苧麻混紡紗針織復合材料的制備與研究

陶麗軍，劉偉，殷肖海，劉曉洪

苧麻混紡紗針織復合材料的制備與研究

陶麗軍，劉偉，殷肖海，劉曉洪*

(武漢科技學院 紡織與材料學院，湖北 武漢 430073)

選用苧麻/聚丙烯紗作為針織紗線混紡，初步制成針織結構預制件小樣，然后采用層壓成型工藝制備苧麻/PP增強復合材料，分析影響其拉伸性能的因素。結果表明：當苧麻/PP體積比為20：80時，復合材料的拉伸性能較優。

復合材料；苧麻纖維；丙綸；混紡法；拉伸性能

近年來，隨著高性能天然纖維及其復合材料的研究與開發應用,麻類纖維逐步被用來作為復合材料的增強材料使用[1～4]。苧麻纖維復合材料因所具有優良的沖擊性能，抗拉強度，較高的比模量和很小的比重，可循環利用等優點，適合用作復合材料的增強材料［5］，聚丙烯是一種綜合性能良好，價格便宜，量大面廣的通用塑料且原料來源豐富，價格低廉，與其他塑料比較，有較好的綜合性能，因而備受人們關注,發展迅速［6］。因此作者采用苧麻/PP復合紗混紡［7-13］編織兩種緯編組織，通過改變苧麻纖維體積分數研究影響復合材料的力學性能[14-16]，從而制備更優的苧麻混紡紗針織復合材料。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

苧麻，湖北陽新遠東麻業有限公司，密度：21英支。丙綸，射陽縣絲緣化纖有限公司產，牌號：300D。PP膜材，武漢金牛PP管業有限公司提供，膜厚0.02cm。手搖橫編織機，紅旗馬牌，福建紅旗馬紡織機械廠。電子織物強力儀，G(B)26D型，州大榮紡織機械廠。頂破強力實驗機，YG065H型，山東電子儀器有限公司。真空干燥箱，K-82A型，上海市實驗儀器總廠。平板硫化機，XLB-D350X350型，湖州東方機械有限公司。材料拉伸試驗機，5566型，美國INSTRON公司。

1.2 實驗流程

實驗流程見圖1。

1.3 針織結構預制體的制備與研究

1.3.1 原料設計

采用苧麻/聚丙烯紗為原料編織針織結構復合

圖1 實驗流程

材料預制件,本實驗主要研究不同的苧麻與聚丙烯的比例對針織小樣力學性能的影響。參加編織預制件的2類紗線體積含量比為：

式中：Ntr, Ntp分別代表苧麻紗與聚丙烯長絲的線密度；dr，dp為苧麻纖維與聚丙烯纖維的密度，苧麻纖維的密度為 1.58g/cm3，聚丙烯纖維的密度0.91g/cm3；Vr，Vp為苧麻紗線所占體積與聚丙烯長絲所占體積含量之比。在編織過程中時，選5種不同的混織比例，來比較不同的苧麻/PP體積比對實驗結果的影響。

1.3.2 織物組織設計

緯編織物的基礎組織基本上能在手動橫機上實現,這里選用了兩種織物:羅紋空氣層織物與滿針羅紋植物。

（1）羅紋空氣層組織。

羅紋空氣層組織，又稱米拉諾組織,是由一橫列滿針羅紋組織和正、反兩橫列平針組織復合編織而成,其線圈結構圖見圖2。該組織由三個成圈系統編織而成，第1個成圈系統上針退出工作，下針全部參加工作編織一行正面平針；第2個成圈系統下針退出工作，上針全部參加工作編織一行反面平針，這兩行單面平針組成一個完整的線圈橫列；第3個成圈系統編織一個滿針羅紋橫列。

圖2 羅紋空氣層

（2）滿針羅紋組織。

滿針羅紋組織，又稱為四平組織,其線圈結構圖見圖3。滿針羅紋組織是由正面線圈縱行和反面線圈縱行以一定組合相間配置而成。編織滿針羅紋組織時，一橫列的針全部排上，形成針對齒的結構進行編織。

圖3 四平組織

1.4 針織結構預制件力學性能測試

1.4.1 拉伸力學性能的測試

小樣的拉伸性能測試參照GB/T3923·1—1997《紡織品織物拉伸性能第 1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》。使用大榮紡儀YG(B)26D型電子織物強力儀,測試織物的拉伸斷裂強力拉伸速度100 mm/min,試樣夾距100 mm,每個試樣測3次。試樣的裁剪采用平行法,在距布邊3 cm處裁剪,試樣尺寸為10cm×5 cm。所有針織小樣分別測量橫向拉伸強力與縱向拉伸強力各5次，實驗數據記錄時，分別對這5組實驗數據求平均值，然后進行織物的拉伸力學性能的影響因素進行分析。

1.4.2 織物頂破強力的測試

頂破強力的測試參照GB/T 8878—2003《棉針織內衣》和 GB7742—1987《紡織品脹破強度和脹破擴張度的測定-彈性膜片法》,采用蕭山電子儀器有限公司生產的YG065H型擺錘式彈子頂破強力實驗機進行測試。裁取直徑為6 cm的圓形試樣進行測試。同樣的，每塊小樣均測試5次，然后對所測的是數據求平均值進行分析織物頂破強力影響因素的分析。

1.5 復合材料薄板的制備及研究

1.5.1 復合材料壓板工藝步驟

本實驗采用編織的不同苧麻/PP體積比的滿針羅紋結構的針織布與聚丙烯薄膜層疊后在平板硫化機上進行層壓成型。

其復合材料壓板工藝過程如下。

（1）將原苧麻布裁剪成10×10cm的小塊纖維布，然后在烘箱溫度為80℃下干燥2h；

（2）將經處理后的苧麻織物與一定尺寸的聚丙烯薄膜交替層疊，并將將脫模劑均勻涂抹在平板模的上、下表面；

（3）將平板硫化機升溫至130℃,將疊好的苧麻纖維布、PP膜裝入到預熱好了的金屬模具中，加5MPa的壓力，保溫10min；

（4）逐漸將平板硫化機溫度升至195℃后，加壓到指定壓力即12.5MPa，保溫保壓10min；

（5）自然冷卻到室溫后取出制品，脫模、板材修整。

1.5.2 復合材料拉伸性能的測試

在模壓壓力為12.5MPa，層數為3層的板材情況下，考慮不同纖維體積分數對拉伸強度的影響。

（1）厚度的測量。

制備的復合材料板材經過修整后，用游標卡尺進行厚度的測量。由于模具的不平整以及人為誤差造成復合材料的厚度不均勻，所以選取板材的不同部位進行測量，取平均值。

（2）拉伸性能測試。

對天然纖維復合材料根據GB1447-83進行拉伸實驗。在 INSTRON萬能材料試驗機上測試，拉伸試驗加載速度為10mm/ min ,試樣為啞鈴型,夾持距離為120mm ,對每一種材料分別做5～6 個拉伸試樣，試樣規格為150mm×10mm。

2 結果與討論

2.1 針織預制件的研究

2.1.1 苧麻/聚丙烯預制件小樣

預制件小樣的參數見表1針織結構預制件參數,其中Nr∶Np表示苧麻/聚丙烯編織含量比，Vr：Vp表示苧麻/PP的體積比，織物線圈長度與面密度因為原料，組織結構的不同而直接測得，不參與對針織結構預制件力學性能的討論。

表1 針織結構預制件參數

所有針織結構小樣在紅旗馬牌橫機上編織，7塊針織結構預制件成品如圖4，圖5 所示。

圖4 滿針羅紋織物

圖4 不同比例的滿針羅紋織物，為編號為1#，3#，5#小樣的表面狀態，其苧麻/PP 體積比分別為33：66，14：86，60：40。圖3 比較直觀的顯示了滿針羅紋組織隨著苧麻紗與丙綸混織比例的不同，織物表面的變化。小樣隨著混織丙綸含量的提高，表面呈現出越來越光亮的特性，這主要是由化學長絲纖維丙綸含量提高的原因。同時，隨著編織紗線的根數的增多，四平織物越來越厚實，表面線圈之間越來越緊密。同樣地，四平組織小樣隨著混織苧麻含量的提高，表面越來越暗淡，呈現出淡黃色。這主要是由苧麻含量提高的原因。同時，隨著編織紗線的根數的增多，四平織物越來越厚實，表面線圈之間越來越緊密。

圖5 為不同比例不同組織的針織物為編號為2#，4#，6#，7#的小樣表面圖片。

圖5 不同比例不同組織的針織物

通過對比小樣羅紋空氣層組織和滿針羅紋組織可以發現，羅紋空氣層組織線圈延伸性小于滿針羅紋組織。羅紋空氣層的手感比較挺括，不如滿針羅紋組織手感好。

2.1.2 織物拉伸力學性能的影響

滿針羅紋結構小樣和羅紋空氣層結構小樣的拉伸斷裂性能測試數據見表2 預制件小樣拉伸斷裂性能的測試數據與圖6 不同小樣的拉伸強力。

表2 預制件小樣拉伸斷裂性能的測試數據

圖6 不同小樣的拉伸強力

對表2 測試數據以及圖6 不同小樣的拉伸強力分析可得出:（1）原料相同時,滿針羅紋結構小樣橫、縱向斷裂強力、斷裂伸長率都大于羅紋空氣層結構小樣,表明滿針羅紋結構小樣的拉伸斷裂強力較大、韌性較好、延伸性較好,織物的拉伸性能較好。（2）橫向與縱向紗線取向度和受力根數的不同，使得針織結構預制件縱向拉伸性能要優于橫向拉伸性能。同時由于紗線縱向取向度要高于橫向取向度,所以織物縱向紗線承載能力要高于橫向紗線承載能力。（3）組織結構相同時,原料對織物橫、縱向斷裂強力、斷裂伸長率都有較大影響,苧麻/聚丙烯的混織根數之比為1：3 即苧麻/PP 體積比為14：86 的預制件各項拉伸性能較好。

2.1.3 織物頂破強力的影響

滿針羅紋結構、羅紋空氣層結構小樣頂破強力測試數據見表3與圖7不同小樣頂破強力的比較。

表3 預制件小樣頂破強力的測試數據

圖7 不同小樣頂破強力的比較

對表3測試數據分析與圖7不同小樣頂破強力的比較可得出:（1）相同的苧麻/PP體積比，滿針羅紋結構小樣的頂破強力比羅紋空氣層結構小樣的頂破強力大。（2）組織結構相同時,在苧麻/聚丙烯針織結構預制件中,丙綸參與編織的股數越多越大,織物的頂破性能越好。

2.2 復合材料的研究

采用層壓工藝試壓的復合材料薄板如圖8所示，該薄板原織物為滿針羅紋織物，其苧麻/PP體積比為60：40。

圖8 苧麻/丙綸復合材料薄板

采用如上復合材料壓板工藝對滿針羅紋織物進行壓板，壓板層數為5層，研究混織不同苧麻含量對復合材料的拉伸性能影響。其不同比例的復合材料薄板縱向拉伸數據記錄見表4不同比例的復合材料的拉伸強度與圖9不同比例的復合材料的拉伸強度。

表4 不同比例的復合材料的拉伸強度

圖9 不同比例的復合材料的拉伸強度

通過對以上數據分析可得出：對于不同纖維體積分數的相同組織的復合材料，當苧麻/PP體積比為20：80時，復合材料的拉伸性能最優。苧麻體積分數小于20%時，苧麻纖維對樹脂基體的增強不夠充分，使復合材料板材性能降低。當苧麻體積分數大于20%時，樹脂浸潤纖維不夠充分，板材中會出現貧樹脂區及干點等瑕疵，同時PP對苧麻纖維的束縛較少，同樣影響板材的力學性能。

3 結論

（1）相同結構、相同編織工藝條件下,苧麻/聚丙烯為1：3時結構預制件拉伸斷裂性能、頂破強力都較優,織物的力學性能較好;相同PP含量、相同編織工藝條件下,滿針羅紋結構預制件拉伸斷裂性能、頂破強力都優于羅紋空氣層結構。

（2）不同纖維體積分數的相同組織的復合材料，當苧麻/PP體積比為20：80時，復合材料的拉伸性能較優。

（3）本文選擇了兩種緯編組織結構進行研究，其不足之處是首先選取組織結構偏少。其次是對復合材料的力學性能做了定性的分析，定量分析做的不夠，這些都是需要改進的地方。

[1] 肖加余, 張小靜, 曾竟成, 等. 苧麻落麻纖維增強聚合物復合材料研究[J]. 工程塑料應用,2001,29(2):12-15.

[2] Bledzki A K，Reihmane S. Properties and modification methods of vegetable fibers for natural fiber composites[J]. J Appl polym Sci, 1996, 59(8): 1329-1336.

[3] 姚穆. 紡織材料學[M]. 北京:紡織工業出版社,1990.

[4] 劉麗妍,黃故. 亞麻/ 聚丙烯機織復合材料薄板的制備與研究[J]. 玻璃鋼/ 復合材料學報,2005(5):17 - 19.

[5] Herrera Franco P . Development and characterization of a HDPE -sand natural fiber composite[J]. Composites Part B ,1997 ,28: 330-335.

[6] 王宏剛,鄭安吶,戴干策. 玻璃纖維增強聚丙烯復合材料界面結合的研究[J]. 復合材料學報,1993(3): 46-50.

[7] Hamada H, Maekawa H, Ikegawa N. Influence of the impregnating property on mechanical properties of commingled yarn composites[J]. Polymer Composites, 1993, 14(4): 308-313.

[8] 吳學東,丁辛. 熱塑性樹脂及復合材料用摩擦紡混纖紗[J]. 玻璃鋼/復合材料, 1997,(4):5-7.

[9] 丁辛, 吳學東. 熱塑性樹脂與連續纖維預混料(包纏紗)的制備技術[J].玻璃鋼/復合材料, 1997(5):25-27.

[10] Bernhardsson J, Shishoo R. Effect of processing parameters on consolidation quality of GF/PP commingled yarn based composites[J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2000, 13(7): 292-313.

[14] 李龍, 王善元. 連續纖維增強熱塑性復合材料預浸料的加工方法[J].纖維復合材料,1996,(1):21-22.

[12] Wakeman M D，Cain T A, Rudd C D, et al. Compression moulding of glass and polypropylene composites for optimized macro-and micro-mechanical properties-1 commingled glass and polypropylene[J]. Composite Science and Technology, 1998(58): 1879-1896.

[13] 李龍,王善元,俞建勇. 熱壓參數對玻璃纖維/聚丙烯噴氣混纖紗復合材料性能影響[J]. 玻璃鋼/復合材料,1998(1):20-21.

[14] 肖加余,張小靜，曾竟成,等. 高性能天然纖維復合材料及其制品研究與開發現狀[J]. 玻璃鋼/復合材料,2000,(2):38-43.

[15] Bisanda E T N，AnsellM P.Properties of Sisal—CN SL Composites[J].J Mater Sci，1992,27(6):1690—1700.

[16] Nechwatal A.Developments in the characterization of natural fiber properties and in the use of natural fibers for composites[J].Composites Science and Technology，2003,63:1273-1279.

Preparation and Study on Ramie Blended Yarn Knitted Composites

TAO Li-jun, LIU Wei, YIN Xiao-hai, LIU Xiao-hong
(College of Textile and Materials, Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan 430073, China)

In this article, ramie and polypropylene are chosen as the knitting yarn blended spinning to weave knitting structure precast sample initially, the laminate molding process is then adopted to make ramie/PP reinforced composites to analyse the factors that may affect its tensile properties.The results domostrate that when the ramie/PP volume ratio of ramie and PP is 20:80, the tensile properties of composite materials are superior to that of others.

composite; ramie fiber; polypropylene; blended spinning technology; tensile property

TS194

A

1009－5160(2010)01－0009－05

*通訊作者：劉曉洪（1968-），男，教授，研究方向：紡織復合材料.

武漢科技學院基金項目（20063115）.