 压，可使两者粘附固结在一起，此时聚氯乙烯薄膜起到粘合剂和层压组分 的双重作用。 热熔层压法也有两种途径：一种是将选定树脂塑炼后投入装有织物喂 入装置的压延机上，按所需厚度、宽度压延成膜，立即与经过预热的基布 贴合，再经轧花、冷却即得到压延产品，此法简称为压延法。另一种是将 已生产出的薄膜与织物( 织物上也可预涂覆增塑糊粘合剂) 一起放入层合机 中进行热燕复合，简称为贴合法。e w l 这_ 两种方法对织物要求都不高，织物 密度不论大小都可采用此种加工方式。 总体看来，涂层产品性能优于层压产品，但所需设备要求较高，相应成 本也较高，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，这也是需要在 产品设计时需要改善的一点。 2 4 经编双轴向柔性复合材料的实验室制取 本节主要介绍经编双轴向柔性复合材料实验室制取过程，一方面确定 加工工艺，另一方面为后续实验制取所需样品。 2 4 1 原料及其性能 鉴于涤纶材料是目前使用最为广泛的基布材料，我们在研制过程中也 选取了涤纶经编双轴向织物作为复合材料的基布，由温州东方经编有限公 司提供。有以下三种规格织物，具体原料规格性能如表2 一l 。 表2 - 1 涤纶基布规格和纱线性能参数 衬经衬纬纱捆绑纱基布基布 编 机 纤度强力 伸长 纤度强力伸长 厚度克重 号 号( 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 捍织物与2 群织物的区别在于衬经纱衬入充式不同，地组织都为经 平组织( l 1 梳栉) ，其中1 撑织物是单针距衬入方式，2 拌织物则是零针距衬 第二章经编双轴向柔性复合材料的生产工艺 入，下面图2 - 1 是其相应的链块排列和垫纱运动图： 1 # 组织： l 1 ：1 _ 0 ，1 2 l 1 ： l 2 ：1 i 0 - 0 l 2 ： 图2 - 11 # 和2 # l 2 垫纱运动图( 衬经差异) l 井z #3 并 图2 - 23 种基布织物照片 基质同样也是选用使用比较普遍的聚氯乙烯( p v c ) 薄膜，其性能与配方有 很大关系，包括增塑剂、稳定剂等。由于我们所使用的薄膜具体配方尚无 资料，因此关于配方