（纺织工程专业论文）经编预定向针织柔性复合材料涂层工艺及力学性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

东华大学硕士论文 经编预定向针织柔性复合材料涂层工艺及力学性能研究 摘要 2 1 世纪将是复合材料的新时代。随着高性能纤维及高性能树脂的 崛起，更给纤维增强复合材料的发展注入了新的活力。预定向经编技 术和聚氯乙烯涂层技术都已是国内外获得广泛应用的成熟技术，但是 将它们相结合开发经编预定向增强柔性复合材料仍然没有发展成熟。 论文首先研究聚氯乙烯涂层整理，结合数学的方法( 正交试验) 对预定向经编织物的生产工艺、结构性能及复合材料聚氯乙烯涂层整 理工艺等方面做了比较详尽的试验分析，并对涂层整理工艺进行优 化。试验表明，在聚氯乙烯涂层加工中，除了烘干时间对涂层织物的 力学性能影响不明显外，烘干温度、涂层厚度和涂料浓度对涂层织物 的力学性能都有不同程度的影响，影响程度从大到小为：烘干温度 涂料浓度 涂层厚度。通过正交试验法，最终选出最佳组合为：涂层 厚度为o 8 0 m m ，烘干温度为1 6 0 0 c ，浓度为8 0 。 在选定涂层工艺的基础上，论文比较系统地试验分析了经编预定 向针织柔性复合材料的拉伸性能、撕裂性能和顶破性能以及相应的破 坏形式。对于材料的拉伸性能，它的拉伸强度和破坏形式与试验方向、 纱线支数、织物密度、增强纱的结构密切相关；对于撕裂性能，采用 梯形撕裂和舌形撕裂两种不同的撕裂方式，撕裂强力前者要比后者大 3 1 0 倍左右，但两者的趋势相似。不管是梯形撕裂和舌形撕裂，撕 裂过程中纱线都是一根接一根地断裂，由于涂层的作用，纱线很难形 成积聚效应，撕裂曲线以锯齿形的方式上升；对于顶破性能，在圆头 项破和尖头顶破两种不同的条件下材料的力学性能有很大的差异，基 布结构参数的不同对顶破性能也有一定的影响。论文还对织物涂层前 后和p v c 与p u 涂层织物的力学性能进行了比较分析，发现涂层前后 涂层织物的力学性能有很大的变化，但涂层剂的不同对力学性能的影 响不是很明显。 本论文的研究结果对预定向经编柔性复合材料的设计制造有一 定的参考价值。 关键词：经编，柔性复合材料，涂层，拉伸性能，撕裂性能，顶破性 能 东华大学碗士论文 s t u d yo nc o a t i n gp r o c e s sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp r e d i r e c t i o n 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 a b s t r a c t 21s tc e n t u r yi san e wc e n t u r yf o rc o m p o s i t e s w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f 1 1 i g hp e r f o r m a n c ef i b e ra n dh i i g hp e r f o r m a n c er e s i n 。i tw i l lb r i n gm o r e 丘e s hv i g o ri n t of i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s p r e d i r e c t i o n a lw a r p k n i t t e d t e c h n i q u ea n dp v cc o a t i n gt e c h n i q u eb o t ha r ew i d e l yu s e da n dm a t u r e d t e c h n i q u e s b u t t h ec o m b i n a t i o no ft h e s e t e c h n i q u e s t o e x p l o i t p r e d i r e c t i o n a lw a r p - k n i t t e dr e i n f o r c e df l e x i b l ec o m p o s i t e sa n dm e m b r a n e s t r u c t u r e sh a sn o tb e e nm a t u r e dy e t i nt h i st h e s i s ，t h es t u d yw a sf i r s t l yf o c u s e do np v cc o a t i n gp r o c e s s t h eo r t h o g o n a it e s tm e t h o dw a su s e dt o o p t i m i z ec o m b i n a t i o n so f d i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r ss u c h 勰d r y i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r e m a t e r i a lc o n t e n ta n dc o a t i n gt h i c k n e s s t h er e s u l t sh a v es h o w nt h e i n f l u e n c eo ft h e d r y i n gt i m ei s n o to b v i o u s ，h o w e v e r , t h ed r y i n g t e m p e r a t u r e ，c o a t i n gt h i c k n e s sa n dc o a t i n gm a t e r i a lc o n t e n ta l la f f e c tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o a t e ds a m p l e st os o m ee x t e n t t h ei n f l u e n c e d e g r e ef r o ml a r g et os m a l li s a sf o l l o w s ：d r y m gt e m p e r a t u r e m a t e r i a l c o n t e n t c o a t i n gt h i c k n e s s a n d t h eb e s tc o m b i n a t i o n i s ：d r y i n g t e m p e r a t u r e1 6 0 0 c ，m a t e r i a lc o n t e n t8 0 ，c o a t i n gt h i c k n e s so 8 0 m m b a s e do nt h ec o a t i n gp r o c e s so b t a i n e da b o v e ，t h et e n s i l e ，t e a r i n ga n d 东华大学硕士论文 b u r s t i n gp r o p e r t i e sa sw e l la sd a m a g em o d e s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sf o r t h ec o a t e dc o m p o s i t e sw e i ea n a l y z e d a sf o rt h et e n s i l ep r o p e r t i e s ，t h e t e n s i l es t r e n g t ha n dd a m a g em o d e sf i l er e l a t e dt ot e s t i n gd i r e c t i o n s ，y a m c o u n t , f a b r i cd e n s i t ya n dt h es t r u c t u r eo ft h er e i n f o r c e dy a m t h et e a r i n g p r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e db yu s i n gt r a p e z o i da n dt o n g u et e a r i n gm e t h o d s t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h et e a r i n gs t r e n g t hu n d e rt h et r a p e z o i d t e a r i n gc o n d i t i o ni sa b o u t 二一1 0t i m e sh i g h e rt h a nt h a to ft h et o n g u e t e a r i n gt e s t i n g h o w e v e r , t h et r e n do ft h e mi ss i m i l a r t h ey a m sa r ea l l b r o k e no n eb y0 1 1 ed u r i n gt h et e a r i n gt e s t i n g ，b e c a u s et h ea c c u m u l a t i o n o f t h ey a m si sd i f f i c u l tt ob ed o n ed u et oc o a t i n g f o rt h i sr e a s o n , t h et e a r i n g g u r v e sa r er i s i n gi ns a w t o o t hf o r m t h eb u r s t i n gp r o p e r t i e sw e r ea l s o a n a l y z e du n d e rt w ot e s t i n gc o n d i t i o n s ( b u r s t i n g t e s t sw i t hs p h e r i c a l p l u n g e ra n de u s p i d a lp l u n g e r ) t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h eb u r s t i n g p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e ss t r o n g l yd e p e n do nt h eb u r s t i n gc o n d i t i o n s a n dt h a ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ew a r pk n i r e df a b r i c sh a v ea no b v i o u s i n f l u e n c e t h ec o m p a r i s o n so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o rt h ef a b r i c s b e f o r ea n da f t e rc o a t i n ga sw e l la st h e s ec o a t e dw i t hp v ca n dp ur e s i n s w e r ea l s od i s c u s s e d t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ec o a t i n gp r o c e s sh a s g r e a ti n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，h o w e v e r , t h ei n f l u e n c eo f t h e d i f f e r e n tr e s i n si sn o tv e r yo b v i o u s i ti se x p e c t e dt h a tt h er e s u l t so b t a i n e di nt h i st h e s i sw i l lg i v es o m e v a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h e p r e - d i r e c t i o n a lw a r p - k n i t t e d f l e x i b l e 东华大学硕士论文 c o m p o s i t e sd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g x u y m g ( k n i t t i n ge n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y ：p r o f h uh o n g k e yw o r d s ：w a r pk n i t t i n g ，f l e x i b l e c o m p o s i t e ，c o a t i n g ，t e n s i l e p r o p e r t i e s ，t e a r i n gp 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 东华大学硕士论文 东华大学学位论文原刨性声明 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： 含筻 日期：玎年肛月厣日 东华大学硕士论文东华大学学位论文版权使用授权书 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 不保密口f 学位论文作者签名：馋熏指导教师签名： 2 翩2 日期：玎年伊月f f 日日期；坼，二月，日 东华大学硕士论文第一章前言 第一章前言 复合材料通常是指两种或两种以上具有不同化学或物理性质的材料复合组 成的一种新的材料。利用纺织品作为增强结构与基体相复合形成的复合材料称为 纺织结构复合材料。纺织结构复合材料的预成型有机织物、编织物、针织物和非 织造织物。其中针织物分纬编和经编。长期以来，用作增强复合材料的织物结构 大部分是机织物，经编结构所占比例非常小【l 】。但是，由于经编织物具有许多机 织物不具有的性能优势，在复合材料特别是柔性复合材料中得到越来越多地应 用。 1 1柔性复合材料的特点及应用 柔性复合材料由纤维增强材料和韧性聚合物基体复合而成，它与热固性或熟 塑性聚合物基体复合材料相比，有较大的变形范围，较高的承载能力和良好的疲 劳性能田。这种材料一个显著的特点就是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1 3 】。柔性复合材料的刚度，破坏变形以 及能量吸收能力都可以通过纤维和基体材料的选择以及对纤维的几何形状的选 择来实现1 4 。材料柔性的特征需要基体材料具有相当的弹性以承受材料受力时产 生的较大变形，同时增强纤维也能够配合基体的适当变形并且在高应力作用下达 到高强度和大刚度的效果i s 。 柔性复合材料主要经历了两个发展阶段：第l 代柔性复合材料是以膜材料为 中心发展起来的，也叫膜结构柔性复合材料，其特性为强度、拉伸刚度、变形稍 大，但抵抗弯曲和压缩的能力小，而且易变形。第2 代的柔性复合材料的特性为 抵抗拉伸、弯曲、压缩的能力小，而变形极大。纺织品中针织物的变形是要比其 纤维本身的变形要大，这是因为针织物本身采取了使纤维弯曲的织法所致，这对 于第2 代柔性复合材料起重要的作用【3 卅。 柔性复合材料在实际工程应用中有着广阔的前景，从汽车和飞机的轮胎、传 送带、轻便的房屋结构、帐篷、降落伞、飞机减速器、防弹衣、软管、隔板到网 球拍等都可用柔性复合材料来制造嗍。近些年来，柔性复合材料作为膜材料广泛 东华大学硕士论文 第一章前言 地应用于膜结构建筑中。 用于膜结构建筑中的膜材料是一种具有强度高、柔韧性好的薄膜材料，是由 纤维编织成织物基材，在其基材两面以树脂为涂层所加工固定而成的材料。膜结 构建筑在国外发达国家已经十分普及，大到奥运会的体育场馆、飞机场的候机楼， 小到街头观光亭、广告牌。膜结构建筑特别适合用来建造城市标志性建筑。在国 外，常常用于具有广告效应的商场、餐厅等等。另外，作为一些高速公路、开发 区的标志性建筑物，也越来越多地采用了这一新的建筑形式 9 - 1 1 1 。膜结构最大量 的应用领域之一就是体育建筑，特别是在体育场看台的屋盖结构上【1 2 1 。近些年来， 我国也有许多大型体育场馆的建设是采用膜结构的( 见表1 一l 【1 习) 。 表l 一1我国的大型膜结构体育场馆 体育馆名称膜材投影膜材施工单位建成 面积( 万m2 ) 类型时间 上海八万人体育场 3 6 p 7 e 膜材 b i r d a i r 公司1 9 9 7 上海虹口体育场 2 6唧膜材 b i r d a i r 公司 1 9 9 9 广州黄埔体育馆 1 o p v c 膜材光翌空间膜结构技术工程公司 2 0 0 0 义乌体育馆 1 6 p v c 膜材纽曼帝膜建筑技术公司 2 0 0 1 青岛颐中体育馆 3 op v c 膜材 纽曼帝膜建筑技术公司 2 0 0 1 武汉体育中心 3 0 p v c 膜材b i r d a i r 公司 2 0 0 1 威海体育中心 2 5 p v c 膜材光翌空间膜结构技术工程公司 2 0 0 1 烟台体育中心 1 6 p v c 膜材纽曼帝膜建筑技术公司 2 0 0 1 郑州航海体育馆 2 o p v c 膜材纽曼帝膜建筑技术公司2 0 0 1 1 2 经编预定向衬纬技术及其在柔性复合材料领域的优势 膜材料一般由织物( 基布材料) 和树脂( 涂层材料) 组成，在当前国际市场 上，常用的膜材料一般为：涂敷聚四氟乙烯( p 1 晤e ) 的玻璃纤维织物和涂敷聚氯 乙烯( p v c ) 的聚酯织物【1 4 1 ，且增强材料大部分是机织物，经编织物所占比例非 常小。 。 经编预定向技术是近年来发展起来的一种新型的多向衬纬编织技术。利用这 种技术，平行伸直、无卷曲的纱线可以垂直地或以所需的角度引入织物结构中， 实现最有效的结构预设计定向增强【1 ”。经编预定向织物具有极大的设计灵活性， 各向同性的适应力与应变能力，以及较高的抗撕裂传递性和良好的适型性【1 6 1 。经 2 东华大学硕士论文 第一章前言 编预定向织物平行排列的承载纱使织物具有极好的抗破裂传递性能。在经编预定 向织物中，各个系统的纱线不相互交织，而是彼此紧挨着直接排放在一起，被另 一体系的纱线束缚在一起，因此织物的适型性得到很大的提高，这使经编预定向 织物预型件可以与许多复杂几何面相吻合，把纤维机械性能最大程度地传递到材 料结构上；经编预定向织物的适型性还可以使预型件在铺层和固化过程中保持良 好的形状【4 7 1 。 传统机织物是将单根各自孤立的经纬线构成一个整体的片状织物，是靠经纬 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：( 1 ) 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，故制品变形大，强 度低；( 2 ) 由于经纬线的交叉及相互挤压，交叉点处纤维密实，树脂难以流过， 故树脂渗透性差，浸渍速度慢；( 3 ) 纤维密实处，树脂含量小，纤维疏松处，树 脂含量大，故树脂在织物中分布不匀；( 4 ) 当载荷物体快速冲击由经纬交织布制 作的复合材料时，载荷物体的能量将以冲击波的形式在材料中传播，经纬线的弯 曲，防止了能量的快速传播。当单位面积上承受的冲击能量超过材料的冲击强度 时，材料将发生破坏，放经纬线的弯曲降低了材料的冲击强度墙j 。 而经编针织物用多头衬纬机构将增强纤维原料平行地穿过机器的整个工作 幅宽，衬纬原料夹在线圈的圈柱和延展线之间而形成的一种织物。织物中经纬线 不交叉无弯曲，始终保持各自的平直状态。因此，经编结构的复合材料和传统的 机织物结构相比，具有以下优点1 1 8 - 2 0 ： ( 1 ) 在编织过程中强力损耗小，纤维潜力得到充分的利用，复合材料制品 要达到同样的强度就可以减少织物和树脂的用量，减轻制品重量，减少工人劳动 强度； ( 2 ) 纤维在织物中平直无屈曲，具有较好的机械性能，可以提高复合材料 增强率的作用： ( 3 ) 纤维在织物中成有序取向排列，使树脂更容易流动和浸渍，易于敷层 及脱泡； ( 4 ) 可与纤维网和短切毡结合： ( 5 ) 束缚线圈系统可调节织物悬垂性，有较好的层间性能； 3 东华大学硕士论文 第一章前言 五2 潮湿珏缝王强度损失4 1 ：减握兹果妊：膨胀系数尘：置袈轻； ( 7 ) 由于经编织物表面平整光滑，减少了复合材料制品表面的纤维外露问 题，使制品表面光滑。 1 3 涂层剂 树脂整理技术是柔性复合材料的关键技术之一，涂层不仅能改善织物的外观 和风格，还能根据织物的用途不同，增加织物的功能，使织物具有防水、耐水压、 透气透湿、阻燃防污、遮光反射及抗静电、防紫外线等功能，使织物多功能化并 提高其附加值【2 n 。 常用的涂层材料有聚氯乙烯( p v c ) 、聚四氟乙烯( p 1 1 m ) 、聚氨酯( p u ) 、 有机硅的热塑性树脂等。 聚氯乙烯( p v c ) 涂层剂是世界范围内用量最多的一种。p v c 涂层剂价格低 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 磨性和屏蔽性优良田】。 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、服装面科、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1 。 聚四氟乙烯( p 1 1 砸) 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 年以上剀。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。p t f e 纤维织物还具有抵御环境损伤和耐弯曲 折叠的优点。例如：沙特阿拉伯的吉大( j e d d a h ) 国际机场，使用了数万平方米 的聚四氟乙烯玻璃纤维涂层织物，具有高的反光性，有效地降低了室内温度圈。 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【2 6 】。 1 4 经编柔性复合材料的研究 近年来，由于经编结构织物的性能优势，经编柔性复合材料也引起了国内外 研究人员的广泛重视，对于双轴向和多轴向经编结构的柔性复合材料的研究做了 4 东华大学硕士论文第一章前言 大量的工作【2 7 删，但研究大体上集中在以下几个方面： l 、不同的增强材料：涤纶纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和碳纤维。涤纶纤维 和玻璃纤维经编结构中最常见的两种纤维。 2 、不同的组织结构：双轴向和多轴向结构。 2 、不同的基体材料：环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、聚氯乙烯 和聚氨酯等。 3 、不同的树脂整理工艺：贴合、压延和涂层。 4 、不同的力学性能：单向拉伸即拉伸和撕裂。 目前，对于经编柔性复合材料的研究大多集中在聚氯乙烯和聚氨酯涂敷的涤 纶和玻璃纤维织物。通过选用不同的原料和不同的组织结构的织物，选用一定的 树腊，进行贴合、压延或涂层，制成柔性复合材料，进行力学性能的测试，从而 评价材料的各项性能的优劣。 在实验室试验过程中，复合材料的加工大多采用的树脂整理工艺是压延和贴 合，而对涂层工艺的研究较少，确定涂层工艺的各项参数，涂料浓度，涂层厚度 等，以确定最佳的涂层工艺，对柔性复合材料的研究也至关重要。 ， 拉伸性能的研究主要是单向拉伸试验，双向和多向拉伸的实验研究的还不 多。双向拉伸特别适用于经纬交织物，但在实测中要保证试样中心受均匀和纯双 轴向拉伸，对夹持器的正确设计、移动速度的稳定以及夹持与位移的精确和对称 是必须的，也是困难的。而大多数应用场合复合材料受到的是多向的作用力，顶 破性能可以表征织物多向拉伸的性能，而对复合材料顶破性能的研究还非常少。 因此，根据实地的要求选择满足强度要求的材料，准确的评估出材料的各项 力学性能至关重要。 1 5 本课题研究的内容 本课题研究的是一种功能性聚氯乙烯( p v c ) 涂层技术和经编预定向增强技 术相结合的新型柔性复合材料。从经编预定向增强柔性复合材料的力学性能研究 出发，对影响经编预定向增强柔性复合材料力学性链的结构参数和编织涂层工艺 参数进行比较系统的分析和研究，对经编预定向增强柔性复合材料的抗拉伸、撕 裂、顶破以及损伤和破坏形式进行实验分析和研究，并和实验结果进行对比验证， 优化涂层整理工艺。基布使用的是以玻璃纤维为增强纱、高强涤纶作为捆绑纱的 东华大学硕士论文 第一章前言 预定向经编织物，采用聚氯乙烯( p v c ) 涂层整理工艺。具体主要从以下几个方 面进行研究工作： 1 、涂层工艺的研究 主要通过正交试验法优化涂层整理工艺，并探讨涂层工艺( 烘干温度、烘干 时间、涂层厚度、涂层浓度) 对涂层织物性能的影响。 2 、力学性能的研究 研究复合材料在不同织物结构( 双轴向和四轴向) 、不同方向上的拉伸、撕 裂以及顶破性能，分析它们的损伤破坏机理及影响因素，研究织物结构、涂层工 艺和材料力学性能的影响关系及其趋势。 3 、涂层对力学性能的影响 比较涂层前后织物性能的变化，比较不同的涂层原料( 聚氯乙稀和聚氨酯) 下复合材料的拉伸、撕裂和顶破性能变化，并分析产生这种变化的原因。 1 6 研究的意义 目前，我国还没有对经编预定向增强柔性复合材料的力学性能展开系统深入 的研究，利用不同基布结构和不同的涂层工艺，通过对其力学性能( 主要是拉伸、 撕裂和顶破等力学性能) 的测试和分析，初步建立经编预定向增强柔性复合材料 的涂层工艺、结构参数和力学性能之间的关系，为经编预定向增强柔性复合材料 的设计提供理论性的建议。 利用经编预定向织物作为基布制成的增强柔性复合材料，是一种新型的高效 建筑材料。在欧洲，经编预定向织物已成功应用于生产灯箱布和大型体育场馆的 顶篷材料等p 。中国的空间结构在新的2 1 世纪将会有很大的发展，随着2 0 0 8 年北京奥运会和2 0 1 0 年上海世博会的到来，未来几年内我国将迎来大型场馆建 设的高潮，柔性复合材料，尤其是经编预定向增强柔性复合材料，作为一种新型 的高效建筑材料，必将具有十分广阔的应用空间和发展前景。因此，初步建立经 编预定向柔性复合材料的涂层工艺、结构参数和力学性能之间的关系，将会推动 经编预定向增强柔性复合材料在我国的深入研究和推广应用，为真正意义上实现 膜结构的一体化的设计理念提供基本的前提条件。 6 东华大学硕士论文第二章试验方案及试验准备 第二章试验方案及试验准备 2 1 试验方案 本课题主要研究经编预定向复合材料的聚氯乙烯涂层工艺和力学性能( 拉 伸、撕裂和顶破性能) ，具体试验方案如下： 1 、聚氯乙烯涂层工艺的研究 讨论涂层工艺( 烘干时间、涂层厚度、烘干温度、涂料浓度) 对涂层织物拉 伸、撕裂和顶破性能的影响。选用双轴向e k b ( 士4 5 0 ) ( 含短毡) 涂层织物，通 过正交试验法，选择适当的因子及水平数，通过对涂层织物拉伸、撕裂和顶破性 能的测试，优化涂层整理工艺，研究出性能较好的复合材料和较佳的涂层工艺方 案。将此工艺运用到以下的试验研究中。 2 、拉伸力学性能的研究 选用四轴向e k q ( 0 。- v 4 5 0 9 0 0 ) 涂层织物( 注：织物的品种编号中，e e 玻璃纤维g l a s s f i b c r ) ，k - 经编( k n i t t i n g ) ，b 双轴向( b i a x i a l ) ，q 一四轴向 ( q u a a r i a x i a l ) 。0 0 方向是衬经纱的角度，其它为衬纬纱的角度。) ，测试不同方向上 织物的拉伸力学性能，并分析其破坏形式及影响因素。 3 、撕裂力学性能的研究 选用四轴向e k q ( 0 0 1 士4 5 。9 0 0 ) 涂层织物，采用梯形撕裂和舌形撕裂两种 不同的撕裂方法，测试不同方向上织物的撕裂力学性能，并分析其破坏形式及影 响因素。 4 、顶破力学性能的研究 选用双轴向啪( 0 0 9 0 0 ) ( 含短毡) 和e k b ( d ：4 5 0 ) ( 含短毡) 涂层织物， 采用尖头顶破和圆头顶破两种不同的顶破方式，测试织物的项破力学性能，并分 析其破坏形式。 5 、涂层前后力学性能的比较及p v c 与p u 涂层织物力学性能的比较 选用双轴向e k b ( 0 0 9 0 0 ) ( 含短毡) 织物，通过测试其涂层前后的拉伸、撕 7 东华大学硕士论文第二章试验方案及试验准备 裂和顶破力学性能以及比较经p v c 与p u 涂层后织物的拉伸、撕裂和项破力学性 能，优化涂层工艺。 2 2 试验原料 2 2 1 经编预定向织物 本课题所选用的织物均是由常州宏发土工复合材料有限公司提供，是由l i b a 公司的c o p c e n t r a - m u l t i - a x i a l 型多轴向经编机编织的玻璃纤维织物。 本次试验分别选用了双轴向和四轴向织物共三种不同类型的织物。考虑到复 合材料的性能方面的要求和涂层整理工艺方面的要求，所选用的都是在各种类型 中密度较适中的织物，各种织物的基本参数见表2 - i ： 表2 - 1 织物的规格参数 缨物类型 e k b ( 0 9 0 0 )e l c b ( 圭4 5 0 ) e k q 参数含短毡含短毡( 0 0 1 士4 5 7 9 0 0 ) 克重 7 5 06 0 09 2 5 g m 2 厚度 1 2 1 71 0 5 21 1 7 9 n m 经向密度 2 84 0 树l o o m 纬向密度 2 84 0 根l o c m 斜向密度 5 l 5 6 根l o c m 增强纱 o o1 2 0 09 0 0 纱支 4 5 06 0 03 0 0 t e x4 5 06 0 03 0 0 9 0 01 2 0 03 0 0 玻璃纤维 o o 6 1 84 5 5 拉伸断裂 4 5 。 ，3 1 0 1 7 8 强度 _ 4 5 03 1 01 7 8 n9 0 06 1 81 7 8 捆绑纱 经平经平 编链 结构 试验所用的玻璃纤维经编预定向织物选用普通无捻、无碱e 玻璃纤维为衬经、 衬纬纱，捆绑纱( 成圈纱) 选用涤纶丝，各个方向上无碱e 玻璃纤维的纱支都不 尽相同。 8 东华大学硕士论文第二章试验方案及试验准备 本试验所使用的是无碱纤维即e 玻纤。它是最常见的一种玻璃纤维，几乎 不含碱的成分。具有优良的物理化学性能【3 2 】。 物理性质： 密度。玻璃纤维的密度( 2 5 4 9 m 2 ) 高于有机纤维，但低于金属纤维。 断裂强度。玻璃纤维具有较高的拉伸强度，在相同重量时，其断裂强度 比钢丝高2 4 倍。拉伸弹性模量为7 3 g p a ，远远高于一般有机纤维。 尺寸稳定性。玻璃纤维不会因环境温度变化而变形，最大伸长率仅为3 。 玻璃纤维的应力应变之问保持线性关系，直至断裂。 刚度。玻璃纤维刚度较高，为锦纶的1 5 倍。与其固有的脆性相结合，构 成了突出的低弯曲抗阻性。 化学性能： e 一玻纤不含碱，对水或水蒸气的阻抗能力极强。玻璃纤维几乎不受有机溶 剂的影响，并对大多数无机化合物是稳定的。玻璃纤维是无机氧化物，遇热不会 膨胀，特别适用于制作防火材料，这在纺织纤维中是十分独特的。在8 0 0 c 1 7 0 0 c 范围内，玻璃纤维会保持其固有性质。在更高温度时，其拉伸强力逐渐降低。在 3 0 0 0 c 4 0 0 0 c 的温度范围内，强力损失可达3 0 0 , - - - 6 0 。e 一玻纤的软化点温度 约为8 0 0 0 c 。此外，还具有耐老化、防腐、防霉、抗紫外线辐射等性能。采用合 适的表面处理剂，可以改善其加工性能。 在经编预定向增强织物中使用的捆绑纱是聚酯纤维，商品名为涤纶。聚酯纤 维强度亮、弹性回复性能好，普通涤纶的强度3 5 2 5 2 8 c n d t e x ，断裂伸长3 0 4 0 ，3 伸长时的弹性回复能力为9 0 - - 9 5 ，涤纶纤维模量高，在小负荷拉 伸时不易变形，因此涤纶织物耐磨性能好，且耐磨性在干湿状态基本相近，次于 锦纶。涤纶纤维在2 3 6 。c - - 2 4 0 。c 才开始软化，2 6 0 0 c 左右开始熔化，由于耐热性 能好，所以对热的稳定性也好。在1 5 0 。c 下加热1 0 0 0 h ，仍能保持原强度的5 0 。 涤纶允许使用的温度范围较大，在- 7 0 。c - 一1 7 0 。c 之间。涤纶的耐热性和热稳定性 是合成纤维中最好的。 2 2 2 聚氯乙烯涂料和聚氨酯涂料 1 、聚氯乙烯涂料 本试验所采用的p v c 为p v c 糊状树脂，采购于上海天原化工厂，树脂的具 体型号及各项参数如下： 9 东华大学硕士论文第二章试验方蹇及试验准备 p v c 糊( 型号为p 4 4 0 ) ：中等分子量的通用型树脂，聚合度1 5 0 0 左右，k 值7 3 7 5 ，良好的透明性，热稳定性和抗水性，酎候性。 试验用p v c 糊状树脂的大体配比如下( 上海天原化工厂推荐使用比例) ： p v c 糊：p 4 4 0 ，5 4 增塑剂：二莘酯，4 4 ( 即p v c 糊与增塑剂的比例为l o ：8 左右) 固化剂：1 5 消泡剂：碳酸钙，o 5 用于涂敷材料的聚氯乙烯树脂是一种干燥的白色无嗅的粉末，比重为1 3 8 左 右。聚氯乙烯分子是不对称的，这种不对称性是由聚合链上间隔的含有氯原子以 及侧链所致。由于氯原子的负电荷而使电子分布不均匀，产生偶极。聚氯乙烯不 能结晶而呈无定型，无固定熔点，流动温度为1 6 0 。c 一1 8 0 0 c ，加入增塑剂，可 使此温度降至1 3 0 0 c 1 7 0 。c 。 聚氯乙烯( p v c ) 具有优良的综合性能：( 1 ) 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。( 2 ) 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， 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。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，p v c 涂层剂主要用于制作 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【3 3 1 。 实际生产中，经常用来涂敷纺织品的p v c 有p v c 糊状树脂和p v c 薄膜。p v c 糊状树脂是此种树脂主要以制成糊状形式来应用，通常是p v c 糊与增塑剂配制而 成。p v c 薄膜是根据不同的用途，采用不同的方法，将聚氯乙烯加入溶剂和增塑 剂，通过一定的温度，干燥后成型。 2 、聚氨酯涂料 东华大学硕士论文第二章试验方案及试验准备 试验用的聚氨酯是由烟台华大化学工业有限公司提供的，各项质量指标参数 见表2 - 2 。 表2 - 2 聚氨醴质量指标参数 竺兰竺竺竺竺! 登显兰辇竺兰鉴 聚碳酸酯 m p - 1 2 02 9 - 3 18 0 1 2 03 55 5 03 5 0 系 2 3 涂层方法 常用的涂层工艺主要有干法直接涂层、湿法涂层、和转移涂层三种d 7 】。本课 题采用干法直接涂层工艺。干法直接涂层是典型的直接涂布工艺，是织物在一定 的张力下，水平通过固定的涂布头，将薄而均匀的涂层剂直接涂在织物的表面上。 涂好后的织物用烘箱烘干，使涂层干燥而牢固。直接涂布通常用于合成纤维长丝 织成的紧密机织物和能承受高的机械张力而不会过度伸长的紧密织物或厚重织 物，这种材料不会在强力大的情况下变形。另外直接涂布法虽是一种较为简单的 方法，但生产再现性差，不能保证高质量，另外涂料溶液也易渗入纱线，会使织 物变硬。 涂层所用实验仪器为：j m u 9 7 2 型落地式涂层机( 北京纺织机械器材研究所 研制) ，简图如2 1 所示。 z 二二二二二二 1 1 一接液槽；2 托扳手柄；3 紧刀架块；4 偏心轮手柄；5 转动式固定托辊； 6 - 直角刮刀；7 - 逗号形刮刀；8 一层压辊；9 - 吾分表；1 0 刮刀井降手柄。 图2 - 1j m u 9 7 2 型落地式涂层机简图 东华大学硬士论文第二章试验方案及试验准备 主要规格工艺参数： 机型：落地式；机幅：4 0 0 m m ；涂层厚度：0 - 5 m m ；布幅宽度：1 5 0 m 肝_ 3 4 0 蚴； 布幅长度：1 5 0 - - - - 4 5 0 m m 。在裁剪布样时，还需考虑到在两边的夹头需留一些夹 持空间，所以本试验的布样裁剪尺寸为：5 5 0 m m 3 5 0 m m ( 长x 宽) 。 涂覆工艺操作： 将小样夹在夹布框上，用偏心轮夹紧小样，将小样绷平锁紧螺钉一将刮刀放 在紧刀架块上，用偏心轮夹紧定位，在转动刮刀升降手柄，由百分表指示涂层厚 度一在刮刀前小样上放入涂料，推动托板手柄完成涂层，接液槽放在样品末端接 残留涂料一将涂层好的布从夹布框上取下，放入烘箱中根据不同的温度进行烘 干，并掌握好烘干时间。 2 4 试样参数测试的测试方法和力学性能的测试标准及测试方法 2 4 1 单位面积质量的测试 对于柔性复合材料而言，其总单位面积质量、基布单位面积质量以及复合层 的单位面积质量均是决定材料基本性能的参数指标，材料的许多物理特性亦取决 于这些参数。测试时，先测出试样总单位面积质量，然后减去基布单位面积质量， 两者之差便是复合层的单位面积质量。 测试原理 将样品在试验用标准大气中调湿，然后按规定尺寸从样品上裁取试样称量， 计算单位面积质量。 试样的制配和测试条件 试样准备：从无折痕的样品上用圆盘取样器裁剪6 块试样，每块面积为： 1 0 0 c m 2 。裁剪的试样至少距离边缘5 0 e r a ，试样的面积误差控制在1 之内。 实验仪器、工具：裁剪器、天平 标准大气：试验用标准大气温度2 0 2 0 c ；相对湿度6 5 2 。 测试数据( 如表2 - 1 ，原始数据见附录l 2 4 2 厚度的测试 测试条件 测试标准：采用g b 6 6 7 2 - - 8 6 规定的厚度测试方法。 1 2 东华大学硕士论文 第二章试验方案及试验准备 实验仪器：常州第二纺织机械厂生产的y g ( d ) 1 4 1 d 型织物厚度仪。精确 度为0 0 1 m m 。负荷为5 0 0 9 。 标准大气：试验用标准大气温度2 0 2 0 c ；相对湿度6 5 2 。 测试数据( 如表2 1 ，原始数据见附录2 ) 在涂层过程中，从厚度读数仪表读出的厚度和烘干以后测得的实际厚度是不 一样的，这里以烘干后实测厚度为准。 2 4 3 拉伸测试标准及测试方法 目前，我国对柔性复合材料拉伸性能的测试还没有统一的标准，因而很难确 定评定该项指标的优劣。在试验过程中，采用的是英国工业标准b s 3 4 2 4 m e t h o d 6 a 进行拉伸试验刚。试样总长为3 0 0 m m ，宽为5 0 m m ，中问测试部分( 初始夹距) 为2 0 0 m m ，上下夹持端长度各为5 0 m m ，试样尺寸如图2 2 。在选取试样时，应 该注意尽量避免在距离布边5 0 m m 范围内选取，试样的选取要有代表性，要保证 所选的试样表面平整，不含有任何外观疵点。最好试样应沿样品宽带方向大约等 间距裁剪。并且尽量让经纬纱或斜向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。在编织、运输、裁剪和涂层过程中都有可能造成 纬斜。除了编织造成的纬斜，应该尽量避免其它因素造成的纬斜。特别是双轴向 织物，在无衬纬方向上受力时很容易导致织物的变形，因此涂层之前的织物裁剪 和涂层过程中夹持织物时要尽量避免纬斜。多轴向织物和含有短切毡的织物编织 时纱线不易滑移，纬斜程度较小。 图2 - 2 拉伸试样尺寸图 试样标准环境条件： 温度：2 0 d ：2 0 c ；相对湿度：6 5 ：1 ：5 试验方法： 试验在上海华龙测试仪器有限公司制造的w d w 系列微机控制电子式万能试 1 3 东华大学硕士论文 第二章试验方案及试验准备 验机上进行。将试样置于试验机的两夹具中，使试样纵轴与上下夹具中心连线相 重合，并且要松紧适宜，以防止试样滑脱和断裂在夹具内。施加任何负荷时，试 验机上的夹具应能立即对成一条线，以使试样的长轴与通过夹具中心线的拉伸方 向重合。加载速度为5 0 m m m i n 。 复合材料试样在拉伸试验中，其断裂强力值并不是固定不变的，而是取决于 测试试样的宽度和长度、试验回潮率以及断裂时的拉伸速度。当然除了断裂强度 本身的变化外，试验仪器的一些限制因素，如惯性和操作方面的影响等，也会造 成测得数值的差异。如果在拉伸过程中，试