針刺工藝對玄武巖針刺非織造復合材料性能的影響

楊 莉，徐珍珍

(安徽工程大學紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000)

0 前言

玄武巖纖維是繼碳纖維、玻璃纖維和高強高模聚乙烯纖維以外的又一種高性能纖維，除了具有優(yōu)異的力學性能和耐溫、隔熱性能外，還具有無法比擬的環(huán)保特性[1-2]，因此玄武巖纖維可作為一種復合材料增強體來使用。玄武巖纖維目前以長絲和短纖維2種形式存在，而玄武巖纖維以短纖維形式用于復合材料時又分別以散纖維和非織造織物的形式使用。其中針刺工藝又是制備玄武巖非織造織物的重要工藝手段，即利用刺針對纖網(wǎng)進行穿刺使纖維相互纏結而固結。影響針刺工藝的參數(shù)主要包括針刺密度和針刺深度。針刺密度是指單位面積內非織造織物所受的理論針刺數(shù)。針刺密度受植針密度、針刺頻率和織物輸出速度等因素的影響。針刺密度作為重要的針刺工藝參數(shù)，除了對織物的固結性能有較大影響外，還對織物的體積密度和孔隙結構有重要影響，而增強體織物的這些性能又會影響到復合材料的最終性能。因此有研究人員曾以亞麻、黃麻等天然纖維針刺非織造布為增強體，研究非織造布的鋪網(wǎng)形式、針刺工藝和復合工藝對非織造布復合材料力學性能的影響[3-4]。而以玄武巖非織造布為研究對象，同時討論針刺工藝和復合工藝對復合材料力學性能的影響還較少。本文以硼酚醛樹脂為基體材料、玄武巖針刺非織造織物為增強體，采用層壓復合工藝制備了復合材料，并考察了針刺頻率對復合材料性能的影響，為玄武巖非織造復合材料的生產(chǎn)加工提供一定的理論參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

玄武巖預針刺氈，纖維直徑13 μm，纖維長度3 mm，纖維密度2.65 g/cm3，針刺氈單位面積質量260 g/m2，浙江石金玄武巖纖維有限公司；

硼酚醛樹脂，黃色固體，蚌埠市天宇耐高溫樹脂材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

實驗室平板硫化機，25T，湖州橡膠機械有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG-9070，上海三發(fā)科學儀器有限公司；

電子萬能試驗機，CSS-88100，長春試驗機研究所；

織物厚度儀，YG141，萊州市電子儀器有限公司；

織物透氣儀，YG461D-1，溫州方圓儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，S-4800，日本日立公司；

臺式砂輪機，MD2125A，上海鵬邦機電設備制造有限公司；

針刺機，YC(DC)800-01，常熟市明仁機械設備有限公司；

模具，自制。

1.3 樣品制備

首先在針刺機上分別采用600、900、1 200、1 500、1 800次/分鐘的針刺頻率對玄武巖預針刺氈進行加工，制備成所需增強體結構材料；再將硼酚醛樹脂粉碎，并用乙醇溶液溶解配成含膠量為50 %的硼酚醛樹脂溶液待用；采用復合層壓方式制備復合材料，將制備好的增強體織物裁剪成尺寸為20 mm×175 mm的布塊，并以增強體與基體質量比為4∶6的比例浸漬于硼酚醛樹脂溶液中放置24 h，置于通風干燥處得到預浸料織物，再將預浸料織物放置于在110～120 ℃的烘箱中處理30 min，最后將處理好的預浸料織物放入自制模具中，在硫化機中復合成型制備所需玄武巖針刺非織造復合材料,復合溫度190 ℃，壓力分別為5、7、9、11 MPa。

1.4 性能測試與結構表征

根據(jù)GB/T 3923.1—2013測試樣品的拉伸性能，試樣尺寸50 mm×250 mm，拉伸速度為20 mm/min；

根據(jù)GB/T 3820—1997對織物厚度進行測定，選用壓腳面積為100 mm2，施加壓強為50 cN/cm2，分別每塊選取試樣10個不同位置進行測試，取平均值;

根據(jù)GB/T 5453—1977對織物的透氣性能進行測試，內外壓差100 Pa，測試面積20 cm2，每塊試樣分別測試5個不同位置，取平均值;

采用SEM對復合材料拉伸斷面進行表征，測試前對樣品進行噴金處理，加速電壓為15 kV；

根據(jù)ASTM D3039和ASTM D790標準分別對復合材料的拉伸性能和彎曲性能進行測試，測試速度為2 mm/min。

2 結果與討論

2.1 針刺工藝對織物性能的影響

2.1.1 對針刺非織造織物結構的影響

圖1所示為各種不同針刺頻率條件下針刺玄武巖非織造織物橫截面形態(tài)。從圖中可發(fā)現(xiàn)在針刺過程中非織造材料中纖維及其結構的變化情況。圖1(a)中所示為針刺頻率600次/分鐘時玄武巖針刺非織造織物截面形態(tài)，從圖中可發(fā)現(xiàn)，非織造織物有一定厚度，且纖維層間距較大。隨著針刺頻率的增加，發(fā)現(xiàn)織物的橫截面的厚度不斷變小，纖維間的糾纏增加，且纖維層間距縮小，排列越來越緊密，但同時也發(fā)現(xiàn)纖維層間隨著針刺頻率的增加出現(xiàn)了纖維損傷現(xiàn)象。特別是當針刺頻率達到1 800次/分鐘時，非織造材料結構層間纖維損傷增多，纖維層受到破壞。

2.1.2 對針刺非織造織物拉伸性能的影響

針刺頻率/次每分鐘：(a)600 (b)900 (c)1 200 (d)1 500 (e)1 800圖1 針刺玄武巖非織造織物的橫截面形態(tài)Fig.1 Cross shape of the non-woven fabric of the basalt needle

圖2 增強體織物的拉伸斷裂強力Fig.2 Tensile fracture strength of the reinforced fabric

圖2所示為不同針刺頻率下玄武巖非織造織物的拉伸斷裂強力。由圖可知，當針刺頻率不大于1 500次/分鐘時，針刺非織造織物的拉伸強度隨著針刺頻率的增加而增大，但當針刺頻率超過1 500次/分鐘后，織物的拉伸性能開始下降。其主要原因為針刺頻率有一最佳值[5]，當針刺頻率小于最佳值時，隨著針刺頻率的增加，織物纖維間的相互糾纏增加，織物的強度增強，但當針刺頻率超過最佳值后，針刺過程中刺針較難帶動已固結的纖維發(fā)生移動，導致纖維發(fā)生斷裂，使非織造織物拉伸強度下降。同時由于玄武巖纖維質脆，在較大針刺頻率下纖維間糾纏程度增加也會導致纖維脆損，使玄武巖針刺非織造織物強度下降。通過分析還發(fā)現(xiàn)，針刺頻率在不大于1 500次/分鐘時，非織造織物拉伸斷裂強力受針刺頻率的影響規(guī)律是隨著針刺頻率的增加增幅逐漸減小；當針刺頻率由600增加到900次/分鐘時，玄武巖針刺非織造織物的拉伸斷裂強力增加了43.46 %；而當針刺頻率由900增加到1 500次/分鐘的過程中，非織造織物強度雖然也增強，但發(fā)現(xiàn)其增強幅度明顯減小，增強率分別為10.27 %和3.54 %。這說明在針刺過程中雖然纖維間的糾纏抱合增強，但同時在非織造織物結構中，纖維也發(fā)生損傷，只不過此時纖維損傷程度對織物拉伸性能的影響小于纖維間糾纏程度的增加所帶來的影響。

2.1.3 對針刺非織造織物孔隙性能的影響

針刺密度對織物的孔隙結構有較大影響，而增強體的孔隙結構又會影響到樹脂基體對增強體的滲透能力。非織造織物結構中纖維以三維立體結構方式排列，其孔隙率可以通過式(1)計算求得。表1所示為試樣的厚度及其孔隙率情況。通過孔隙率計算結果發(fā)現(xiàn)，玄武巖針刺非織造織物具有較大的孔隙率，玄武巖針刺非織造織物在針刺頻率為1 800次/分鐘時具有最大孔隙率。當針刺頻率小于1 800次/分鐘時，隨著針刺頻率的增加非織造織物的孔隙率減小。

(1)

式中n——孔隙率，%

ρ——纖維密度，g/cm3

δ——非織造材料面密度，g/cm2

m——材料厚度，mm

表1 玄武巖針刺非織造織物的厚度和孔隙率Tab.1 Thickness and porosity of the non-woven fabric of the basalt needing

為了進一步表征玄武巖針刺非織造織物的孔隙性能，對玄武巖針刺非織造織物試樣的透氣性能進行測試，間接表征不同針刺頻率條件下非織物織物的孔隙變化情況。圖3所示為玄武巖針刺非織造織物在不同針刺頻率下的透氣情況。發(fā)現(xiàn)織物的透氣率隨著針刺頻率的增加而減小；但當針刺頻率達到1 800次/分鐘時，織物的透氣性又大幅度增加。主要是針刺頻率增加，纖維間糾纏增強，導致了織物間孔隙減小，當針刺頻率達到1 800次/分鐘時，織物結構受到破壞，導致織物孔隙率增大。這也可通過針刺頻率對織物結構性能影響橫截面形態(tài)圖進一步證明。

圖3 增強體織物的透氣率Fig.3 Air permeability of the reinforced fabric

2.2 針刺工藝對復合材料性能的影響

2.2.1 對復合材料界面性能的影響

圖4所示為7 MPa壓力下制備復合材料的拉伸斷面照片。通過對比發(fā)現(xiàn)，當針刺頻率較低時，復合材料的拉伸斷面較光滑，復合材料中的纖維以拉斷破壞形式為主。當針刺頻率較高時，復合材料中增強纖維以發(fā)生纖維抽拔為主，而纖維未發(fā)生斷裂破壞，影響了復合材料的拉伸斷裂性能。同時還發(fā)現(xiàn)，當復合材料的復合層壓壓強不同時，復合材料的拉伸斷面形態(tài)也有所區(qū)別，當復合層壓壓強增大時，復合材料中的纖維發(fā)生纖維斷裂損傷較多，而發(fā)生抽拔現(xiàn)象較少。圖5所示為部分復合材料增強體纖維斷裂形態(tài)SEM照片(層壓壓力為7 MPa)。

針刺頻率/次每分鐘：(a)600 (b)900 (c)1 200 (d)1 500 (e)1 800圖4 復合材料拉伸斷面形態(tài)圖Fig.4 Stretching section images of the composites

針刺頻率/次每分鐘：(a)1 200 (b)1 500 (c)1 800圖5 復合材料增強體纖維斷裂形態(tài)SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM image of the fracture morphology of the composite reinforced fiber

分析其原因，主要是當玄武巖針刺氈結構較松散，孔隙結構較大時，通過復合可使基體樹脂充分浸潤，完成對增強體纖維的包覆。當針刺頻率增加后，增強體孔隙率變小，增強體結構變得緊密。在相同復合層壓壓強條件下，樹脂浸潤受到影響，從而影響了增強體纖維與基體樹脂的結合。圖6所示為相同復合層壓壓強條件下(層壓壓力為7 MPa)，針刺頻率不同時復合材料斷面增強體浸潤樹脂SEM照片。

針刺頻率/次每分鐘：(a)600 (b)900 (c)1200 (d)1500 (e)1800圖6 復合材料增強體浸潤樹脂形態(tài)SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of the reinforced body infiltration resin of the composites

2.2.2 對拉伸性能的影響

圖7所示為在相同針刺頻率條件下，復合層壓壓強對復合材料拉伸性能的影響。由圖可知，除了在針刺頻率為600次/分鐘時，復合材料的拉抗強度是隨著復合壓強的增加而逐漸增大外，其他試樣均是隨著復合層壓壓強的增加先增大后減小。這主要是因為復合層壓壓強增大，增強了復合層壓時基體樹脂的流動性，有利于樹脂基體對增強體結構的滲透，復合材料拉伸性能得到改善。但在復合層壓壓力增大的過程中也會因克萊帕倫效應而導致的基體樹脂熔融所需溫度增加，降低了基體樹脂的流動性，同時復合層壓壓強增大也會加劇基體樹脂的交聯(lián)，影響基體樹脂對增強體的滲透和結合，導致復合材料的拉伸性能下降。

層壓壓力/MPa：—5 —7 —9 —11圖7 針刺頻率對復合材料拉伸性能的影響Fig.7 Effect of needle punching frequency on tensile strength of the composites

同時由圖7分析還發(fā)現(xiàn)，復合材料在600次/分鐘的針刺頻率下具有最大拉伸強度，且復合材料的拉伸強度隨著針刺頻率的增加先減小后增大，然后再減小。同時還發(fā)現(xiàn)，在復合層壓壓力和針刺頻率都較低的條件下，復合材料拉伸強度隨針刺頻率增加而引起的變化較小，當針刺頻率較大時，復合材料拉伸強度受針刺頻率的變化影響較大。如在復合層壓壓強為7 MPa時，針刺頻率由900增加到1 200次/分鐘時，復合材料拉伸強度只提高了0.37 %，當針刺頻率由1 200增加到1 500次/分鐘時，復合材料拉伸強度提高了79.5 %。這是因為隨著針刺頻率的增加，增強體織物的拉伸強度不斷增加，從而導致了復合材料拉伸強度的增大。但在針刺頻率增大過程中織物的孔隙結構也發(fā)生了變化，在針刺頻率較低時，織物的孔隙率較大，在相同復合層壓工藝條件下，樹脂基體更易于滲入增強體內部。隨著針刺頻率的增加，增強體織物的孔隙率減小，樹脂滲入增強體內部的能力減弱，從而限制了復合材料拉伸強度的提高。針刺頻率為600次/分鐘的增強體的拉伸性能最小，但其復合材料的拉伸強度最大，說明在復合工藝相同的情況下，增強體結構對復合工藝和復合性能都有較大影響，且在一定條件下，增強體孔隙結構對復合材料力學性能的影響大于增強體拉伸性能對復合材料力學性能的影響。

2.2.3 對彎曲性能的影響

層壓壓力/MPa：—6 —7 —9 —11圖8 針刺頻率對復合材料拉伸性能的影響Fig.8 Effect of needle punching frequency on bending strength of the composites

圖8所示為復合材料試樣的彎曲性能指標。由表可知，復合材料的彎曲強度隨著復合層壓壓強的增大而線性增強，但在針刺頻率為1 800次/分鐘時，復合層壓壓強增大到11 MPa時，復合材料的彎曲強度下降。同時還發(fā)現(xiàn)針刺頻率較低的增強體結構復合材料在復合層壓壓強由5 MPa增至9 MPa過程中復合材料彎曲強度增長較快，當針刺頻率較高時，復合材料的彎曲強度受復合工藝的影響較小。如針刺頻率為1 200次/分鐘的增強體復合材料，當復合層壓壓強由5 MPa增至7 MPa時，復合材料彎曲強度提高了29.4 %；當復合層壓壓強由7 MPa增至9 MPa時，復合材料的彎曲強度增加了60.38 %。而當針刺頻率為1 500次/分鐘的增強體復合材料在相同的復合工藝條件變化條件下，復合材料的彎曲強度只分別增加了8.5 %和12.22 %。其主要原因為復合材料中基體是承擔抗彎性能的主要載體，隨著復合層壓壓力的增大，樹脂的滲透能力增強，樹脂基體與增強體的結合性能得到改善，基體的傳遞載荷的能力增強，復合材料的彎曲強度增大。

同時由圖8還發(fā)現(xiàn)，雖然各試樣彎曲強度受針刺頻率影響變化的轉折點有所不同，但其變化趨勢都是先隨著針刺頻率的增加而逐漸下降，當達到一定針刺頻率后，復合材料彎曲強度再增強，然后又會隨著針刺頻率的增加而下降。分析其原因主要是，針刺頻率相對較低時，增強體結構孔隙較多，利于復合材料的浸漬和滲透，復合材料彎曲強度較大。隨著針刺頻率的增加，增強體織物結構增強，孔隙減少，基體樹脂與增強體結合性能受到影響，復合材料的彎曲強度下降，但隨著針刺頻率的繼續(xù)增加，玄武巖針刺非織造織物的力學性能達到以最佳值，此時增強體材料的力學性能優(yōu)勢明顯大于孔隙結構對復合工藝的影響。所以復合材料的彎曲強度增大。雖然孔隙率有所增加，但不能彌補因增強體力學性能和增強體結構破壞而導致的復合材料彎曲強度下降趨勢。

3 結論

(1)在相同針刺工藝條件下，復合材料的拉伸強度隨著復合層壓壓強的增加先增大后減小，復合材料的彎曲強度隨著針刺頻率的增加先下降再增加，隨著增強體結構的破壞復合材料的彎曲強度再次下降；

(2)且孔隙結構對復合工藝的影響與增強體結構對復合材料力學性能之間的存在最佳關系。當針刺非織造織物強度較低，孔隙率較大時，增大復合層壓壓強有利于樹脂基體的滲透和復合材料力學性能的提高；當針刺非織造織物結構較緊密，孔隙率相對減少時，復合層壓壓力不易過大，即在一定條件下增強體的孔隙結構對復合材料力學性能的影響大于增強體拉伸性能對復合材料力學性能的影響。

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