喻 穎 張 超 馬丕波

江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心，江蘇 無錫 214122

超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料制備與壓縮性能研究*

喻 穎 張 超 馬丕波

江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心，江蘇 無錫 214122

詳細(xì)介紹超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的制備過程，測試復(fù)合材料內(nèi)部在不同氣壓下的壓縮性能。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和復(fù)合材料的破壞過程，討論不同氣壓下復(fù)合材料壓縮性能的變化規(guī)律，分析影響復(fù)合材料壓縮性能的因素。結(jié)果表明：超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的壓縮性能與其充入的氣壓有關(guān)，且隨著氣壓強(qiáng)度的增加，其抗壓能力和緩沖作用增強(qiáng)。

超大隔距經(jīng)編間隔，柔性復(fù)合材料，氣壓，壓縮性能

成品厚度超過100 mm的經(jīng)編間隔織物，稱為超大隔距經(jīng)編間隔織物。超大隔距經(jīng)編間隔織物在織造時(shí)形成的是壓縮類織物，其在織造后因充氣而膨脹，間隔層倒伏的間隔絲也因此而站立。間隔絲主要起連接作用。因此，超大隔距經(jīng)編間隔織物與傳統(tǒng)經(jīng)編間隔織物相比，可以滿足更多種類、不同厚度的紡織產(chǎn)品的要求，其強(qiáng)化了回彈性、保暖性、透氣透濕性、過濾性等[1]，同時(shí)以靈動(dòng)多樣的特點(diǎn)、奇特的空間結(jié)構(gòu)和良好的性能而被廣泛地應(yīng)用[2]。

但單獨(dú)使用超大隔距經(jīng)編間隔織物無法充分發(fā)揮其優(yōu)良性能，可將它與其他材料復(fù)合得到各種不同用途的超大隔距經(jīng)編間隔復(fù)合材料，賦予經(jīng)編間隔織物多樣的性能[3]，使其使用范圍更加廣泛，如可應(yīng)用于醫(yī)療用氣墊床[4]、軍事用浮橋[5]、救生艇[6]等領(lǐng)域，發(fā)展前景十分廣闊。

曾有研究學(xué)者建立了間隔織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的單胞有限元模型，并對(duì)復(fù)合材料的壓縮性能進(jìn)行預(yù)測[7]，研究超大隔距經(jīng)編間隔結(jié)構(gòu)柔性復(fù)合材料的壓縮性能，這些對(duì)這種新型復(fù)合材料日后的應(yīng)用有著很大的指導(dǎo)參考意義[8-11]。因此，本文將超大隔距經(jīng)編間隔織物與聚氯乙烯(PVC)復(fù)合，得到一種柔性復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，通過試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，探討超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料在不同氣壓下的壓縮性能。

1 超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的制備

1.1 原料選用

超大隔距經(jīng)編間隔織物的2個(gè)表層主要起連接間隔層的作用，其使超大隔距經(jīng)編間隔織物受到外力作用時(shí)間隔層中的間隔紗穩(wěn)定而不倒伏。本文將PVC作為涂層材料，與超大隔距經(jīng)編間隔織物復(fù)合，制成超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料。

超大隔距經(jīng)編間隔織物使用的間隔紗與普通經(jīng)編間隔織物明顯不同。超大隔距經(jīng)編間隔織物的間隔紗通常選用復(fù)絲，以滿足間隔層充氣時(shí)易伸展的要求。復(fù)絲的原料可以與表層的原料相同或不同。

1.2 織物織造

超大隔距經(jīng)編間隔織物是在帶有6把梳櫛的RD6雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)上織造的?？椢锍善泛穸葹?00 mm，其組織設(shè)計(jì)方案見表1。

表1 超大隔距經(jīng)編間隔織物組織設(shè)計(jì)方案

1.3 復(fù)合材料制備

本文選用干法直接涂層法制備超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料。干法直接涂層法是一種典型的直接涂布工藝，即超大隔距經(jīng)編間隔織物在一定張力下水平通過固定的涂布頭，薄且均勻的涂層劑直接涂在織物表面，然后用烘箱將涂層后的織物烘干，使涂層干燥并與織物牢固結(jié)合。

利用干法直接涂層法對(duì)超大隔距經(jīng)編間隔織物的2個(gè)表面涂層后，即得到超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料。由于后續(xù)要討論復(fù)合材料被充滿氣體后在不同氣壓下的壓縮性能，因此后加工時(shí)應(yīng)注意材料的氣密性。

2 超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的壓縮性能

2.1 破壞過程與形態(tài)

本文制備的超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的柔性由其充入的氣體量來決定，因而在超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料被充滿氣體的情況下，充入氣體的氣壓成為影響其壓縮性能的主要因素。本文采用YF-900系列材料試驗(yàn)機(jī)測試超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料在100%、80%、60%氣壓下的壓縮性能(設(shè)復(fù)合材料被充氣至破壞時(shí)的氣壓為100%氣壓，隨著充入氣體量的減少，其氣壓分別為破壞氣壓的80%、60%，即記為80%、60%氣壓)。在壓縮試驗(yàn)中，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料隨著壓縮的持續(xù)進(jìn)行，其變形逐漸增加，所承受的壓力和應(yīng)力不斷提高，直至達(dá)到最大應(yīng)力而破壞。

超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料在100%氣壓下的壓縮試驗(yàn)中的形態(tài)變化如圖1所示，(a)～(f)分別為壓縮0、10、20、30、40、50 s時(shí)的形態(tài)。其中，(d)即壓縮30 s時(shí)超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的形態(tài)已臨近破壞，其所承受的壓力已接近它能承受的最大壓力；(e)、(f)為超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料被壓縮至破壞后的形態(tài)。

(a) 0 s

(b) 10 s

(c) 20 s

(d) 30 s

(e) 40 s (f) 50 s

在80%、60%氣壓下進(jìn)行相同的試驗(yàn)，觀察到超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料在壓縮試驗(yàn)中的形態(tài)變化趨勢基本一致。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果討論

根據(jù)3種氣壓下超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料在壓縮過程中承受的壓力與垂直方向的位移，繪制壓力-位移曲線(圖2)。

圖2 3種氣壓下的壓力-位移曲線

如圖2所示，隨著壓縮試驗(yàn)的進(jìn)行，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料所承受的壓力逐漸增大，垂直方向的位移也逐漸增大；當(dāng)承受的壓縮作用達(dá)到其承載極限(即最大受力點(diǎn))時(shí)即發(fā)生破壞，位移達(dá)到某個(gè)位置。由于破壞造成超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料內(nèi)部所充氣體泄露，內(nèi)部的氣壓急劇下降，所能承受的壓力也隨之快速減小，直至減小到0，此時(shí)材料完全喪失使用功能。

由圖2可見，在位移相同時(shí)，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料所能承受的壓力在100%氣壓下最大，80%氣壓下其次，60%氣壓下最小。因此可以得出：隨著超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料內(nèi)部的氣壓逐漸增加，其所能承受的壓力逐漸提高。在相同壓力下，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料內(nèi)部的氣壓越小，垂直方向的位移越大。

為進(jìn)一步分析超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料內(nèi)部的氣壓對(duì)其壓縮性能的影響，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同氣壓下超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3)和吸收能量-應(yīng)變曲線(圖4)。

圖3 3種氣壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料被壓縮至破壞前，隨著應(yīng)力增大，應(yīng)變逐漸增加；當(dāng)材料被壓破時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值；之后，應(yīng)力急劇下降。

3種氣壓下，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀基本相同；應(yīng)力相同時(shí)，氣壓增大，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料因承受應(yīng)力而應(yīng)變減小。因此可以得出：在其他條件相同的情況下，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料所能承受的應(yīng)力隨其內(nèi)部氣壓變化而變化，即壓縮性能受其內(nèi)部氣壓的影響，隨著內(nèi)部氣壓的增大，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料所能承受的最大應(yīng)力上升。

由圖4可見，當(dāng)施加壓力造成應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料所吸收的能量逐漸增加；若施加不同壓力而使3種氣壓下超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料應(yīng)變相同時(shí)，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料內(nèi)部的氣壓越大，其吸收的能量越多。因此可以得出：超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料內(nèi)部的氣壓越大，緩沖作用越強(qiáng)，其承壓能力也越好。

3種氣壓下超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的最大應(yīng)力值和吸收能量峰值見表2，可以看出，隨著氣壓減小，其抗壓能力和緩沖性能下降。

表2 3種氣壓下超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的最大應(yīng)力和吸收能量峰值

3 結(jié)論

超大隔距經(jīng)編間隔織物是經(jīng)編間隔織物的重要突破，目前德國制造的最先進(jìn)的經(jīng)編機(jī)已經(jīng)能夠織造出最大厚度為160 mm的經(jīng)編間隔織物，且隨著研究的不斷深入，其優(yōu)異性能不斷地被開發(fā)出來，尤其是將其與一些化學(xué)材料(如剪切增稠液STF和硅橡膠)復(fù)合所得到的復(fù)合材料，具有非常好的壓縮性能和承載能力，極大地?cái)U(kuò)展了其使用范圍。本文采用超大隔距經(jīng)編間隔織物與PVC進(jìn)行復(fù)合，得到一種氣密性非常好的柔性復(fù)合材料，測試其在不同氣壓下的壓縮性能，結(jié)果表明，在超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料發(fā)生破壞前，隨著其內(nèi)部的氣壓不斷增加，其最大應(yīng)力值呈上升趨勢，吸收的能量峰值也逐漸增加，即其能夠承受的力越來越大、緩沖效果也越來越好。

分析試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料的壓縮破壞機(jī)理：在壓縮試驗(yàn)過程中，超大隔距經(jīng)編間隔柔性復(fù)合材料體積變小，材料內(nèi)部的氣體分子被壓縮，分子間距縮小，分子相互接近，導(dǎo)致材料內(nèi)部氣壓變大，材料內(nèi)部氣體對(duì)材料周圍的應(yīng)力越來越大，直至應(yīng)力增大到將材料破壞。

在研究超大隔距經(jīng)編間隔織物壓縮性能時(shí)，結(jié)構(gòu)參數(shù)有時(shí)也被作為一項(xiàng)影響因素，本試驗(yàn)不足之處為未對(duì)超大隔距經(jīng)編間隔織物的不同結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析。

[1] 夏風(fēng)林. 經(jīng)編間隔織物的抗壓回彈性研究[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2003, 24(4): 338-340.

[2] 李大俊, 蔣高明. 經(jīng)編間隔織物在醫(yī)療和保健領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2003, 21(10): 20-23.

[3] ARMAKAN D M，ROYE A. A study on the compression behavior of spacer fabrics designed for concrete applications[J]. Fibers and Polymers, 2009, 10(1): 116-123．

[4] HEIDE M. Spacer fabrics: Trends[J]. Kettenwirk Praxis, 2001, 35(1): 17-20.

[5] 陳振洲. 產(chǎn)業(yè)用經(jīng)編間隔織物編織技術(shù)研討[J]. 紡織學(xué)報(bào), 1999, 20(5): 303-305.

[6] 葉曉華. 功能性間隔織物的結(jié)構(gòu)與性能研究[D]. 上海: 東華大學(xué), 2006.

[7] 陳思, 龍海如. 經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料的壓縮性能[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 41(3): 282-287.

[8] LIU Yanping，HU Hong，ZHAO Li，et al． Compression behavior of warp-knitted spacer fabrics for cushioning applications[J]. Textile Research Journal, 2012, 82(1): 11-20.

[9] 倪曉超. 對(duì)經(jīng)編間隔織物產(chǎn)品開發(fā)的探討[J]. 山東紡織科技, 2010, 51(1): 30-32.

[10] 陸振乾, 吳利偉, 孫寶忠, 等. 經(jīng)編間隔織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料沖擊性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2014, 31(5): 1306-1311.

[11] 繆旭紅. 經(jīng)編間隔織物在胸罩中的應(yīng)用和生產(chǎn)[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2002(6): 33-34.

Preparation and compressive properties’ research of high-gauge warp knitted spacer flexible composites

YuYing,ZhangChao,MaPibo

Engineering Research Center for Knitting Technology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

The process of preparation of high-gauge warp knitted spacer flexible composites was introduced. The compressive properties of the composites under different air pressures were tested. Through analyzing the experimental data and the failure process of the composites，the changing rule of the compressive properties of the composites under different pressures was discussed, and the factors influencing on the compressive properties of the composites were analyzed. The results showed that the compressive properties of the high-gauge warp knitted spacer flexible composites were relative to the filled air pressure, and the anti-compressive ability and the cushioning property of the composites enhanced with the increasing air pressure.

high-gauge warp knitted spacer, flexible composite, air pressure, compressive property

*中國博士后面上項(xiàng)目(2016M591767)；江南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(2016204Y)

2016-07-02

喻穎，女，1996年生，在讀本科生，研究方向?yàn)楫a(chǎn)業(yè)用針織結(jié)構(gòu)及性能

馬丕波，E-mail: mapibo@jiangnan.edu.cn

TS186.1

A

1004-7093(2017)03-0028-04