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1、第2 8 卷第6 期 2 0 0 r 7 年6 月 纺织学报 J o u m a lo f r e x d l eR e s e a r c h V o I 2 8N o 6 J I I l l 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 “2 0 0 7 ) 0 6 0 0 6 6 0 4 亚麻机织物增强热塑性复合材料的性能 黄故，刘丽妍 ( 天津工业大学纺织学院，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要利用聚丙烯纤维对亚麻纱线进行包缠，使用该纱线织造3 种经纱密度相同，纬纱密度不同的平纹织物。 利用热压机将5 层织物复合，分别制成3 种复合材料板材。对板材的拉伸性能进行测试和分析。测
2、试结果表明：织 物中纱线的密度对层合板的强力和断裂伸长率有重要影响；在条件一定的情况下，随着织物纬纱密度的减小，材料 沿经向的拉伸强度呈上升的趋势，而经向断裂伸长率呈下降趋势。 关键词复合材料；亚麻；聚丙烯；热塑性基体；拉伸性能 中围分类号：髑1 0 2 2 2 1 ；r Q 3 2 7 9文献标识码：A R e 辩a r c h o nn 呛t l 地m o - p l 嬲t i cc 伽l p o s i t e sI 诚n 】r c e db yw o V e nn a xf h b r i 岱 H U A N GG u ，U UL i y a l l ( s c Z 旷t 姚，嘞彬nP
3、 D 加砒胁溉跏酊，孙咖3 0 0 1 6 0 ，C 讹) A b s t 瑚I c t f 0 1 ) 甲I D j p y l e n ef i l a n l e n t sw e r ee I n p l o y e dt o 印t h en a 】【y 锄3k i n d so fp l a i nf 曲I i c s w e r ；ew o V e n w i t hi d e n t i c a lw 唧d e n s i t ya l l dv a J i o u sw e f td e n s i t yb yu s i n gt h ep m d u c e dy 唧s H
4、 e a tp r e s sw 鹪e m p l o y e dt o f 如r i c a t e5 - l a y e rf a b r i ci n t ol a m i n a t e d 。c o m p o s i t e s ，a Ut o g e t h e r3 鲫p so f1 枷n a t e sw e r ep m d u c e d T h e t e n s i l es t r e n 群ho ft h ec o m p o s i t e sw a st e s t e d T h em e a s u r e I n e n tr ；e v e a I e
5、dt h a tf 曲I i ct 量l r e a dc o u n th 鹪g r e a t i m p a c to nt h et e n s i l es t r ；e n 殍ha n de l o n g a t i o na tb r e a ko fl a I I l i n 砒e s ；u n d e ri d e n t i c a lc o n d i t i o n s ，t l l ew 唧w i s e t e n s i l es t r e n g t ho fm e1 a I I l i n a t e si n c r e a s e d 讲t l lt
6、h ed e c r e 船e dw e f td e n s i t ) r ，b u tt l l e e l o n g 砒i o n a tb r e a l 【 d e c r e a s e d K e yw o r d sc o m p o s i t e s ；n a x ；p 0 1 ) ，p m p y l e n e ；t h e n n o p l 鹊t i cm “x ；t e n s i l es t r e n g t hp m p e n y 目前广泛使用的热固性复合材料，具有强度高， 刚性好的特点，但从保护环境的角度来说，热固性复 合材料的缺点也是十分明显的，
7、该类材料使用的树 脂固化后不能再回收。在复合材料领域广泛应用的 玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等多为高分子聚合物， 在自然环境下不容易降解。 随着环保意识的增强，近年来用植物纤维作增 强体的复合材料已开始应用于工业领域，天然纤维 复合材料在建筑、交通运输、仿生制品以及办公用品 等方面的应用已经初见成效。利用麻纤维替代高性 能纤维已经取得可喜成果。1 。，利用黄麻、苎麻、剑麻 作为增强材料的研究正在逐步深入u 。1 。与热固性 复合材料相比，热塑性复合材料具有可回收的特点， 有利于环境的保护 6 。8 。近年来热塑性复合材料的 研究与开发备受人们的关注。在本文研究中使用聚 丙烯纤维作为基体，该纤维密
8、度为0 9 1 9 c m 3 ，是化 学纤维中密度较轻的一种，纤维不吸湿，干湿状态下 性能无明显变化，不霉不蛀。聚丙烯纤维强度和初 始模量较高，具有优越的力学性能，耐腐蚀，无毒性 和低价格指数。部分热塑性基体被废弃后，在加热 到相应温度时会熔化，从而可以被分离出来，具有可 重复加工和使用的特点，有利于环境保护，因而受到 人们的重视。 本文选用亚麻纤维作为增强材料。由于基体纤 维包缠在增强纤维表面，在织物中二者均匀地排列 着，固化时基体流动的距离较短，有利于与纤维的浸 润。使用聚丙烯纤维包覆亚麻纱线的包缠纱，在织 造过程中，聚丙烯纤维承担了外来的摩擦，保护亚麻 收稿日期：2 0 0 5 一1
9、2 2 5修回日期：2 0 0 6 0 5 2 5 作者简介：黄故( 1 9 4 6 一) ，男，教授。主要研究领域包括纺织工艺理论、纺织复合材料等。E - I 埘l ：h u 眦g l l l p u 蛐c t p t t j c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期黄故等：亚麻机织物增强热塑性复合材料的性能 6 7 纤维不受损伤。聚丙烯纤维在复合过程中要受热熔 化，即使织造时由于摩擦受到损伤也不会影响复合 材料的性能。 1 实验与分
10、析 1 1 包缠纱的纺制 使用的亚麻纱线是由佳木斯亚麻厂提供的。纱 线的线密度为6 6 7t e x ，断裂强度为8 8 2 4c N 。聚丙烯 长丝线密度为1 2 5t e x ，由天津工业大学特种纤维研 究所提供。在并线机( M A K A G O s H IM a e h i n e n rC o m ，日本) 上用聚丙烯长丝包缠亚麻纱线，制成合 股纱；在花式捻线机( T O w AH F 一6 7 9 8 ，日本) 上制成 包缠纱归J 。包缠纱的捻度为5 2 0 捻m 。根据亚麻纱 线和聚丙烯长丝的线密度和比重进行计算，确定使 用3 根聚丙烯长丝包缠1 根亚麻纱线的方案。计算 结果表明
11、，包缠纱中亚麻纱线的体积含量约为 5 4 。由该纱线制作的复合材料板材中纤维的体积 含量将接近此值。在复合材料中，纤维的体积含量 过少就不能发挥纤维的增强作用；纤维过多，则基体 材料不能充分浸润增强材料，降低材料的性能，因此 纤维在复合材料中的体积含量要适当控制。包缠纱 试样照片见图l 。 图1亚麻聚丙烯长丝包覆纱 F i g 1F l a 】【y a mw I a p p e dw i t hp o l y p r o p y l e n e6 l 踟e n t 织物是在自动剑杆样机( 型号A S L 2 0 0 0 ，天津工 业大学) 上织造的。为了研究织物结构对产品性能 的影响，制作了3
12、 种织物，织物规格如表1 所示。 表l 织物规格 T a b 1F a b r i cs p e c i 矗c a 廿o I 坞 注：织物组织均为平纹。 在织物下机4 8h 后，对其进行测试分析。织物 厚度用Y G l 4 1 厚度仪( 常州第二纺织机械厂) 测量； 织物拉伸强度用H D 0 2 6 N 电子织物强力测试仪( 南 通宏大公司) 测试，结果如表2 所示。表中的数据是 5 个测试结果的平均值。对所采集的同类数据( 每 一纵行) 进行显著性检验，结果表明，同类数据之问 的差异均是十分显著的。 表2 织物性能测试结果 T a b 2F a b r i cp m 雕I t i 璐 从表2
13、 中看出，随着纬密的降低，织物的厚度降 低，面密度减小，纬向的断裂强力降低。纬向断裂伸 长率随纬密的降低逐渐减小，这是因为当纬密较大 时，织物纬向强力较大，织物经过较长时间的拉伸才 会断裂，从而导致较大的伸长率。另外，在纬向的纬 纱根数较多时，由于纱线之间的承力差异，使纱线不 同时断裂的几率增加，也会提高织物在纬向的断裂 伸长率。经向断裂强力随着纬纱密度的减小而增 加。分析其原因，主要是纬密的减小导致经纱弯曲 较小，提高了经纱强力的利用率。经向断裂伸长率 远远大于纬向，其原因是在织造过程中，纬纱具有较 大的张力，使纱的屈曲程度大于纬纱。在沿经纱方 向拉伸织物时，弯曲较大的经纱使织物产生了比较
14、大的伸长率。 1 2 层合板的制作 本文使用5 层织物进行层合。织物剪裁后逐层 重叠起来，在叠放时要保持各层间的经纱相互平行。 复合过程中使用的设备为塑料制品热压机( 型号 Y T D 7 l _ 4 5 A ，天津锻压机床厂) 。加工工艺和过程： 将层叠的织物置于热压机的压头之间，在不施加压 力的情况下升温至1 0 0 ，将机器预热。开始调节 压力至5M P a ，再升温至1 6 0 ，保持该状态l OI I l i n ； 然后压力升高到1 0M P a ，再将温度升高到1 9 5 ；最 后调节压力到1 5M P a ，并保持该压力和温度2 0m i n 。 然后在保持该压力不变的情况下，
15、使温度逐渐降低 到室温，便可得到亚麻增强热塑性基体板材。 1 3 层合板拉伸性能测试与分析 板材制成4 8h 后，进行拉伸强度测试。按照 G B1 4 4 7 8 3 进行实验。实验使用I 型试件。试件 尺寸如图2 所示。 拉伸实验是在I n s t m n3 3 6 9 ( 日本) 试验机上进行 的j 实验中夹头之间的距离为1 2 0n u n ，测试速度为 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 6 8 纺织学报 第2 8 卷 单位：一 图2 试件的结
16、构 F i g 2 M e 躺u r e m e n to ft l l bs p e c i m e n 5m I I l I I l i n 。测试环境：温度为2 0 ，相对湿度为 5 5 。测试数据如表3 所示。 表3 材料拉伸强度测试结果 T a b 3T 蚰蚰e 如嘲l g 也o f 伍em 曲e r i m 表3 中的c 1 ，C 2 ，c 3 分别表示由织物1 ，2 ，3 复 合而成的板材。表中的每个数据均是5 次测试结果 的平均值。对于表中的4 列数据，在相同列中进行 了显著性检验。结果表明，纬向断裂伸长率之间的 差异是不显著的，其余3 列数据之间的差异非常 显著。 从表3 还
17、可看出，随着纬密的减少，经向拉伸强 度呈上升的趋势。以c 1 为例，该板材使用的织物具 有最大的纬密( 1 0 0 根1 0c m ) ，织物中的经纱具有较 大的屈曲，当板材受到拉伸时，经纱会产生较大的推 动纬纱的力，这会降低经纱的强度利用率。对于 c 3 ，使用的织物的纬密较小，经纱在织物中相对较 平直，材料受到拉伸时，经纱强度的利用率较高，因 此经向的强力值较大。随着纬密的减少，板材的纬 向强度也逐渐降低。纬纱根数越少，材料的强度会 随之降低。 从表3 还可看出，随着纬密的减少，所对应板材 的经向断裂伸长率逐渐降低。这是由经纱在织物中 的状态造成的。在纬密较小时( 例如c 3 ) ，经纱在
18、织 物中的屈曲较小。在相应的板材受到拉伸时，经纱 的伸长变形相对较小；另一方面，材料承受外力时， 经纱之间由于弯曲变形承担载荷大小的差距较小， 这样经纱几乎同时承担外力，所有经纱断裂时间比 较接近，由此导致较小的断裂伸长率。如果纬密较 大( C 1 ) ，由于经纱具有较大的屈曲，受到外力时会 有一定的伸长。另外由于经纱在织物中发生较大的 弯曲，在承担载荷时，弯曲小的首先受力，弯曲大的 经纱受力时间稍迟，经纱的断裂不是同时发生的，也 会造成较大的断裂伸长率。 如果将表2 和表3 中织物和试件的纬向强度进 行比较，可以发现，在纬密由最大到最小时织物强力 下降达到5 3 4 ，而复合材料纬向强度相应
19、下降为 2 7 7 。分析其原因，这是由复合材料的结构造成 的。在复合材料中，当材料沿纬纱方向被拉伸时，由 于基体的黏结作用，经纱也参与了承受外加拉伸力 的过程。由于经纱的介入，使影响纬向强力的因素 不仅仅是纬纱，从而在一定程度上削弱了纬密所起 的主要作用，使不同密度纬纱材料的纬向强力差异 减小。应该说明的是，即使在织物沿纬向拉伸时，由 于纱线之间的摩擦，经纱也会协助纬纱承担外来的 负荷，只是由于没有基体的黏结，协助作用较小。 对于板材的纬向断裂伸长率，在使用不同的纬 密时，没有发现明显的变化，这可能是由于实验误差 造成的，有关问题尚需要进一步的探索。 通过以上分析，可以认为，织物的纱线密度对
20、层 合板的强度、断裂伸长率有着重要影响。其原因是 织物中由密度变化引起的纱线屈曲程度不同，纱线 的屈曲程度有差异，纱线的强度利用率会有区别，由 此影响到板材的强度。受到外力时，纱线的变形不 同，板材的伸长也不同。 2结论 为了保护生态环境，某些非结构性部件可以选 用热塑性复合材料制作。使用的增强纤维可以用麻 或其他天然纤维替代玻璃纤维。使用包缠的方法将 基体纤维包覆在增强纤维表面，可以减少在材料加 工过程中对增强纤维的损伤。在复合过程中，可以 减少基体的流动距离，使纤维和基体实现均匀的 混合。 如果使用织物作为增强材料，织物的密度会在 一定程度上影响材料的性能。织物的密度变化会导 致纱线在织物
21、中屈曲程度的变化，所复合的板材在 承担载荷时，纱线的强度利用率会不同，使板材的强 度发生变化。纱线弯曲程度的不同会引起材料刚性 的变化，结果会产生不同的断裂伸长率。 参考文献： 1 谢苏江，蔡仁良麻纤维增强软木橡胶非石棉密封材 料的制备及性能研究 J 复合材料学报，1 9 9 8 ，1 5 ( 4 ) ： 6 一】5 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期黄故等：亚麻机织物增强热塑性复合材料的性能 6 9 2 3 4 5 曾竞成，肖加余，梁重云，
22、等黄麻纤维增强聚合物复 合材料工艺与性能研究 J 玻璃钢，复合材料，2 0 0 l ( 2 ) ：3 0 一3 3 张长安，张一甫，王春齐，等苎麻落麻纤维的偶联改 性研究 J 玻璃钢，复合材料，2 0 0 2 ( 5 ) ：1 9 2 1 王俊勃，万振江，金小慧苎麻三维结构纬编针织复合 材料预制件的研制 J 西北纺织工学院学报，2 0 0 1 ，1 5 ( 1 ) ：3 6 3 8 王鹏飞，王俊勃，万振江，等苎麻布增强u P 复合材料 的研究 J 玻璃钢，复合材料，2 0 0 0 ( 2 ) ：1 8 2 0 6 7 8 9 张宝艳，边俊形，陈祥宝，等用共混纱制备热塑性复 合材料 J 复合材料
23、学报，2 0 0 3 ，2 0 ( 3 ) ：1 7 2 1 1 ( i mD a e H w 蛐，k eW 0 0n ，l ( 1 跳sF f i e d r i c h Am o d e lf o r at l I e n n o p l 鹊t i c p u l t r u t i o np r o c e s su s i n g c o 删f I l i n g l e d y 锄8 J C o m p o s i t eS c i e n c e 蚰dT e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，6 l ： 1 0 6 5 1 0 7 7 李龙，张茂林，王俊勃，等复合
24、材料用混纺纱的结构 与浸渍性能研究 J 宇航材料工艺，2 0 0 2 ( 5 ) ：3 1 3 3 董卫国，黄故用于热塑性复合材料混纺纱的织造性 能 J 纺织学报，2 0 0 5 ，2 6 ( 4 ) ：6 8 6 9 ( 上接第6 2 页) 数码印花设计一样自由，可以随心所欲地开发效果 2 浙江丝绸工学院，苏州丝绸工学院织物组织与纹织 新颖的数码提花织物产品。 学：上册 M 北京：中国纺织出版社，1 9 8 7 ：9 2 3 周赳，吴文正无彩数码提花织物的创新设计原理和 参考文献： 方法 J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 4 ) ：l 一5 1 浙江丝绸工学院，苏州丝绸工学院织物组织与纹织 4 周赳，吴文正有彩数码提花织物的创新设计原理和 学：下册 M 北京：中国纺织出版社，1 9 9 7 ： 方法 J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 5 ) ：6 9 1 9 2 2 5 2 5 刘武辉，胡更生，王琪印刷色彩学 M 北京：化学 工业出版社2 0 0 4 ：1 4 2 6 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark