變密度三維針刺織物設計與制備

李 磊,容治軍,仇普霞,李 鑒

(北京玻鋼院復合材料有限公司,北京 102100)

三維針刺是一種低成本成型技術,是將纖維網胎和二維布組合成的單元結構逐個疊層針刺形成三維結構[1-4]。刺針可將纖維刺入織物厚度方向,提高織物及其復合材料的層間強度[5,6]。針刺工藝可對玻璃纖維[7,8]、碳纖維[9,10]和石英纖維[2、11]等高性能纖維進行三維成型加工,三維針刺織物已應用于陶瓷基和樹脂基先進復合材料[12-14]。三維針刺織物具有優異的工藝設計性,通過控制針刺成型參數,可實現針刺織物的變密度梯度設計。

1 變密度針刺設計

實現針刺織物變密度設計主要控制單元層重量和單元層厚度[15]。試驗設計的針刺織物密度沿厚度方向發生變化,共設計2個密度梯,高密區密度為0.4 g/cm3±0.02 g/cm3、低密區密度為0.2 g/cm3±0.02 g/cm3。此外,理論設計高密區的厚度為6 mm±0.2 mm,低密區的厚度為6 mm±0.2 mm。生產時最先針刺高密區,在高密區基礎上針刺低密區域,分布結構見圖1所示,下側為高密區上側為低密區。

圖1 變密度針刺織物鋪層示意圖

2 試驗與分析

2.1 成型正交試驗方案

原材料規格、布與網胎占比和針刺密度是影響變密度三維織物密度和厚度的重要因素。因此,以高密區原材料規格(A、g/m2)、低密區的原材料規格(B、g/m2)、布與網胎占比(C、石英平紋布:石英網胎)和針刺密度(D、針/cm2)為因素,設計四因三水平正交試驗,見表1。試驗中針刺深度為同一水平。

表1 正交試驗因素及水平

2.2 針刺設備

北京玻鋼院復合材料有限公司自研平板針刺機,刺針型號C-222。

2.3 原材料

石英平紋布和網胎規格參數見表2。

表2 原材料規格參數

2.4 正交試驗結果及分析

以石英平紋布和石英網胎為原材料,根據正交試驗方案,設計9個樣品,每個樣品長寬尺寸為(330±10)mm×(330±10)mm。樣品的正交試驗結果見表3。從表3可以看出,制備樣品的重量有一定的波動,但差異不大。質量越相近,則參數測算數據對比誤差越小,更適合對比分析。相較于理論設計值,表3中多數樣品高密區實測密度小于0.4g/cm3±0.02 g/cm3,實際測量厚度大于6 mm±0.2 mm;低密區實測密度大于0.2 g/cm±0.02 g/cm3,實際測量厚度小于6 mm±0.2 mm。序號為9的變密度織物厚度遠大于12 mm±0.4 mm,局部區域有開層的現象。

表3 變密度織物參數測量結果

實際以整體厚度、整體密度、高密區密度、低密區密度為考察指標進行分析,正交試驗結果分析表見表4所示。通過極差值(R)的大小評價各因素對試樣參數的影響。極差值越大的因素表示不同水平給指標造成的影響較大,通常是主要因素;極差值越小的因素表示不同水平給指標造成的影響較小,通常是次要因素[16-18]。

表4 正交試驗分析結果

織物厚度與織物密度成反比例關系,4個因素對織物整體厚度和整體密度的影響程度為C>D≈A>B,即布與網胎占比影響最大、針刺密度和高密區原材料種類次之、低密區原材料種類影響最弱。自然狀態下石英網胎呈蓬松狀態,網胎占比越多織物層間越蓬松厚度越大,直接降低織物的密度;網胎占比越多織物壓縮針刺后回彈越強,使刺入織物厚度方向的纖維束對厚度的壓縮趨勢減弱。在相同布與網胎占比下,針刺密度增大刺入厚度方向的纖維束越多,平紋布層的層間距越小厚度回彈的趨勢越弱,整體厚度隨之減小密度隨之變大。高密區平紋布的面密度數值越小制備所需的布層越多,布層疊加后織物整體厚度增大,使織物密度減小。低密區原材料面密度差值變化對整體密度影響較小。以整體厚度12 mm為依據選擇的最優的工藝參數為A1B2C2D2。

4個因素對高密區密度的影響程度為C>A>D>B,即布與網胎占比影響最大、高密區原材料種類次之、針刺密度再次之、低密區原材料種類影響最小。平紋布面密度大于網胎,單位厚度內的平紋布占比增多織物密度隨之提高。平紋布面密度數值越大相鄰布層的間距越小,針刺量增大時平紋布層間會分布更多的針刺纖維束,對平紋布層間的網胎厚度產生壓縮效果,在減小高密區織物厚度的同時提高密度值。以高密區密度0.4 g/cm3為依據選擇的最優工藝參數為A1B1C1D3。

4個因素對低密區密度的影響程度為C>D>A≈B,即布與網胎占比影響最大、針刺密度次之、低密區和高密區原材料種類影響最小。低密區織物中網胎比例越大,單位厚度內的平紋布越少,利于低密區密度降低;針刺量減少刺入厚度方向的纖維束對織物的壓縮趨勢越小,使織物變厚密度減小;低密區和高密區平紋布面密度減小后,布層疊加額外產生的厚度增量較小,對低密區的密度變化影響小。以低密區密度0.2 g/cm3為依據選擇的最優工藝參數為A1B1C3D1。

通過實驗分析得出高密區原材料種類、布與網胎占比和針刺密度是影響變密度織物整體密度的主要因素。但制備參數需考慮織物增加和降低密度的需求,根據設計要求值分區優化。高密區域原材料種類為285 g/m2、65 g/m2、布與網胎占比為89∶11、針刺密度為10 針/cm2時,有利于提高織物密度;低密區域原材料種類為100 g/m2、65 g/m2、布與網胎占比46∶54、針刺密度為10 針/cm2時,有利于降低織物密度。因此,制備高密區最佳工藝參數為A1C1D2,制備低密區最佳工藝參數為B3C3D2。

2.5 優化后的變密度參數

按照優化方案制備變密度針刺織物,織物參數測量結果見表5所示。從表5可以看出高密區織物密度為0.39 g/cm3,接近設計值0.4 g/cm3±0.02 g/cm3;低密區密度為0.20 g/cm3,接近設計值0.2 g/cm3±0.02 g/cm3。此外,高密區厚度為6.2 mm,低密區厚度為5.9 mm,與設計狀態近似。

表5 最優工藝制備織物參數測量結果

3 結語

以原材料規格、布與網胎占比和針刺密度為因素,設計四因三水平正交試驗,通過測量9個變密度針刺織物參數分析獲得如下結論:

影響變密織物整體密度的因素依次為布與網胎占比>高密區原材料種類>針刺密度>低密區原材料種類。變密度針刺參數需分區域設計,制備高密區針刺織物的最佳參數為原材料種類為285 g/cm2和65 g/cm2、纖維占比為89∶11、針刺密度為5 針/cm2;制備低密區針刺織物最佳參數為100 g/cm2和65 g/cm2、纖維占比為46∶54、針刺密度為5 針/cm2。

提高原材料中網胎占比有利于提高針刺織物厚度降低密度,但在針刺過程中需適當提高針刺密度并給予織物一定的壓縮量,保證針刺織物在層間的有效連接。