緯編針織交織復合材料的制備工藝研究

楊燕寧，孟家光，程燕婷，劉曉巧

（西安工程大學紡織與材料學院，陜西西安 710048）

自20世紀90年代以來，紡織結構復合材料[1]已普遍應用在航空航天、軍工、航海、交通運輸、建筑、體育等領域。紡織復合材料具有好的整體性[2]，適宜制作形狀和結構較為復雜的構件，加工成型方便，成本相對較低。紡織復合材料已逐漸代替傳統的木材及金屬合金，被普遍應用于工程領域。緯編結構易變形[3]，在之前被認定不適宜用于復合材料增強體，而近十幾年來，由于其延伸性、懸垂性、抗沖擊疲勞性能好，生產效率高和生產成本低的特點，逐漸出現在復合材料的應用中。目前，對緯編針織物的探究逐漸增加與深化，緯編針織物用作復合材料的增強體也得到了快速發展。本研究主要在橫機上編織3種有代表性的緯編針織結構。芳綸纖維既具有高模量高強度[4-5]，又具有耐腐蝕、耐磨損[6-7]等優點，而超強聚乙烯纖維既具有高比強度和高比模量[8-9]，又具有密度小、耐沖擊和耐低溫[10]等特性，將兩種高性能纖維結合起來使用能夠使整體織物的質量減輕，耐光、耐熱性能得到改善，充分發揮二者的優異性能，編織出來的增強體具有十分優越的性能。模壓成型具有生產效率高，外形尺寸控制準確，對結構復雜制品可一次成型等優點，因此，選用該成型方法制備芳綸與超強聚乙烯纖維交織增強體復合材料。

本研究針對芳綸和超強聚乙烯纖維難以編織的特點，通過不斷試織選擇合適的編織工藝，設計并編織滿針羅紋、羅紋空氣層和集圈-平針復合組織增強體織物，實現在橫機上的編織，并測試了各種織物的基本參數，選用模壓成型工藝制備出芳綸與超強聚乙烯纖維交織增強體復合材料。

1 編織

芳綸纖維由于其絲束沒有加捻且紗線表面剛性大，較光滑。超強聚乙烯纖維由于沒有捻度且摩擦強度較小，其紗線幾乎不吸水，編織時易起毛，需要在濕態下進行編織。由于這兩種纖維很難編織，采用硅烷偶聯劑KH-550 處理，并通過不斷試織選擇合適的編織工藝。同時，要在橫機機號允許的條件下，采用較粗的紗線編織較為密實的增強織物，增加復合材料中織物的體積占比，增強復合材料的整體性能。而能在橫機上編織無需裁剪就能滿足實驗要求的織物，有助于后續復合材料的成型加工，而且改變工藝很方便；同時，緯編針織結構延伸性好、易成型且成本低，因此，通過在橫機上多次試織3 種緯編針織交織增強體織物，得到3 種增強體織物組織的較優編織工藝參數表，如表1所示；還需要調節合適的給紗張力和牽伸拉力。

表1 不同組織編織工藝參數

實驗中選用的3 種緯編針織交織增強體結構為滿針羅紋組織、羅紋空氣層組織和集圈-平針復合組織。滿針羅紋組織比較密實，編織的織物平整度、彈性較好，橫向拉伸小，尺寸穩定性和保形性好，滿針羅紋組織實物圖如圖1所示。羅紋空氣層織物橫向延伸性小，尺寸穩定性好，織物厚實、挺括、豐滿。超強聚乙烯纖維的加入，增強了織物緯向的拉伸強力，羅紋空氣層組織實物圖如圖2所示。圖3為集圈-平針復合組織實物圖，由圖3可知，織物正反面呈現不同的性能和風格，織物正面顯示的是芳綸紗線，反面是超強聚乙烯紗線。如果是表面需要耐高溫的部件，可以將芳綸所在的正面朝向外面；如果是在航海等領域抵抗沖擊性的，可以將超強聚乙烯纖維面作為外面使用。

圖1 滿針羅紋組織實物圖

圖2 羅紋空氣層實物圖

圖3 集圈-平針復合組織實物圖

2 制備

2.1 樹脂體系的選擇及其特征

基體樹脂是權衡復合材料性能的一個關鍵問題。樹脂基體的性能直接關系到樹脂基復合材料的性能，因此，選擇樹脂時要特別注意。一般要求選用的樹脂與纖維之間有一定的潤濕性、界面粘結性，固化收縮率要小，賦予產品需要的力學、物理和化學性能。本實驗采用環氧乙烯基酯樹脂，其分子結構式如下所示：

環氧乙烯基酯樹脂的分子結構式

從分子結構可知，分子鏈上具有環氧主鏈結構以及不飽和聚酯的雙鍵結構，環氧乙烯基酯樹脂環氧主結構使其具有更強的物理性能和優異的耐熱性；分子鏈末端的不飽和雙鍵結構使得環氧乙烯基酯樹脂具有高反應活性，樹脂可快速固化，所以，環氧乙烯基酯樹脂兼顧了環氧樹脂和不飽和聚酯的優良性能。因此，環氧乙烯基酯樹脂具有不飽和樹脂的特點，但優于不飽和樹脂，具有較好的剛度、強度、耐腐蝕性能、黏度低和易加工等特點。因而，在發電領域用于制作風車葉片，在航海方面用于生產輪船潛艇的部件，并可用于化工廠大型儲罐等，尤以玻璃鋼使用最廣。環氧乙烯基酯樹脂有耐熱、耐腐蝕、低收縮等優點，適用于多種成型工藝。

綜合考慮制品的性能要求以及樹脂的特性，選用2-過氧化甲丁酮為引發劑，異辛酸鈷為促進劑，通過實驗得到樹脂固化配方，環氧乙烯基酯樹脂、固化劑與促進劑的質量比為100∶2∶1。

2.2 復合工藝的選擇

織物增強熱固性樹脂復合材料成型工藝一般有模壓成型、層壓成型、片狀模塑料成型、手糊成型、樹脂傳遞模塑成型和反應注射模塑成型等。

模壓成型模具結構如圖4所示。

圖4 模具結構圖

模壓成型是將一定量的預混料或預浸料加入金屬對模內，經加熱、加壓來固化成型，與其他成型工藝相比，模壓成型生產效率較高，外形尺寸控制準確，可有效降低制造成本，表面光潔，尤其是結構復雜制品可一次成型，能有效避免分子取向，不會損壞復合材料制品性能，因此，選用該成型方法制備芳綸與超強聚乙烯纖維交織增強體復合材料。

2.3 制備過程

在復合前需要對增強體織物進行清洗，再將織物浸漬于配制好的樹脂膠液中，使二者充分接觸；待樹脂膠液替換了織物孔隙里存在的空氣，把凡士林均勻地涂覆在模具的凸模和凹模的表面上，在凹模上倒上一層樹脂鋪平；然后將增強體織物鋪放到凹模中，在織物上面再倒上一層樹脂，等待樹脂達到凝膠狀態。加料完成后，將凸模和凹模相閉合，閉模后樹脂通過滲透慢慢進入增強體織物內部，在常溫有一定壓力的條件下使其充分固化。完成固化后，取下上方的凸模，制作完成的復合材料試樣如圖5所示。

圖5 制作完成的復合材料試樣

2.4 基本參數

織物的密度、厚度、纖維體積分數和單位面積質量是影響復合材料性能的重要因素，需對其進行測試，結果如表2所示。

表2 各種組織結構的工藝參數

3 結論

（1）針對芳綸和超強聚乙烯纖維難以編織的特點，通過不斷試織選擇合適的編織工藝，設計并編織滿針羅紋、羅紋空氣層和集圈-平針復合組織增強體織物，實現在橫機上的編織。測試織物的基本參數，結果顯示，織物滿足作為復合材料增強體的要求。同時，總結編織時易出現的技術問題，并給出相應的解決辦法。

（2）以芳綸與超強聚乙烯纖維交織增強體織物為增強體，環氧乙烯基酯樹脂為基體，確定基體配比工藝為環氧乙烯基酯樹脂、固化劑與促進劑的質量比為100∶2∶1，通過模壓成型工藝制備出滿針羅紋、羅紋空氣層和集圈-平針復合組織增強體復合材料。