研究了經編柔性復合材料的頂破性能。通過對不同密度的基布、不同涂層厚度、不同涂層樹脂的經編雙軸向復合材料的頂破性能分析 , 得出了織物密度、涂層厚度、涂層樹脂與頂破強力之間的關系。
目前對膜材料力學性能的研究 , 主要集中在單向拉伸和撕裂 ,對雙向拉伸和多向拉伸的研究比較少。雙向拉伸指織物的橫向和縱向同時受到拉伸 , 由于在與拉伸方向垂直的方向上保持零應變 , 所以拉伸方向上應變較均勻。但是目前多軸向拉伸方式在儀器上的實現依然存在困難 , 難以推廣。而在實際的應用中 , 建筑膜材料經常會受到多個方向拉力的作用 , 頂破是一種常見的破壞形式。所以 , 頂破性能的好壞會直接影響到柔性復合材料的實際應用。本文主要探討經編預定向柔性復合材料的頂破性能 , 試驗分析了在不同基布、不同涂層厚度、不同涂層樹脂頂破條件下 , 經編預定向柔性復合材料的力學特性和破壞形式。
1 試驗
1. 1 織物基布規格經編雙軸向玻璃纖維織物EKB600 和 EKB750 的具體規格如表 1 所示。
1. 2 涂層樹脂規格及配方本試驗所采用的 PVC( 聚氯乙烯 ) 為 P440 糊狀樹脂 ( 上海天原化工廠) ,具有良好的透明性、熱穩定性、抗水性和耐候性。 P440 為中等分子量的通用型樹脂 , 聚合度為1 500 左右 , K 值為 73 ～ 75 。本實驗所采用的PU (聚氨酯 )為 MP 2120 (上海中大科技發展有限公司 ) , MP 2 120 的特征是柔軟性、韌性、彈性優秀 , 適宜于服裝面料、帳篷 , 使用時根據要求應適當加入甲苯或 DMF 溶劑以調節粘度。樹脂的各項參數如表 2 所示。PVC 涂層和 PU 涂層的配方分別如表 3 和表 4 所示。表中DOP 是增塑劑 , 主要作用是增大涂料軟化溫度與分解溫度之差 , 進而改善其流動性 , 使聚合物柔軟且有彈性。 CaCO 3 是填充劑又稱填料 ,主要作用是降低成本、提高制品剛度、調整成型加工性能、提高制品尺寸穩定性 ; ZnO 是熱穩定劑 , 主要作用是阻止和抑制 PVC 樹脂在成型加工過程中受熱分解和延長制品的使用壽命。 TiO 2 是光穩定劑 , 主要作用是抑制或減弱 PVC樹脂及其他助劑的光降解作用 ;Sb 2 O 3 是阻燃劑。甲苯是催化劑 ,用于降低樹脂粘度。在涂料中添加少量色素的目的是實驗過程中便于識別。
1. 3 涂層設備
常用的涂層工藝主要有干法直接涂層、濕法涂層和轉移涂層三種。本課題采用干法直接涂層工藝。干法直接涂層是典型的直接涂布工藝 , 織物在一定的張力下水平 地 通 過固定 的 涂 布頭 , 薄而均勻的涂 層 劑 就直接 涂 在 織物 表 面。涂好后的織物用烘箱烘干 , 使涂層干燥 而 牢 固。涂 層 所 用 設 備 為JMU972 型落地式涂層機 ( 北京紡織機械器材研究所研制 ) 。烘干條
件如下 :
PVC 涂層 : 150 ℃ , 2 min;
PVC 涂層 : 150 ℃ , 2 min;
PU 涂層 : 160 ℃ , 1. 5 min 。
1. 4 試樣頂破性能測試
頂破強力的測試方法有彈子式和氣壓式兩種。本試驗采用彈子 式。頂 破 試 驗 在 南 通 宏 大HD026N 電子織物強力儀上進行。將直徑為 60 mm 的圓形試樣固定在 規 定 的 夾 具 內 , 頂 頭 以50 mm /min 的速度垂直地頂向試樣 , 預加張力為 0. 2 N, 直至試樣破裂。與此同時 , 記錄裝置記錄整個頂伸過程的變形曲線 , 并給出頂破強力。對所有試樣進行測試 , 每種試樣至少要得到 5 個以上有效數據 , 分析采用的數據為其平均值。
2 結果及討論
2. 1 頂破特征曲線圖 1 顯示了典型的經編雙軸向針織物的頂破曲線。圖 2 顯示了典型的以經編雙軸向針織物為基布 , 經 PU 涂層或 PVC 涂層整理后構成的復合材料的頂破曲線。由圖 1 和圖 2 可以看出 , 針織物的頂破曲線比較平滑 , 而復合材料的頂破曲線有很多鋸齒 , 復合材料的頂破強力是針織物的 4 ～5 倍 , 復合材料在外力的作用下能夠承受較大的頂破變形。當針織物被頂破時 , 試樣迅速被破壞 , 并且所能承受的負荷迅速降低。當復合材料被頂破時 , 試樣繼續承載負荷 , 但負荷逐漸降低。玻璃纖維表面非常光滑 , 當針織物受頂破外力作用時 , 頂頭很容易穿透織物 ,因此頂破強力低 , 應力迅速下降。針織物被樹脂浸潤后構成復合材料 , 玻璃纖維和樹脂能夠共同承受頂頭的外力作用 , 因此頂破應力較大。在頂破的時候 , 最先達到最大伸長部分的基體材料開始被破壞 ,
然后這部分玻璃纖維開始斷裂 , 而頂破破壞是從開始破壞的部分延伸開來的 , 因此會出現鋸齒形狀的頂破曲線。
2. 2 頂破強力分析與比較
實驗中 , 在針織物 EKB750 和EKB600 上都分別涂覆兩種樹脂涂層厚度為 0. 5 mm 、 1. 0 mm 。試樣的頂破強力值如表 5 所示。
2. 2. 1 針織物基布結構參數對復合材料頂破強力的影響由圖 3 和圖 4 可明顯地觀察到 , 以針織物 EKB750 、 EKB600 為基布 , 涂層厚度 (0. 5 mm 、 0. 1 mm)和涂層樹脂(PU、 PVC) 相同時 , 復合材料 EKB750 的頂破強力高于復合材料 EKB600, 原因是針織物EKB750 內的經紗、緯紗斷裂強力和織物厚度大于針織物 EKB600 。
2. 2. 2 不同涂層對復合材料頂破強力的影響由圖 5 和圖 6 可觀察到 , 在相同針織物基布 (EKB750 、 EKB600)上涂 上 相 同 厚 度( 0.5 mm 、 1. 0 mm) 的涂層后 , PU 涂層復合材料的頂破強力明顯高于 PVC 涂層復合材料 , 原因是與 PVC 樹脂相比 PU 樹脂有更佳的彈性、強力 ,與針織物基布有更好的粘附性。
2. 2. 3 不同涂層厚度對復合材料頂破強力的影響由圖 3 ～圖 6 可以觀察到 , 涂層厚度對復合材料頂破強力的影響較大 , 涂層厚度越大 , 復合材料的頂破強力就越大 , 但是涂層厚度的增加會造成復合材料成本的上升。
3 結論
經編雙軸向針織物基布厚度和經緯紗線的斷裂強力對復合材料頂破強力的有一定的影響。織物厚度越大、經緯紗的斷裂強力越大 , 則復合材料的頂破強力就越大。涂層樹脂品種的也對復合材料的頂破強力有影響。 PU 涂層復合材料的頂破強力明顯高于 PVC涂層復合材料。增加涂層厚度會提高復合材料的頂破強力 , 同時成本也會提高。
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