研究了經(jīng)編柔性復(fù)合材料的頂破性能。通過(guò)對(duì)不同密度的基布、不同涂層厚度、不同涂層樹(shù)脂的經(jīng)編雙軸向復(fù)合材料的頂破性能分析 , 得出了織物密度、涂層厚度、涂層樹(shù)脂與頂破強(qiáng)力之間的關(guān)系。
目前對(duì)膜材料力學(xué)性能的研究 , 主要集中在單向拉伸和撕裂 ,對(duì)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(shí)受到拉伸 , 由于在與拉伸方向垂直的方向上保持零應(yīng)變 , 所以拉伸方向上應(yīng)變較均勻。但是目前多軸向拉伸方式在儀器上的實(shí)現(xiàn)依然存在困難 , 難以推廣。而在實(shí)際的應(yīng)用中 , 建筑膜材料經(jīng)常會(huì)受到多個(gè)方向拉力的作用 , 頂破是一種常見(jiàn)的破壞形式。所以 , 頂破性能的好壞會(huì)直接影響到柔性復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。本文主要探討經(jīng)編預(yù)定向柔性復(fù)合材料的頂破性能 , 試驗(yàn)分析了在不同基布、不同涂層厚度、不同涂層樹(shù)脂頂破條件下 , 經(jīng)編預(yù)定向柔性復(fù)合材料的力學(xué)特性和破壞形式。
1 試驗(yàn)
1. 1 織物基布規(guī)格經(jīng)編雙軸向玻璃纖維織物EKB600 和 EKB750 的具體規(guī)格如表 1 所示。
1. 2 涂層樹(shù)脂規(guī)格及配方本試驗(yàn)所采用的 PVC( 聚氯乙烯 ) 為 P440 糊狀樹(shù)脂 ( 上海天原化工廠) ,具有良好的透明性、熱穩(wěn)定性、抗水性和耐候性。 P440 為中等分子量的通用型樹(shù)脂 , 聚合度為1 500 左右 , K 值為 73 ～ 75 。本實(shí)驗(yàn)所采用的PU (聚氨酯 )為 MP 2120 (上海中大科技發(fā)展有限公司 ) , MP 2 120 的特征是柔軟性、韌性、彈性優(yōu)秀 , 適宜于服裝面料、帳篷 , 使用時(shí)根據(jù)要求應(yīng)適當(dāng)加入甲苯或 DMF 溶劑以調(diào)節(jié)粘度。樹(shù)脂的各項(xiàng)參數(shù)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(jìn)而改善其流動(dòng)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(diào)整成型加工性能、提高制品尺寸穩(wěn)定性 ; ZnO 是熱穩(wěn)定劑 , 主要作用是阻止和抑制 PVC 樹(shù)脂在成型加工過(guò)程中受熱分解和延長(zhǎng)制品的使用壽命。 TiO 2 是光穩(wěn)定劑 , 主要作用是抑制或減弱 PVC樹(shù)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(shù)脂粘度。在涂料中添加少量色素的目的是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中便于識(shí)別。
1. 3 涂層設(shè)備
常用的涂層工藝主要有干法直接涂層、濕法涂層和轉(zhuǎn)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(guò)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(shè) 備 為JMU972 型落地式涂層機(jī) ( 北京紡織機(jī)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(cè)試
頂破強(qiáng)力的測(cè)試方法有彈子式和氣壓式兩種。本試驗(yàn)采用彈子 式。頂 破 試 驗(yàn) 在 南 通 宏 大HD026N 電子織物強(qiáng)力儀上進(jìn)行。將直徑為 60 mm 的圓形試樣固定在 規(guī) 定 的 夾 具 內(nèi) , 頂 頭 以50 mm /min 的速度垂直地頂向試樣 , 預(yù)加張力為 0. 2 N, 直至試樣破裂。與此同時(shí) , 記錄裝置記錄整個(gè)頂伸過(guò)程的變形曲線 , 并給出頂破強(qiáng)力。對(duì)所有試樣進(jìn)行測(cè)試 , 每種試樣至少要得到 5 個(gè)以上有效數(shù)據(jù) , 分析采用的數(shù)據(jù)為其平均值。
2 結(jié)果及討論
2. 1 頂破特征曲線圖 1 顯示了典型的經(jīng)編雙軸向針織物的頂破曲線。圖 2 顯示了典型的以經(jīng)編雙軸向針織物為基布 , 經(jīng) PU 涂層或 PVC 涂層整理后構(gòu)成的復(fù)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(fù)合材料的頂破曲線有很多鋸齒 , 復(fù)合材料的頂破強(qiáng)力是針織物的 4 ～5 倍 , 復(fù)合材料在外力的作用下能夠承受較大的頂破變形。當(dāng)針織物被頂破時(shí) , 試樣迅速被破壞 , 并且所能承受的負(fù)荷迅速降低。當(dāng)復(fù)合材料被頂破時(shí) , 試樣繼續(xù)承載負(fù)荷 , 但負(fù)荷逐漸降低。玻璃纖維表面非常光滑 , 當(dāng)針織物受頂破外力作用時(shí) , 頂頭很容易穿透織物 ,因此頂破強(qiáng)力低 , 應(yīng)力迅速下降。針織物被樹(shù)脂浸潤(rùn)后構(gòu)成復(fù)合材料 , 玻璃纖維和樹(shù)脂能夠共同承受頂頭的外力作用 , 因此頂破應(yīng)力較大。在頂破的時(shí)候 , 最先達(dá)到最大伸長(zhǎng)部分的基體材料開(kāi)始被破壞 ,
然后這部分玻璃纖維開(kāi)始斷裂 , 而頂破破壞是從開(kāi)始破壞的部分延伸開(kāi)來(lái)的 , 因此會(huì)出現(xiàn)鋸齒形狀的頂破曲線。
2. 2 頂破強(qiáng)力分析與比較
實(shí)驗(yàn)中 , 在針織物 EKB750 和EKB600 上都分別涂覆兩種樹(shù)脂涂層厚度為 0. 5 mm 、 1. 0 mm 。試樣的頂破強(qiáng)力值如表 5 所示。
2. 2. 1 針織物基布結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料頂破強(qiáng)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(shù)脂(PU、 PVC) 相同時(shí) , 復(fù)合材料 EKB750 的頂破強(qiáng)力高于復(fù)合材料 EKB600, 原因是針織物EKB750 內(nèi)的經(jīng)紗、緯紗斷裂強(qiáng)力和織物厚度大于針織物 EKB600 。
2. 2. 2 不同涂層對(duì)復(fù)合材料頂破強(qiáng)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(fù)合材料的頂破強(qiáng)力明顯高于 PVC 涂層復(fù)合材料 , 原因是與 PVC 樹(shù)脂相比 PU 樹(shù)脂有更佳的彈性、強(qiáng)力 ,與針織物基布有更好的粘附性。
2. 2. 3 不同涂層厚度對(duì)復(fù)合材料頂破強(qiáng)力的影響由圖 3 ～圖 6 可以觀察到 , 涂層厚度對(duì)復(fù)合材料頂破強(qiáng)力的影響較大 , 涂層厚度越大 , 復(fù)合材料的頂破強(qiáng)力就越大 , 但是涂層厚度的增加會(huì)造成復(fù)合材料成本的上升。
3 結(jié)論
經(jīng)編雙軸向針織物基布厚度和經(jīng)緯紗線的斷裂強(qiáng)力對(duì)復(fù)合材料頂破強(qiáng)力的有一定的影響?？椢锖穸仍酱蟆⒔?jīng)緯紗的斷裂強(qiáng)力越大 , 則復(fù)合材料的頂破強(qiáng)力就越大。涂層樹(shù)脂品種的也對(duì)復(fù)合材料的頂破強(qiáng)力有影響。 PU 涂層復(fù)合材料的頂破強(qiáng)力明顯高于 PVC涂層復(fù)合材料。增加涂層厚度會(huì)提高復(fù)合材料的頂破強(qiáng)力 , 同時(shí)成本也會(huì)提高。
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