（纺织工程专业论文）微编纱结构及其渗透性能研究.pdf

摘要 热塑性复合材料避免了热固性复合材料固有的环境适应性差 加工周期长 难以 回收等不足 并且具有较强的柔韧性和抗冲击性能 极好的抗破坏能力和阻尼性能 可循环利用 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 但是 热塑性树脂 特别是高性能的热塑性树脂熔融粘度大 给热塑性树脂浸 渍纤维带来困难 在过去的十年中 为克服热塑性树脂浸渍的困难做了大量的努力 混纤法被证明是较经济有效的一种方法 特别是它可以方便地加工结构复杂的构件 目前混纤纱主要有混合纱 包芯纱和包缠纱 研究表明 用微编方法加工的包芯纱 增强纤维不变形 不被损伤 由于包缠紧密均匀 在后续加工过程中 能有效地保 护增强纤维 且纱线渗透性能良好 本课题主要研究了微编纱的加工工艺和微编纱的结构形态 建立了微编纱结构 的数学模型 分析了各参数之间的关系并进行了实验检测 实验观察了加压复合后 增强纤维的排列结构 研究发现微编纱中 增强纤维的排列呈团簇状 在团簇内呈 任意排列 团簇之间有裂纹隔开 被加压后 呈等距离的任意排列 据此建立了数 学模型 该模型与实际测量相接近 渗透深度与时间的关系模型已有报道 采用的 试验是用渗透突然终止的方法 此方法操作难度大 效率低 本课题中 设计了一 个间接测量渗透深度与时间的关系的实验方案 可实现在线连续检测基体的渗透情 况 在不同温度 不同压力下进行了实验检测 得出了渗透距离和工艺条件 温度 压力 时间 的关系 关键词 热塑复合材料微编纱加工工艺结构参数渗透性能 a b s t r a c t t h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e s o f f e ran u m b e ro f i m p o r t a n ta d v a n t a g e s o v e r t h e r m o s e t t i n gp l a s t i c s s u c ha su n l i m i t e ds h e l f l i f e b e t t e rt o u g h n e s s d a m a g et o l e r a n c e h i g hr e c y c l ea b i l i t y c h e m i c a la n de n v i r o n m e n t a lr e s i s t a n c e s i n c en oc h e m i c a lr e a c t i o n o c c u r sd u r i n gt h ep r o c e s s i n g t h e p r o c e s s i n g i sr a p i d b u tt h em o l t e nv i s c o s i t yo ft h e r m o p l a s t i cr e s i n p a r t i c u l a r l yh i 曲p e r f o r m a n c e t h e r m o p l a s t i cr e s i ni sh i g h w h i c hc r e a t e sd i f f i c u l t yi ni m p r e g n a t i o ni n t of i b e rb u n d l e s i nt h el a s t d e c a d e g r e a t e f f o r t sh a v e b e e nm a d et oo v e r c o m et h e d i f f i c u l t y i n i m p r e g n a t i o n h y b r i dy a r nt e c h n i q u e i sp r o v e dt ob eac o s t e f f e c t i v em e t h o d b yu s i n g t h i sm e t h o d c o m p l i c a t e ds t r u c t u r ec a nb em a n u f a c t u r e de a s i l y a tp r e s e n t h y b r i dy a m i n c l u d e sc o m m i n g l e dy a r n c o r e s p u ny a m a n dc o w r a p p e d y a m m a n ys t u d i e ss h o w t h a tt h ed i s t o r t i o na n dd a m a g eo ft h er e i n f o r c i n gf i b e ri n c o r e s p u ny a mm a d eb y m i c r o b r a i d i n gt e c h n o l o g y i s l i t t l e a n d b e c a u s et h e y a mi sw r a p p e dt i g h t l y a n d u n i f o r m l y t h er e i n f o r c i n gf i b e rc a nb ep r o t e c t e de f f e c t i v e l yi nt h ef o l l o w i n gp r o c e s s a n dt h ey a mc a n g e tg o o di m p r e g n a t i o n i nt h i s p a p e r t h ep r o c e s st e c h n i q u ea n ds t r u c t u r eo ft h em i c r o b r a i d e dy a ma r e i n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n t h em o d e l o ft h em i c r o b r a i d e dy a mi sm a d e t h e r e l a t i o n s h i p a m o n g t h ep a r a m e t e r sc o n c e r n e di sa n a l y s e da n dt e s t e d t h ea r r a n g e m e n t o f r e i n f o r c i n g f i b e ra f t e rf a b r i c a t i o ni si n v e s t i g a t e d r e s e a r c hs h o w st h a tt h ef i b e ra r r a n g e m e n ti s a t r a n d o m a c c o r d i n g t ot h i s am o d e li se s t a b l i s h e d a n di tm a t c h e sw i t ht h er e s u l to ft h e t e s t t h em o d e lo ft h er e l a t i o no f i m p r e g n a t i o nd e p t ha n dt i m eh a sb e e np r o p o s e d b u t t h et e c h n i q u eu s e db e f o r ew a st h es o c a l l e ds u d d e ns t o p p i n g m e t h o d a n dt h ee f f i c i e n c y i sl o w w ed e s i g nat e s tt om e a s u r et h ec h a n g eo fi m p r e g n a t i o nd e p t ha td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e a n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e ni m p r e g n a t i o n d e p t h a n d p r o c e s s i n gc o n d i t i o n t e m p e r a t u r e p r e s s u r ea n dt i m e w a sr e v e a l e d k e y w o r d s t h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e m i c r o b r a i d e dy a m p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s t r u c t u r ep a r a m e t e r i m p r e g n a t i o n 微编纱结构及其渗透性能研究 第一章概述 1 1 课题的意义 热塑性复合材料避免了热固性复合材料固有的环境适应性差 加工周期长 难以回收等不足 并且具有较强的柔韧性和抗冲击性能 极好的抗破坏能力和阻 尼性能 可循环利用 热塑性复合材料抗化学和环境腐蚀的能力强 2 固化过 程中不发生化学反应 可以进行快速加工p j 尽管十年以前 人们就已认识到长纤维增强热塑复合材料的优点和在制作结 构件方面的潜力 但是 热塑性树脂 特别是高性能的热塑性树脂熔融粘度大 给热塑性树脂浸渍纤维带来困难 b r a n d 4 的研究表明加工过程的耗费将占总成本 的7 2 另外 扩大热塑材料应用的重要方法是发展最合适的加工工艺 降低成 本 提高质量 在过去的十年中 为克服热塑性树脂浸渍的困难做了大量的努力 主要的方法有 溶剂法 熔化浸渍法 薄膜叠层法 粉末浸渍法 混纤法 5 7 溶剂法 又称溶液浸渍法 该方法是选用一种合适的溶剂 也可以是几种溶 剂配成的混合溶剂 将树脂完全溶解 制得低粘度的溶液 并以此浸渍纤维 然 后将溶剂挥发制得预浸料 该方法克服了热塑性树脂熔融粘度高的缺点 可以很 好地浸渍纤维 然而也存在许多不足 8 1 主要是溶剂的蒸发和回收费用昂贵 且 有环境污染 如果溶剂清除不完全 在复合材料中会形成气泡和孔隙 影响制品 性能 可以采用该方法进行加工的复合材料 在使用的过程中其耐溶剂性必然会 受到影响 一些热塑性树脂很难找到合适的溶剂 熔化浸渍法是增强纤维被熔融基体浸渍 可以通过两种方法实现 一是利用 挤压器将熔融基体喂入到纤维经过的模具中 二是纤维通过熔融树脂浴 这两种 方法中 加在纤维上的压力是很大的 可能引起纤维损伤 对于机织物增强材料 来说 浸渍到机织物中的紧密交织的增强丝束的阻力较大 薄膜叠层法是纤维增强材料层和热塑材料片叠加 然后加压固化 这种方法 由于加工方便而得到广泛应用 叠膜工艺可以制得高质量的层合制品 但这种加 工由于熔融热塑性材料的高粘性 需要较高的压力 这种方法的缺点还包括树脂 微编纱结构及其渗透性能研究 含量高 成本高和高粘性基体树脂浸润到纤维中比较困难 粉末浸渍是使干粉进入到纱线中 主要优点是加工速度快 由于在干态下 进行浸渍 因此加工过程不受基体粘性的限制 高分子量的聚合体可分布到纤维 中 主要问题是需要获得质量好的干粉 在后续加工过程中 粉未容易散失 混纤法是将热塑性聚合体纺成复丝 增强纤维和热塑复丝混合在一起 用一 般的织造工艺就可很容易地将混合纤维织成织物 混合越均匀 固化时所需的压 力越小 混合的理想状态是每一根增强纤维都与基体纤维相邻 但是由于增强 纤维与基体纤维的物理性能差异较大 实际上这是难以实现的i 3 1 在这几种方法中 混纤法被证明是较经济有效的一种方法 特别是它可以方 便地加工结构复杂的构件 目前混纤纱主要有混合纱 包芯纱和包缠纱 混合纱的加工方法有多种 9 1 将两相纤维销开 交错层叠 然后在水中 共混 2 通过空气变形来使两相纤维混合 3 用静电荷来实现两相纤维的混 合 4 在抽丝的过程中直接将两相纤维并合 混合 其中 利用空气变形来加 工混纤纱是一种较好的方法 经空气变形加工成的纱线中 两相纤维紧密缠结 抱合成一体 并有弧圈状变形 有利于基体树脂对增强纤维的浸渍 这种方法适 应性强 且经空气变形得到的纱线柔软 悬垂性好 适合于进行纺织加工 制成 形状复杂的复合材料预型件 空气变形纱中的扭矩可以使纱线有较强的抱合力 有利于后序加工 用空气变形加工混合纱比用水共混要快一倍 在拉丝的过程中 将两相纤维混合 可以使热塑性树脂纤维紧密而均匀地分布于混合纱中 使玻璃 纤维能够得到快速的浸渍和渗透 从而使制得的热塑性复合材料制品的力学性能 稳定 孑l 隙率为零 包芯纱是将短的热塑性基体纤维通过各种方法纺在连续的增强纤维芯纱外 形成的一种混纤纱 它的性能与包缠纱的性能很相近 但由于外层的基体纤维是 短纤维的型式 因此它比包缠纱要柔软得多 这使后序加工更容易进行 为了使 皮层和芯层之间有足够的抱合力 通常需要包芯纱有较高的捻度 捻度会使生产 速度和纱线强力降低 采用较多的加工包芯纱混纤纱的方法是摩擦纺的方法 它 利用摩擦纺纱的原理将连续增强纤维和热塑性树脂短纤维结合在一起形成摩擦 纺包芯纱 微编纱结构及其渗透性能研究 包缠纱是将基体纤维包缠于增强纤维芯的外面形成一种混纤纱 与混合纱相 比 包缠纱具有以下优点 1 增强纤维完全包覆在纱线的芯部 从而避免了 在纱线加工及后序加工 如机织 针织 编织 中的可能的损伤 2 连续的增 强纤维保持无捻的形式 有利于其机械性能的充分利用 然而 包缠纱中两相纤 维分布的均匀性较混合纱差 从而导致树脂基体对增强纤维的浸渍效果较差 如 果将混合法和包缠法结合起来 则制得的混纤将既能达到好的增强纤维与基体纤 维的分布效果 又能对增强纤维形成好的保护效果 因此 将以上两种方法结合 起来将为热塑性树脂基复合材料的发展开辟更广阔的前景 但目前在这方面进行 的研究和应用却非常少 三维结构的纺织预型件加工技术的研究已有2 0 多年的历史 虽然取得了重 要进展 但是三维织造的运动配合复杂 纱线之间的交织摩擦大 特别是玻璃纤 维 碳纤维等高性能纤维的脆性较大 在加工过程中 极易被损伤 因此极大的 限制了织造效率的发挥 如果利用包芯或包缠纱作为中间媒体 可以解决三维 织造效率和热塑基体进入三维预型件这两大难题 对推动三维织造和热塑复合材 料的发展具有重要的意义 目前这方面的研究很少 有许多有待研究的课题 本 课题的目的是为三维织造找到一种合适的中介媒体 使其同时满足均匀快速浸 渍 苛刻的三维立体织造条件 良好的力学性能 能连续化机械化生产的诸多要 求 为复合材料的应用进入更广阔的领域开辟一条新的途径 要满足以上要求除 了要有外层的包覆外 还要求的纱线在纺纱过程中用于增强的芯纱不能被加捻 摩擦损伤要小 包缠层对芯纱的包缠要紧密和均匀等 通过比较空心锭子包缠 摩擦纺包缠 微编纱等加工工艺 我们以为微编纱较适合 虽然最理想的是纤维 混合与编织包覆的结合 但通过合理调整微编纱的结构也可以达到理想的效果 1 2 课题的研究内容 研究内容 1 微编纱的加工工艺 2 微编纱的结构形态 包括纵面形态 截面形态 增强纤维的排列形态 3 建立微编纱结构的数学模型 分析各参数之间的关系并进行实验检测 4 实验观察加压复合后 增强纤维的排列结构的变化 基体的渗透情况 微编纱结构及其渗透性能研究 5 设计一个间接测量渗透深度与时间的关系的实验方案 在不同温度 不 同压力下进行实验检测 研究其变化规律 1 3 国内外研究现状 1 预型件的研究进展 g b o g o e v a g a c e v a 等人 调查了一热塑性复合材料应用于不同的领域的各 种预成型方法 并对有关技术的优缺点进行了比较 他们认为用纺织预型件制造 热塑性复合材料已经做了大量的工作 到目前为止 各种类型的混合纱线已经被 开发 包芯 混合 并合 1 3 1 4 9 并且已经证实由混合纱得到的复合材料有良好 的机械性能 用在抽丝的过程中直接将两相纤维并合 混合的方法生产的混合纱是 v e t r o t e x 国际公司的子公司一一法国v e t r o t e x 公司于1 9 8 8 年开发成功的 该混合 纱的增强体采用玻璃纤维 基体则可以采用多种热塑性树脂 如聚乙烯 聚丙烯 p b t p e t 等 在我国的天津工业大学的马会英教授和东华大学都有研究 在 抽丝的过程中将两相纤维混合 可以使热塑性树脂纤维紧密而均匀地分布于混合 纱中 使玻璃纤维能够得到快速的浸渍和渗透 从而使制得的热塑性复合材料制 品的力学性能稳定 孔隙率为零 目前 t w i n t e x 纤维已在美国和欧洲投入批量 生产 人们研究较多的加工包芯纱混纤纱的方法是摩擦纺的方法f 1 5 该方法是2 0 世纪9 0 年代初由w u l f h o r s t 等提出 这方面的研究在我国也比较成熟 天津工业 大学的赵书林教授在此方面进行了深入研究 用摩擦纺纺制玻璃纤维包芯纱近一 两年在我国的南方已开发成功 许多研究者提出 利用微编纱技术可以制造长丝增强的热塑复合材料 在以 前的研究中 微编纱技术已经被应用在复合材料的制造中 混织 混纺 粉末覆 盖等工艺是克服由于热塑树脂的高粘性 而难以浸润这一困难的有效方法 但是 由于两种纤维的几何性质及物理性质差异较大 其加工受到限制 日本的m k a m a y a 等人研制了一种微编织纱 m i c r o b r a i d e dy a m 1 将基 体纤维编织在增强纤维的外层 用编织技术生产混纺纱 研究表明 利用微编织 4 微编纱结构及其渗透性能研究 纱g f p a 6 编织复合材料可得到良好的浸润质量和机械性能 m s a k a g u c h i 等对微编纱的结构及加工工艺条件对由g f p a 6 一n y l o n 制成的单 向复合材料的性能的影响进行了研究 1 对微编纱的研究在我国还未见报道 2 渗透理论的研究进展 液体在多孔介质的流动规律 传统上采用d a r c y s 1 8 5 6 定律来描述 它 是关于渗透速率与压力梯度 流动粘度 多孔介质的渗透性的关系 这种方法适 用于流过粒状介质 因为介质是各向同性的 但这种方法不能用于流过纤维的场 合 因为纤维介质具有各向异性的特点 一种更理想的方法考虑排列的圆柱 通过应用不同的数学方法 垂直流过 圆柱排列的情况已被广泛地研究 为得到解决方法 纤维排列的多种情况已被考 虑到 当圆柱紧密排列时 可以得到渗透性的表达式 1 9 5 9 年 h a p p e l k u w a b a r a h a s i m o t o 三人提出了当垂直流过问隔较大的圆柱时的解决方法 h a p p e l 1 9 5 9 和k u w a b a r a 1 9 5 9 都用到了细胞模型概念 假定纤维排列的间隔足够大 可以把 介质分成独立的细胞 有代表性的是圆形细胞 纤维分布在中心 因为纤维离得 足够远 排列方式的影响可以忽略 h a s i m o t o 1 9 5 9 在同一年 用f o u r i e r 方法得 到s t o k e s 方程 s a n g a n i 和a c r i v o s 1 9 8 2 将h a s i m o t o 的方法发展为用于孔多 时的较为准确的方法 他们也提出了一种适于各种有孔性情况的方法 他们的方 法不能符合所有的环境情况 所以他们用l e a s t s q u a r e s 技术来得到解决方法 d r u m m o n d 和t a h i r f 1 9 8 4 用单一分布的方法也得到了解决方法 只有少数的 人考虑到纤维的自由排列 y u 和s o o n g 1 9 7 5 用细胞模型预测了不均一介质 的影响 s a n g a i 和y a o 1 9 8 8 提出预测流过自由排列时的渗透性的方法 这些方 法的结果表明纤维的自由分布使渗透性增加了2 n e a l e 和m a s l i y a n 1 9 7 5 用蜂窝原理 提出一个细胞模型 假定细胞被与其渗透性相同的均一有孔介质包 围 他们的分析结论可以被认为是介于k u w a b a r a 和h a p p e l 模型结论之间 为了建立广泛的树脂纤维的渗透数学模型 澳大利亚的j u r r o nb r a d l e y 等人 对一系列的纤维 树脂 纤维预形件进行了研究 纤维包括玻璃纤维 碳纤 维和剑麻 树脂包括涤纶 尼龙和丙纶 纤维预形件包括任意毡和预浸粉末纱线 研究表明k o z e n y 值不依赖于纤维 树脂 工艺条件 非牛顿渗透模型预测渗透 性能较好 实验和理论的误差小于6 微编纱结构及其渗透性能研究 3 应用研究进展 目前 混纤热塑性复合材料得到了较广泛的发展和应用 世界著名的玻璃纤 维生产企业v e t r o t e x 已经发展了一种低成本的热塑性纤维 玻璃纤维混纤纱及混 纤 预浸料 制备技术 这种混纤 预浸料 已被用于制备f o r te c o s t a r 电车电 池盘和其他部件 丹麦采用g f p e t 混纤织物成功地制备出风力发电机涡轮叶片 和汽车门柱夹 由t o y o b o 和d s m 生产的混纤纱己用于制备体育用品 德国 k l a i s e r s l a u t e r n 大学采用p a p t e e a r a m i d 混纤纱制造出具有优良耐磨性能的复 合材料轴承 由b a s f 结构材料部研制的p e e k a s 4 混纤纱已用于制备航空复 合材料制件等 尽管加工技术 连接 修补和工装技术等还没有完全得到科研者 和设计者的重点投入 将热塑性复合材料应用于航空航天领域已成为必然趋势 高性能热塑性复合材料可能和其他先进热固性复合材料一样 将被广泛应用于制 备航空领域的承力和非承力构件 如p e e k 碳纤维混纤复合材料可用于制备舱 内板和宇航框架等 玻璃纤维 石英纤维 p p s p e i 混纤材料非常适用于雷达罩或 天线罩材料 目前应用最多的混纤纱是g f p p 和碳纤维 p e e k 它们已被应用 于体育 工业和航空航天等领域 热塑纤维与增强纤维混纺预型技术在低成本生产3 d 复合材料上的潜力引起 了人们的兴趣 但到目前为止 这方面的研究还较少 我国台湾的w e n s h y a o n g k o u 等人对聚合物粉末加入增强纤维纱制作的三维正交机织物和三维编织物进 行了试验 2 材料的加工包括织物成型和热压铸模 一种充入粉末的尼龙 碳纤 维纱被用来制作三维织物 对加热温度 试样的成型厚度 加压压力 等工艺参 数与力学性能的关系进行了研究 阐明三维热塑性复合材料的加工工艺一微结构一 性能之间的关系 通过显微镜观察研究了在模压复合材料中的纱线的几何形状 发现模压明显的使织物中的纱线变的弯曲了 其弯曲机制和与织物结构的关系被 确立 材料的特性通过弯曲检验得到 随着破坏的增加载荷曲线明显的表现出非 线性 模压厚度是控制弯曲摸量 弯曲强度 破坏模式的评价参数 一个由德国 研究协会 g e r m a nr e s e a r c hs o c i e t y 支持的 复杂应用的织物增强的高性能转 子 的研究小组正致力经过优化的缝合参数和热塑加工制造转子形状的旋转平衡 的增强结构 研究课题主要有 碳纤维和热塑纤维的混合纱 纱线轴向适合旋转 载荷的织物 工艺过程和纺织设备 成型模具等f 2 1 i 澳大利亚的g e o r g b e c h t o l d 等人 2 2 1 介绍了一种能连续化生产的碾压生产线 微编纱结构技娜 透性能研究 生产线分为 纤维束空气预热区 成型模加热区 水冷却区 纤维柬拖动装黄 热空气预热区为6 0 0 m m 拖动速度为o 0 1 3 0 m r a i n 预热区到加热区的温度在 1 7 0 c 3 0 0 0 c 之问 进一步可连接编织机 在实验中用玻璃纤维和丙纶纤维 p p 混合纱线 生产出了3 5 1 0 m m 2 的梁和1 2 r n m 直径的g p p p 编织管 该工艺实 现了热塑性复合材料的连续化生产 可提高速度3 倍以上 微编纱结构搜其渗透性能研究 第二章微编纱的设计 2 1 微编纱原料的选择 包缠纤维 编织纱 作为复合材料的基体要满足复合材料对基体的各种要求 要有 定的柔软性和耐磨性 特别是熔化温度要低于增强纤维 芯纱 的热变形 温度 软化温度和热损伤温度等 在本研究中 选择玻璃纤维为增强纤维 芯 纱 选择丙纶为包缠纤维 玻璃纤维的软化温度为5 5 0 5 8 0 c 而丙纶纤维的 熔化温度只有1 7 0 1 9 0 左右 丙纶纤维和玻璃纤维的各方面的性能见表2 1 表2 2 表2 一l 丙纶纤维的基本性能参数 断裂强度 2 6 0 o软化点1 4 0 卜1 6 5 c n d t e x 耐热性 相对打结强度 7 0 9 0熔点1 6 0 1 7 7 c n t e x 断裂伸长率 2 0 8 0耐碱性优良 弹性恢复率 9 6 1 0 0耐酸性优良 初始模量 不溶于脂肪 1 6 3 5耐溶剂性 c n t e x 醇 密度 g c m 3 0 9 0 o 9 1耐虫蛀 耐霉菌性良好 回潮率 o o 1耐磨性良好 微编纱结构及其渗透性能研究 表2 2 玻璃纤维的性能的基本参数 外观光滑的圆柱体 横截面几乎是完整的圆形 外观和密度 密度2 4 2 w g c m 3 很高 直径为3 9 9 m 的可达1 5 0 0 4 0 0 0 m p 5 6 1 4 8 c n d t e x 它随着纤维直径和尺度的 拉伸强度 增大 强度要下降 另外与玻璃纤维的化学成 分以及存放时间 负荷时间有关 力学性能 约为7 1 0 4 m p a 2 7 5 6 c n d t e x t 5 n 径表面的磨 弹性模量 损程度无关 延伸率很低 一般只有3 左右 耐磨性 耐很差 摩擦和扭折使纤维易断裂 折性 导热性非常小 是一种耐高温的隔热材料 热性能 耐热性较高 软化温度为5 5 5 8 5 0 光学性能具有良好的透光性能 化学稳定性取决于化学组成 介电性质 温度和压力等条件 吸湿性含碱的为3 4 不含碱的要比含碱的低一些 根据表中提供的信息 作以下分析 玻璃纤维的耐磨性差 而丙纶的耐磨性很好 因此 用丙纶纤维包缠可以 非常容易地解决玻璃纤维织造时因摩擦而断裂的问题 玻璃纤维的软化温度为 5 5 0 5 8 0 c 而丙纶纤维的只有1 4 0 1 6 5 这充分满足了后加工工序一预制件 的热压固结的要求 玻璃纤维的透光性能很好 而我们所用的丙纶纤维由于加 了陶瓷粉 透光性显的较差 这为我们在显微镜下观察其性能 创造了很好的条 件 对于拉伸强度 丙纶纤维明显不如玻璃纤维 这正适合了丙纶纤维作包缠 纱 玻璃纤维作芯纱的要求 因为在编织过程中 二者对张力的要求不同 9 微编纱结构及j e 渗透性能研究 2 2 纤维混比的确定 微编纱是将聚丙烯纤维包缠在玻璃纤维外部 即用聚丙烯纤维与玻璃纤维按 一定比例包缠 混纺比影响微编纱的包缠密度和紧度 影响复合材料的性能 编织纱和芯纱的比例要满足以下要求 1 满足复合材料性能的要求 增强纤维的含量高 复合材料的刚度 强度也 高 热塑树脂含量增加 可以提高复合材料的抗冲击性能 2 满足纱线加工和预成型的织造加工的要求 增强纤维含量增加 热塑纤维 对增强纤维的包缠不紧密 纱线柔性下降 3 满足基体材料能充分 均匀地渗透到增强纤维的要求 有研究表明玻璃纤 维的体积在3 0 8 0 之间时 均可获得复合材料的良好成型 本研究中选择了三种混纺比 玻璃纤维与聚丙烯纤维的体积比 它们分别 是 5 8 7 4 1 3 6 3 9 3 6 1 6 0 3 3 9 7 2 3 混纺比的计算方法 针对上面三种混纺比 我们进行了试验和测试 1 纱线实际号数 取一根纤维 测其长度l 称其重量g 0 根据公式g g o 1 0 0 0 l 即可得 到纱线的号数 2 纤维的重量比 取相等长度的增强纤维和编织纱 称出各自的重量g 和g 外层包缠纱的 重量g 2 g g l 就可求出重量比 即增强纤维与包缠纱的重量比为 g l g g 1 3 纤维的体积比 由于重量可以测出 密度已知 根据体积一重量公式 可求出体积比 即 v 1 v 2 g i 9i g g 1 p2 另外 利用纺制好的纱线手工编织了几个织物样品 可以测出织物的经纬密 度 以及织物中纤维的体积含量 试验结果如表2 3 所示 通过表格 可以看到 试验制得的几种混纺纱线的体积比接近于预期的比 何l i o 微编纱结构及 渗透性能蚵 究 表2 3 编织纱混合比测试表 测试数据 测试 测试条件 实测号数重量比体积比 备注 对象 k 度 m m 重量 g g k m g f p p g f p p 芯纱 1 1 3 4 0 0 01 2 1 5 81 0 7 2 1 3 1 3 芯纱 室温1 1 3 4 0 o o3 1 4 82 7 7 6 0 2 号 芯纱 3 号 2 8 4 0 0 0 01 4 0 74 9 5 4 2 公称1 0 0 d 丙纶 4 8 编织 2 8 3 5 0 0 0孔 加弹 加陶瓷 纱 粉 编织 l 号玻纤芯 1 0 0 1 包芯 1 1 3 4 0 0 02 0 7 11 8 2 66 35 8 7 4 1 33 3 6 7丙纶8 股并合为一 纱1 根 8 根编织 编织 2 号玻纤芯 1 0 0 d 包芯 1 1 3 4 0o o4 9 2 84 3 4 5 76 3 9 3 6 13 8 5 6 1 5 丙纶2 股并合为一 纱2室温 根 8 根编织 编织 包芯 3 号玻纤芯 1 0 0 d 纱3 1 0 9 0 5 0 08 5 9 87 8 8 4 56 0 3 3 9 73 7 4 6 2 6 丙纶4 股并合为一 根 8 根编织 编织 1 号玻纤芯 1 0 0 d 包芯 2 8 4 0 0 0 03 8 6 1 51 3 5 9 6 8 3 0 9 97 8 9 2 1 15 6 8 4 3 2丙纶4 股并合为一 纱4 号 根 8 根编织 经密纬密 根 根 长 宽 厚总体积纤维体积 m m r a m 3 之和 m m 3 1 0 c m 1 0 c m 织物 号纱编 1 7 2 5 哭 组织7 15 4 层4 6 8 1 8 1 0 58 8 4 5 23 7 4 2 7 l 勾2 5 d 织物 2 号纱编 织 组织9 6 2 6 层 4 0 9 71 3 9 2 0 8 5 2层 5 9 0 1 68 5 6 3 3 为2 5 d 织物 4 号纱编 织 组织6 83 6 层2 0 7 层 2 4 8 2 9 3 1 2 8 9 3 7 6 7 26 9 4 8 3 3 3 为2 5 d 微编纱结构 6 乏j c 渗透性能研究 第三章微编纱的加工设备和加工工艺 3 1 二维编织机 编织工艺是人类发展史上使用最早的纺织技术之一 但由于各方面的限制 没有像机织 针织和非织造技术那样在纺织领域得到广泛应用 不过 随着复合 材料成型t 艺的发展编织技术重又被拾起 进入7 0 年代 在缠绕工艺的影响下 二维编织工艺被引入复合材料领域 到8 0 年代 二维编织设备已占有一席之地 二维编织机 它由传动机构 轨道盘 纱锭 成型板和卷取装置组成 如图 2 1 所示 轨道盘上装有纱锭运行的轨道 纱锭在传动机构的作用下 沿轨道 盘运动 其运动轨迹呈横躺的 8 字或者呈 梅花 型 纱锭上载有纱管 因此纱管随纱锭一起运动 编织好的织物被卷取装置移走 采用二维编织机可以 编织出圆管或平幅织物 为了生产的需要 我们进行了部分的改装 主要是加装 了芯纱的喂入机构 3 1 1 二维编织机的主要机构 二维编织机的主要组成部分有 携纱器机构 纱线交织机构和提取机构 携 纱机构器由轨道跟随器 纱管轴 张力机构和送纱机构组成 所有的携纱器都有 这些基本部件 最主要的差异在送纱机构 可以通过钩 圈或轮 和张力控制机 构 可通过重锤或弹簧 角齿轮安装在轨道盘的下面 用来带动携纱器沿轨道槽运动 角导轮是安装 在角齿轮上的一个金属盘 在此金属盘的周界上铣有凹槽 这些凹槽带着携纱器 运动 并把携纱器从一个角齿轮转移到下一个角齿轮 但在每一个交叉点处 齿 轮的定位都必须非常精确 否则 携纱器很难冲破阻力滑过轨道 角导轮上的凹 槽数目不同 所编织出的织物组织结构 即纱线交织的型式就不同 另外 还要 注意几点 由于角齿轮和轨道盘是连接在一起的 所以角齿轮的个数应该是偶数 角齿轮的尺寸决定编织机的最小尺寸 同时也影响安装螺栓的大小以及螺栓中心 通孔的大小 这些通孔被用来引入轴向纱线 编织机构有轨道和轨道盘 轨道被加工成复合的 8 字型 图3 2 所 示 它的运动轨迹就是走 8 字形 提取机构 当角齿轮旋转并推动携纱器沿着轨道运动时 纱线相互交织并形 成织物 为形成连续的编织物 需要有一个提取机构 由于编织的是柔性织物 微编纱结构及其渗透性能研究 所以我们的提取机构是摩擦轮和履带 研究中对成纱器进行了改造 它是一个中间有孔的装置 安装在携纱器的上 方 即轨道盘的纵轴方向 它和轨道盘之间的距离可以调节 织物从引导孔中通 过 它可以使织物的编织口和轨道盘之间的距离保持不变 因此可以编织出结构 均匀的织物 但为了方便 将其改装为一个简易的导纱钩 这样既减少了纱线与 孔之间的摩擦 又有利于断纱后换纱和卷耿装置卷满后换轴 芯纱 携纱 输出方向 运动方向 图3 1 二维编织机示意图 图3 2 编织运动示意图 道盘 傩纤维 微编纱结构及其渗透性能研究 3 12 编织原理 基本的二维编织机管状编织由两组编织纱或编织纤维组成 但由于织制的是 包芯纱 中间还需要一根纵向纱线 轴向纱线 在成型后织物的最终结构中 编织纱与编织物成型方向 轴向纱线运动方向 所夹的角是相同的 但方向却相 反 而且 一组中的一根纱线不会与同一组中的任何其它纱线相交叉 在编织中 所有纱线同时运动 同一组中的所有纱线都沿同一个方向运动 顺时针或逆时针 而另一组中的所有纱线则沿与上一组纱线相反的方向运动 逆时针或顺时针 为 了保证两组纱线相互交织 机器提供了一种运动 即在每一组中 一些纱线朝着 圆管的中心运动 而其余的纱线则朝着圆管的外缘运动 在同一时刻 纱线不但 沿着圆管的半径方向向里 向外运动 而且还沿着圆管的圆周方向运动 纱线在 机器上的运行轨迹如 图3 2 所示 图中细线是沿一个方向 顺时针方向 运 动的纱线的运动轨迹 粗线表示相反方向 同时由于纱线要沿着圆管的半径方向 运动 而它们在半径方向的位置不同 因此从携纱器到已编织成型的织物之间的 纱线长度也就不同 所以 当携纱器在某些位置时 它必须给出较长的纱线 而 在另一些位置时 就必须给出较短的纱线 这也就是携纱器具有纱线张力控制机 构和纱线释放机构的原因 3 2 编织工艺 在二维编织中 一般有一个编织纱系统 编织前 首先根据所需的织物结构 确定所用的纱锭数目 并将这些纱锭按一定规律安放在轨道盘上 然后将卷绕好 纱线或纤维束的纱管安放在纱锭上 所有的纱线通过成型板集中在卷取装置上 调整好纱锭在轨道盘上的运动速度和卷取速度 编织时 编织纱系统又分为两组 一组在轨道盘上沿一个方向运动 另一组则沿相反的方向运动 这样纱线相互交 织 并和织物成型方向夹有 o 角 e 角称为编织角 交织的纱线在成型板处形 成织物 然后被卷曲装置移走 微编纱需要在中间加入芯纱 即轴纱系统 轴纱 在编织过程中并不运动 它只是被编织纱包围 从而形成一个二维三向织物 编织前 首先根据所需要的织物结构确定所用纱锭的数目 并将这些纱锭按 一定的规律 也就是根据成型织物的组织规律 安放在轨道盘上 然后将卷绕好 纱线或纤维的纱管安放到纱锭上 芯纱从筒子上退绕下来之后 经过两个张力夹 再穿过固定在轨道盘下面的两个导纱钩 最后将所有的纱线穿过成纱器位置的导 纱钩并固定在卷取装置上 调整好纱锭的轨道盘上的运动速度和卷取速度 就可 微编纱结构及其渗透性能研究 以进入编织阶段 对整个编织系统来说 总共有1 6 个纱锭 如果1 6 个都用 这样的编织称为 二二编织 如果只用一半 即8 根编织 这样的编织称为一一编织 本研究试织 过程中 采用的是一一编织 编织角是重要的编织工艺参数 它与包缠密度 包缠紧度 编织效率都有直 接的关系 实践表明 采用2 6 左右的编织角是较适合的 编织纱的结构形状图如图3 3 图3 4 所示 图3 3m a g 6 0 0 x 微编纱的纵向s e m 照片 图3 4 微编纱的纵向示意图 微编纱结构及就渗透性能研究 第四章微编纱的结构特征与几何参数 4 1 纤维直径 玻璃纤维是个光滑的圆柱体 它的截面几乎是完整的圆形 玻璃纤维的单 丝直径一般为3 10 l t m 编好的纱线做成切片并在电镜下观察截面的形状 并将其局部放大 以便测试其直径 结果如图4 1 所示 图4 1 玻璃纤维束的横截面图 微编纱结构及其渗透性能研究 从图4 一l 中 随机取1 0 根玻璃纤维 测试其直径 结果如表4 1 表4 2 所示 表4 一l 微编纱中玻璃纤维的直径 1234567891 0 直径 l l m l o991 11 088 59 589 平均直径 9 2 j t m 表4 2 微编纱中玻璃纤维的直径 l234567891 0 直径 m 991 l1 09 591 01 2 1 l9 平均直径 l o 9 5 r u n 4 2 芯纱内部纤维的几何排列 4 2 1 理论模型 假设微编纱的内部增强玻璃纤维依然是圆柱形 可以建立几何模型 求出纱 线内部纤维排列的孔隙率e 关于纤维堆积体的几何排列有以下几种假设 1 纤维呈圆形阵列排列 如图4 2 2 纤维呈矩形阵列排列 如图4 3 3 蜂窝状排列 如图4 4 微编纱结构及1e 渗透性能研究 幽4 2 圆阵列排列的几何模型 共m 列 图4 3 矩形阵列的几何模型 图4 4 蜂窝状排列的儿何模型 共n 行 一 微编纱结构及其渗透性能研究 4 2 2 体积含量的计算 圆形阵列排列和矩形排列的理论纤维体积含量的计算公式为 公式4 1 4 m 2 l i r a 驴 惫鎏 等岩秽 o s c a 刊 l i m p m i l i m 主二 5 二尘 s s 即有 o 7 5 0 p o 7 8 6 d 巫 o 7 8 5 p 五i i 刮 缁3 式中 m n 分别为矩阵列中横纵向纤维根数 圆阵阵列排列和矩形排列的情况 只有在特殊约束条件下才能成立 因为它 是一个不稳定的结构 通过观察发现增强纤维的排列呈团簇状 在团簇内呈任意 排列 团簇之间有裂纹隔开 被加压后 呈等距离的任意排列 根据以上观察 首先建立纤维在两两相切时的几何模型 图4 4 将该模型得到的计算结果 经 简单的处理便可得到等距离任意排列的计算公式 通过对公式的分析 发现在较 少根数的排列体内 体积含量便可达到稳定的极限值 也就是说在较小的区域内 空隙率的极限值便可以达到 这为处理边缘形状不规则堆积体的体积含量提供了 方便 推导过程如下 如图 4 4 设纤维半径为r 连结外层圆的圆心组成正六角形 正六角形的边过圆心和 切点 1 外层圆的总个数k 6k 一6 6 o 一1 4 4 微编纱结构及j 眩 透性能研究 2 总的圆的个数 m 一1 2 3 正六角形的面积 式中 a 为边长 2 k 一2 r 2 一1 r 4 6 4 5 s 玲鲁 2 一1 冰 2 以伍一1 2 n 6 4 7 4 正六边形内圆的面积 1 一掣 斌2 6 1 2 3 k 1 1 雄一 眦2 1 6 k 1 k 一一2 世 2 1 k 2 4 8 3 k2 3 k 一2 k 3 l z 最2 3 k2 5 k 3 z 震2 5 体积比 生一垒丝 二 丝 座 垒丝 二 丝 垃 4 9 i s2 访习磊r 乏6 靠4 52 茁习前6 97 一i 2 2 伍一1 2 十 3 三 0 9 0 6 9 2 4 3 4 1 0 文 m 口 后了 s 胛 l 6 m l s 旦觚 一瓦 小蛳 卜 微编纱结构及其渗透性能研究 6 若圆之间留有空隙 设想将圆的直径r 变为ar 圆心位置不变 所以s 不变 s 3 k2 6 k 4 k g 吠 2 3 k2 6 k 4 k 吠2 口2 s 2 s 3 k2 6 k 4 k 2 r 2 压 6 k 一1 2 r 2 协 量 垄 k 一 s 2 4 3 当a o 9 0 8 0 7 0 6 时 垒丝 二 茎 兰生 1 6 历 伍一1 2 4 1 1 s 8 1 7 t 6 4 n4 9 x3 6 x l t m 一 一 一 一 1 k ms 1 2 0 0 4 3 2 0 0 4 3 2 0 0 4 3 2 0 0 4 3 其极限值分别为 0 7 3 4 0 5 8 0 4 4 4 0 3 2 6 4 2 3 实验测量体积含量图 幽4 5 微编纱玻璃纤维排列的s e m4 6 微编纱玻璃纤维排列的s e m h v 1 5 0 k vm a g 6 0 0 x 2 微编纱结构及其渗透性能研究 图4 7 微编纱截面形状s e m 图4 5 4 6 是从纱线截面图4 7 上不同的部分取出的 实测空隙率分别为3 8 9 9 和3 6 5 2 平均空隙率为3 7 7 6 图4 一l 是加压以后纤维的排列 实测空隙率为2 6 1 7 因为它是等距离均匀 排列的符合蜂窝状几何排列 将实测数据代入公式 砌生 篓 k ms 2 4 3 得a o 9 3 相邻纤维表面之间的最小距离为 2 r oa r 2 r 1 一q 0 1 4 r 4 3 纱线直径的计算 假设取增强纤维的长度为l 空隙率为e 密度为p g 为纱线号数 纱线的 半径为r 由体积重量公式可得 r 2 1 一 lp g 1 0 0 0 1 0 0 l 公式可简化为 r 2 1 p g 1 0 0 0 1 0 0 则 r g 1 一 1 0 0 0 1 0 0 np 1 彪 4 1 2 将数据代入公式中 得到编织纱中玻璃纤维的半径 和丙纶纤维的半径如表4 3 表4 4 所示 微编纱结构及其渗透性能研究 表4 3 编织纱中玻璃纤维的半径 纱线号数 t e x 1 0 7 2 1 32 7 7 6 04 9 5 4 2 半径 m m 3 7 7 6 0 4 6 3 80 2 3 6o 3 15 3 半径 r a m e 2 6 17 0 4 2 5 40 2 2 0 70 2 9 0 8 表4 4 编织纱中丙纶纤维的半径 l 纱线号数 t e x 8 8 8 94 4 4 42 2 2 2 半径 m m e 1 2 0 2 0 1o 1 4 2o 1 0 4 4 编织角 4 4 1 编织角的定义 编织时编织纱系统可分为两组 一组在轨道盘上沿一个方向运动 另一组则沿