芳綸角聯鎖織物復合材料頭盔殼體的成型工藝

謝婉晨，干林麗，周 熠，徐安長，張尚勇

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芳綸角聯鎖織物復合材料頭盔殼體的成型工藝

謝婉晨，干林麗，周 熠，徐安長，張尚勇*

（武漢紡織大學 紡織科學與工程學院，湖北 武漢 430200）

與大多數復合材料頭盔殼體的設計方案不同，本文將不通過二維織物的層層疊加平鋪復合成型頭盔殼體，而是使用三維織物頭盔殼體一體成型的制作工藝。以五層經角聯鎖為織物基本組織結構，在小樣機上將1500D的芳綸長絲織造出三維角聯鎖寬幅織物，同時使用環氧樹脂、稀釋劑、三乙烯四胺及丙酮作為增強相，采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）將平鋪在模具上的織物進行復合。運用此種復合工藝可使織物更高效的一體成型出平滑的頭盔殼體。工藝優點為成品高耐沖擊，低模具成本，一體成型，尺寸精準，產品開發周期短。最終織物平鋪均勻且成品無褶皺，效果美觀且實用。

三維紡織品；芳綸；角聯鎖織物；復合材料；真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝；頭盔殼體

頭盔殼體是使頭盔獲得防護能力的基礎。伴隨著科學技術的不斷發展，新材料相繼問世，頭盔殼體所采用的材料也已經由最初的金屬材料、錦綸復合材料、玻璃纖維復合材料等轉向了超高分子量聚乙烯纖維復合材料、高強高模碳纖維復合材料、芳綸纖維復合材料等等[1]。復合材料頭盔殼體相比較最初的金屬材料，不但有效降低了頭盔的質量，而且顯著提高了頭盔的防護性。如今，頭盔正經歷著從單純的防護向著高度功能集成的發展過程，這將對復合材料頭盔殼體的開發設計和加工成型工藝提出更高要求。

1 頭盔殼體織物材料及結構的選擇

1.1 頭盔殼體織物材料的選擇

本文所織造的頭盔盔體纖維材料選為芳綸1414。芳綸是芳香族聚酸胺纖維，它具有低密度（密度為1.44g/cm3）、高抗拉強度（抗拉強度為2.82×103MPa）、高韌性（模量為6.33×104MPa）的特點，其抗拉強度是尼龍的2倍，比玻璃纖維高15%，比鋼絲高60%。而且芳綸纖維具有良好的紡織加工性能和較高的耐沖擊強度，這使得芳綸纖維織物可以制備出具有良好性能的復合材料[2-3]。因此，制備出性能優化的芳綸纖維織物增強復合材料，對提高個體防護和安全設施的建設方面有著重要的作用。

1.2 頭盔殼體織物組織結構的選擇

在制備頭盔殼體的織物組織的選擇上，本文所設計的是三維角聯鎖組織結構。相比以往大多所選用的二維織物層層平鋪所制作的復合材料而言，三維角聯鎖織物組織結構層間斷裂韌性更高，能量吸收性更優。而且角聯鎖織物組織中經紗與緯紗成一定角度交織屈曲變化，單位面積內交織點少，結構上更為松散，這使得織物變形時紗線滑移所受摩擦力變小，織物的伸縮性、柔韌性和成型性更好，更加有利于織物的剪切變形及彎曲變形，并且使角聯鎖織物在復合成型的過程中可以更好地沿模具直接平鋪在光滑的三維曲面上一次成型。因此，在頭盔殼體的織物組織結構上，三維角聯鎖性能更加優越。

2 芳綸角聯鎖寬幅織物的織造

2.1 三維角聯鎖織物組織結構的設計

由于頭盔殼體的制作需要滿足其質量輕且力學性能好的要求，結合不同的組織結構的特點，綜合考慮此次實驗設計的織物結構為五層經角度聯鎖織物，其結構參數為：

Rj=P+1=5+1=6；Rw=Rj×P=6x5=30；S=P=5；fm=2P-l=2×5-1=9

其中：

P—角度聯鎖織物的層數；Rj—經組織循環數；Rw—緯組織循環數；

S—織物組織飛數；fm—織物組織中最長浮長線

五層經角度聯鎖經向剖面圖如下（見圖1）：

經角度聯鎖織物穿綜采用順穿法，穿筘采用一筘一入。

五層經角度聯鎖組織圖設計如下（見圖2）：

圖1 五層經角度聯鎖經向剖面圖

圖2 五層經角度聯鎖組織圖

2.2 織造流程

本實驗進行試織的小樣機型號為SGA598半自動打樣機，可以儲存6個紋板圖，每個紋板圖可以至多編輯1000緯。本實驗選用的小樣機的公制筘號為55根/10cm；每筘一入，經密不變，為55根/10cm。由于后續實驗要求織物幅寬為50cm左右，故本實驗中所織得五層角聯鎖織物的穿經根數為275。如圖所示為芳綸角聯鎖寬幅織物的織造過程（見圖3、圖4）。

圖3 芳綸角聯鎖寬幅織物織造機前圖

圖4 芳綸角聯鎖寬幅織物織造機后圖

2.3 織造過程中的問題與解決方案

在織造過程中，芳綸纖維復絲的集束性差，難于滿足織造要求。通過多次的實驗發現，手動加少量捻度會使得織造困難減輕；但芳綸織物若采用加捻加工，會造成復絲抱合緊密，在后期的復合過程中不易被樹脂浸透。

芳綸纖維具有比較差的耐磨性能，這使得其在加工過程中極易起毛起球，對織造加工造成不利的影響（見圖5）。因此在織造芳綸纖維的過程中，導紗器件表面需要盡量保持清潔光滑，且對絲筒在運作時需要注意盡量避免過多的摩擦[4]。

圖5 織造過程中的起毛起球現象

芳綸纖維由于具有比較高的比電阻，因此在織造過程中容易產生電荷集聚。解決辦法是在織造前期做足防靜電的工作，卷繞纖維及織物時最好可以使用金屬槽筒。芳綸纖維具有很強承受外力的能力，因此在織造過程中可以通過適當加大復絲張力來減少表面會產生的絲圈。

3 復合材料頭盔殼體的成型

3.1 復合材料成型工藝的選擇

復合材料成型工藝有很多種，可選擇性比較大，具有很強的靈活性。因此，對于復合材料成型工藝方法的選擇，可以通過所要制備的產品的結構特點、用途、產量及制作成本等因素綜合考慮，根據不同的復合材料來選擇出最合適的復合成型工藝[5]。

用于復合材料的成型方法有：手糊成型、模壓成型、注射成型、真空輔助成型、樹脂傳遞成型、真空輔助樹脂傳遞模塑成型等。本文所采用的真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）是一種新型且低成本的復合材料大型制件的成型技術。這種技術的原理是利用塑料薄膜將所要用到的增強材料密封于模具上，借助真空環境下的作用力將調配好的低粘度樹脂通過導管吸入，再利用導流網等高滲透率的介質沿著增強材料表面快速浸漬并同時沿著增強材料的厚度方向進行浸潤的加工成型工藝。經實驗表明，使用此復合工藝所加工出來的復合材料的纖維含量高，且力學性能較好。更值得一提的是，運用此種方法所加工的產品尺寸會受到限制[6-10]，因此用此種方法非常適合頭盔殼體的制備成型。

3.2 復合工藝使用的原料及試劑

本文所采用的真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝要用到的原料及試劑見表1。

表1 實驗原料、試劑規格及廠家

3.3 頭盔殼體的復合

復合流程的具體分為準備、鋪層、密封、灌注、固化和后處理這六個步驟。

在準備階段將頭盔殼體的模具固定在木質臺架上，把模具內表面擦拭干凈并涂一層蠟使其變得光滑，減小與織物之間摩擦，方便后續工作的進行（見圖6）。再將芳綸五層角聯鎖寬幅織物與頭盔殼體模具進行測量比對后，用芳綸剪刀裁剪出相應大小，并將織物小心地放入頭盔殼體模具中進行鋪層整理，確保織物光滑無褶皺，能夠更好的復合成型（見圖7）。在角聯鎖織物上依次鋪上脫模布層和導流網層，最后用塑料薄膜營造出一個密閉的空間進行密封。在用真空泵抽走空氣之后，將加了稀釋劑和固化劑三乙烯四胺的環氧樹脂通過導管進行灌注（見圖8）。一段時間的固化后成型并取出（見圖9），進行后整理處理，便完成了芳綸角聯鎖復合材料頭盔殼體的制備成型（見圖10）。

圖6 準備階段

圖7 鋪層

圖8 密封、灌注

圖9 固化成型

圖10 后整理成型

4 結語與展望

本文介紹了芳綸五層經角聯鎖寬幅織物的織造及頭盔殼體的復合一體成型工藝。通過運用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝以及角聯鎖織物的無褶皺性能，成功一次成型復合出芳綸織物復合材料頭盔殼體。與傳統頭盔殼體相比，本文所成型的頭盔殼體在質量和性能上都具有很大的改進。其不僅在質量上更加輕巧，而且性能更強。而與大多數的復合材料頭盔殼體加工工藝相比，本文所采用的真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝可以做到在曲面模具上對樣品的一次成型的復合加工，此工藝優點為，低模具成本，一體成型，尺寸精準，產品開發周期短，且得到的成品高耐沖擊、織物平鋪均勻、無褶皺。

同時，頭盔殼體的成功制備使得曲面復合材料的力學性能測試技術變得更具有工程意義，而不同的織物結構也會在不同的受力情況下體現出不同的力學性能。因此，在未來研制出適當的測試儀器及夾具來測試頭盔殼體的相關性能和試織出不同結構的三維織物將更具有重要意義。

[1] 韓朝鋒，孫穎，徐藝榕，等．頭盔殼體用復合材料增強織物研究進展[J]．紡織學報，2014，35(8)：116-123．

[2] 陳建超，劉華．芳綸纖維的合成及化學改性研究新進展[J]．化工中間體，2011，8(9)：12-16．

[3] 李新新，張慧萍．芳綸纖維生產及應用狀況[J]．天津紡織科技，2009，(3)：4-6，9．

[4] 唐予遠，汪青．芳綸纖維制織的準備工藝的探討[J]．鄭州紡織工學院學報，1997，8(1)：21-23，53．

[5] 彭璇．三維織物的成型加工及其納米復合材料的性能研究[D]．武漢：武漢紡織大學，2015．10．

[6] 宮兆合，周文勝，王旭東，等．高性能機載雷達罩VARTM工藝用樹脂/纖維浸潤性研究[J]．工程塑料應用，2004，32(8)：26-29．

[7] 劉洪政．VARTM在風電外殼夾芯復合材料中的研究和應用[D]．上海：東華大學，2007．

[8] 高彥濤，賈西文．VARTM工藝玄武巖纖維船舶成型技術研究[J]．纖維復合材料，2009，26(2)：32-35．

[9] 劉洪政，陳南梁，劉曉明．夾芯材料在VARTM工藝中的使用研究[J]．東華大學學報（自然科學版），2008，34(2)：159-163．

[10]徐藝榕，孫穎，韓朝鋒，等．復合材料用三維機織物成型性的研究進展[J]．紡織學報，2014，35(9)：165-172．

Kevlar Fiber Angle Interlock Fabric Composites Helmet Shells Molding Process

XIE Wan-chen, GAN Lin-li, ZHOU Yi, XU An-chang, ZHANG Shang-yong

（School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China）

Unlike most of the helmet shells composite materials design, this paper is based on the two-dimensional layer upon layer overlay tile composite molding helmet shells, but the use of three dimensional fabric helmet shells is an integrated process. In five layers through Angle interlocking as basic organizational structure, fabric weaving kevlar filament in a small prototype will be 1500 D three-dimensional Angle interlocking wide fabric, at the same time, using epoxy resin, thinner, triethylene tetramine and acetone as enhancement phase, using forming technique vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) composite fabrics will be flat out on the mould. Using this composite process can make the fabric more efficient composite the helmet shell smooth. Benefit: high impact resistance, low tooling cost, molding in one, stable size, short lead time. Fabric products are spread evenly and eventually without fold, the effect is beautiful and practical.

3-D fabric; kevlar fiber; Angle interlock fabric; composite materials; vacuum assisted resin transfer mold; helmet shell

TS102.5；TQ342.7

A

2095－414X(2017)03－0017－04

張尚勇（1967-），男，教授，研究方向：新型紡紗技術.