紗線結構對苧麻短纖紗復合材料拉伸性能的影響

左 祺, 吳華偉,2, 王春紅, 杜娟娟

(1.天津工業大學 紡織科學與工程學院, 天津 300387; 2.浙江農林大學暨陽學院 工程技術學院,浙江 紹興 312000; 3.天津工業大學 人工智能學院, 天津 300387)

在“碳中和、碳達峰”生態文明建設的整體布局下,以麻纖維為主的植物纖維增強復合材料在汽車內飾、體育用品、裝飾材料等應用領域中有潛力替代高性能纖維(碳纖維、玻璃纖維等)增強復合材料[1]。當前研究中麻纖維增強復合材料中常用的麻類纖維有苧麻、大麻、黃麻、洋麻、劍麻等[2]。與碳纖維和玻璃纖維相比,麻纖維具有來源豐富、可再生、成本較低等優勢[3]。合成纖維的長度可滿足合成纖維增強復合材料的連續生產;但是麻纖維是通過自然生長以及脫膠提取得到的,其長度具有一定的局限性[4],因此,為實現麻纖維增強復合材料的連續制備,Goutianos等[5]率先提出將環錠紡紗引入復合材料行業,將大麻短纖維紡成短纖紗,實現復合材料增強體連續加工。后續以麻短纖紗制備的機織物、針織物、編織物以及紗線單向帶已成為麻纖維增強復合材料的主要增強體結構形式[6-7]。

短纖維在加捻作用下相互抱合[8],導致紗線中纖維結構復雜。紗線線密度增加,紗線斷裂強力增加;而捻系數增加,紗線斷裂強力先增加后降低,存在臨界捻系數[9],但在短纖紗增強復合材料中,隨著樹脂基體的加入,紗線結構對紗線基復合材料拉伸性能的影響需要進一步探究。Ma等[10]提出當線密度從15.8 tex增加到67.3 tex時,苧麻紗線復合材料拉伸強度達到最高;隨著線密度繼續增大,復合材料的拉伸強度逐漸下降。Hengstermann等[11]、Ma等[12]和Omrani等[13]的研究表明,紗線捻度的增加會降低紗線增強復合材料的拉伸強度。Yu[14]和Zaidi等[15]通過合股工藝降低了紗線的捻度,提高了紗線增強復合材料的拉伸強度。

為更系統地揭示紗線結構對短纖紗復合材料性能的影響與其對紗線性能影響的區別,本文采用可紡性高的苧麻纖維分別紡制連續梯度線密度以及捻系數的短纖紗,通過對紗線拉伸性能以及苧麻短纖紗增強復合材料拉伸性能的分析,優選最佳的紗線線密度及捻系數,并闡述紗線結構對苧麻短纖紗增強復合材料拉伸行為的影響規律。通過對紗線結構的探究為調控麻纖維紗線增強復合材料性能提供理論依據,推動麻纖維紗線增強復合材料拓展應用到汽車內飾門板、建筑柵欄、運動球桿、滑雪板、醫療夾板等材料上。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

苧麻短纖維(湖南華升洞庭麻業有限公司),短切纖維長度為40 mm。191型通用不飽和聚酯樹脂、過氧化甲乙酮固化劑和異辛酸鈷促進劑(鑫得佳玻璃纖維復合材料有限公司)。

1.2 實驗儀器與設備

XFH型開松機(青島市膠南針織機械廠),DSCa-01型蓋板梳理機、DSDr-01型并條機、DSRo-01型粗紗機和DSSp-01型細紗機(天津市嘉誠機電設備有限公司),自制一浸一軋苧麻短纖紗增強復合材料浸漬設備,YG086型縷紗測長儀(萊州元茂儀器有限公司),YG155B 型紗線捻度測試儀(常州市雙固頓達機電科技有限公司),Instron3369型萬能強力機(美國英斯特朗公司),臺式掃描電子顯微鏡( 荷蘭Phenom World BV公司),UPK-T18型水浸超聲波探傷儀(美國物理聲學公司)。

1.3 苧麻短纖紗的制備

1.3.1 不同線密度紗線的制備

設計40、50、60、70、80、90、100、110、120 tex 9組理論線密度的苧麻短纖紗,苧麻纖維原料喂入開松機后獲得較為蓬松的苧麻纖維;根據不同紗線線密度設計初始生條定量為30 g/(5 m),梳理時每次喂入25 g蓬松纖維,通過并條機得到生條;并條過程中羅拉前區、中區、后區的隔距分別為43、41、52 mm, 通過2道并條得到定量為25 g/(5 m)的熟條;40～70 tex對應650 tex苧麻短纖紗的粗紗定量,80～120 tex苧麻短纖紗對應900 tex的粗紗定量,捻系數均為95,粗紗錠速為600 r/min;細紗線密度按照設計的理論線密度進行設置,細紗機錠速為 6 000 r/min, 細紗捻系數統一選用330。

1.3.2 不同捻系數紗線的制備

設計捻系數分別為260、280、300、320、340、360、380的7組紗線,開松、梳理和并條過程如1.3.1節所述,熟條定量為25 g/(5 m),粗紗線密度為900 tex,粗紗捻系數為95,粗紗機錠速為600 r/min; 設置紗線線密度為80 tex,捻系數根據線密度進行設置,細紗機錠速為6 000 r/min。

1.4 苧麻短纖紗增強復合材料的制備

苧麻短纖紗增強復合材料在自制一浸一軋設備上的制備流程如圖1所示。將苧麻短纖紗從紗管退繞通過浸漬槽,然后用壓輥軋去多余樹脂,綁到卷繞輥上備用,卷繞速度為60～70 m/min。其中,浸漬槽中裝有與質量分數為0.75%的促進劑和質量分數為1.5%固化劑均勻混合后的不飽和聚酯樹脂。完全浸漬后的紗線從卷繞輥退繞,排列在框架上,放入烘箱中于60 ℃固化2 h。

圖1 苧麻短纖紗增強復合材料的制備流程圖Fig.1 Preparation digram of ramie fiber staple yarn reinforced composite

1.5 測試方法

1.5.1 紗線性能測試

根據GB/T 4743—2009《紡織品 卷裝紗 絞紗法線密度的測定》,采用縷紗測長儀卷繞百米紗線并測其實際線密度。

根據GB/T 2543.2—2001《紡織品 紗線捻度的測定:第2部分 退捻加捻法》,通過紗線捻度測試儀測量紗線的實際捻度,按照1次退繞加捻法測量250 mm內紗線的捻回數,轉速為750 r/min,并轉換為紗線捻度。

根據GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》,通過萬能強力機測試紗線的斷裂強力和斷裂伸長率,設定隔距長度為500 mm,拉伸速度為500 mm/min。

1.5.2 復合材料拉伸性能測試

根據GB/T 26749—2011《碳纖維 浸膠紗拉伸性能的測定》,通過萬能強力機測試苧麻短纖紗增強復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率,設定2種隔距進行拉伸測試。短隔距拉伸測試加強片的距離為20 mm,拉伸速度為2 mm/min;長隔距拉伸測試加強片的距離為 200 mm, 拉伸速度為10 mm/min。

1.5.3 形貌觀察

采用臺式掃描電子顯微鏡鏡觀察苧麻紗線表面和苧麻短纖紗增強復合材料的斷面微觀形貌。

1.5.4 水浸超聲波測試

將不同參數的紗線埋入樹脂塊,采用水浸超聲波探傷儀,通過傳統C掃描成像對含紗線樹脂塊進行掃描。分別提取掃描路徑中與紗線對應的掃描信號,通過數據重構得到B掃描圖像,即垂直于樹脂塊平面的紗線軸向截面圖像,觀察紗線內部的空隙。

2 結果與討論

2.1 紗線線密度對復合材料拉伸性能的影響

2.1.1 不同線密度苧麻短纖紗的性能

不同線密度苧麻短纖紗的基本性能如表1所示。在相同捻系數(330)下,隨著線密度的增加,紗線的實際捻度逐漸降低;當紗線線密度為120 tex時,紗線的實際捻度約為34.89 捻/(10 cm),比紗線線密度為40 tex時的實際捻度降低了41.96%。表面捻度角和捻系數都可以表示紗線的加捻程度,從不同線密度紗線的表觀形貌(見圖2)可看出,在相同捻系數下紗線的表面捻度角相近,同時,線密度的增加使紗線的直徑變粗,毛羽增多。

表1 不同線密度苧麻短纖紗的基本性能Tab.1 Fundamental performance of ramie fiber staple yarns with different yarn counts

圖2 40～120 tex紗線的表觀形貌Fig.2 Yarn morphology from 40 tex to 120 tex

從表1可看出,隨著紗線線密度的增加,紗線的斷裂強力逐漸增加,120 tex紗線的斷裂強力比40 tex 紗線高出239.70%。圖3示出不同線密度苧麻短纖紗的拉伸性能。由圖3(a)可知,在排除紗線線密度的影響后,苧麻短纖紗在100 tex時斷裂強度最高,為24.02 cN/tex,比60 tex時的最低斷裂強度高出27.11%。由于設定捻系數一致,紗線表面捻度角基本一致,隨著線密度的增加,紗線實際捻度下降,紗線內外部的纖維平均捻度角減小,因此紗線斷裂強度有一定程度的提高[11-13]。由圖3(b)可知,隨著線密度的增加,紗線斷裂伸長率從6%提升至8%左右。這是因為線密度增加,紗線中纖維增多,則纖維間的滑動摩擦力增大,滑動距離增大,斷裂伸長率增大。

圖3 不同線密度苧麻短纖紗的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of ramie fiber staple yarns with different yarn counts.(a)Breaking tenacity; (b)Elongation at break

2.1.2 不同線密度復合材料的拉伸性能

圖4示出不同線密度苧麻短纖紗增強復合材料的拉伸性能。

圖4 不同線密度苧麻短纖紗增強復合材料的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of ramie fiber staple yarn reinforced composites with different yarn counts. (a)Tensile strength; (b)Strain; (c)Stress-strain curves

從圖4(a)可看出,隨著紗線線密度的增加,苧麻短纖紗增強復合材料的拉伸強度呈現先降低后增加再降低的趨勢,這是紗線中纖維向內部的轉移以及紗線直徑變化規律所導致的[16]。當短纖紗線密度為80 tex時,苧麻短纖紗增強復合材料在2種測試隔距下都達到了最大的拉伸強度;而短纖紗為 120 tex 時,復合材料的拉伸強度最低。雖然40 tex時復合材料的拉伸強度與80 tex時的相近,但考慮到紗線的斷裂強力,為使紗線在后續生產中不易斷頭,80 tex可作為制備苧麻短纖紗增強復合材料的最優線密度。在短隔距下測試的拉伸強度比長隔距下平均高出20.68%,其中120 tex時短隔距下的拉伸強度為167.45 MPa,比長隔距下高出42.05%。在短隔距測試中,紗線中的纖維可視為被完全握持,載荷作用在所有纖維上,而在長隔距測試中,纖維呈現隨機離散分布,并非完全連續,因此應力需要通過纖維與樹脂的界面以及纖維與纖維的接觸進行傳遞,拉伸強度減小。

圖4(b)顯示,隨著紗線線密度增加,苧麻短纖紗增強復合材料的拉伸應變逐漸增大。雖然苧麻短纖紗增強復合材料在短隔距下的拉伸應變略大于長隔距,但是長隔距的拉伸位移大于短隔距。在短隔距拉伸過程中,復合材料的應變與所夾持的苧麻纖維應變以及樹脂的應變有關,并且紗線線密度越大,捻度越小,紗線應變變形逐漸增大。在長隔距下的復合材料應變則由纖維與樹脂之間以及纖維之間的抽拔與滑移共同決定,纖維越多,抽拔點或者滑移點越多,拉伸位移增加,變形能力增大。

從圖4(c)可看出,在長隔距測試中,復合材料表現出典型的纖維增強復合材料應力-應變曲線。短隔距測試中復合材料拉伸初期表現為紗線中加捻纖維的伸直,然后才進入虎克區,呈現纖維和基體的彈性階段,最后由纖維斷裂引起復合材料的斷裂。在長隔距測試中,不同線密度苧麻短纖紗增強復合材料的彈性模量均高于短隔距的復合材料彈性模量,與不同隔距下應力和應變的變化規律相反。

2.1.3 不同線密度復合材料的斷面與缺陷

圖5示出40～120 tex苧麻短纖紗增強復合材料不同測試隔距下的斷面SEM照片。可以看出,在短隔距拉伸后苧麻短纖紗增強復合材料的斷裂橫截面比長隔距拉伸后的斷裂面更平整,短纖維被兩端握持時纖維斷裂的概率大于長隔距中纖維在不連續受力狀態下的斷裂。然而,圖5中的苧麻纖維都有一定的抽拔現象,證明復合材料中的纖維與樹脂存在界面缺陷,纖維會從樹脂中拔出。另外,短隔距的斷裂橫截面積略大于長隔距的斷面,這是因為長隔距下拉伸位移較大,復合材料被抽長拉細。

圖5 40～120 tex苧麻短纖紗增強復合材料不同測試隔距下的斷面SEM照片Fig.5 Fracture section of ramie fiber staple yarn reinforced composites from 40 tex to 120 tex observed by SEM. (a) In short distance between clamps test; (b) In long distance between clamps test

在水浸超聲波的檢測下,紗線內部的空隙被標記為紅色[17]。圖6為40～120 tex苧麻短纖紗增強復合材料水浸超聲波B-掃描圖。可以看出,隨著線密度的增加,紗線內部空隙增加。這是因為線密度增加使捻度下降,紗線變得松散。從圖5還可看出,90 tex以上的紗線內部纖維未被樹脂完全包裹,線密度增加使紗線截面增加,線密度較大的紗線難以被樹脂完全滲透,導致苧麻短纖紗增強復合材料的纖維體積分數下降。

2.2 紗線捻系數對復合材料拉伸性能影響

2.2.1 不同捻系數苧麻短纖紗的基本性能

不同捻系數苧麻短纖紗的基本性能如表2所示,表觀形貌如圖7所示。可以看出,隨著捻系數的增加,紗線的實際捻度逐漸增加。但圖7中顯示的紗線表面捻度角的變化不明顯,與測試時紗線自由端解捻有關。

表2 不同捻系數苧麻短纖紗的基本性能Tab.2 Fundamental performance of ramie fiber staple yarns with different yarn twist factors

圖7 不同捻系數苧麻短纖紗的表觀形貌Fig.7 Morphology of ramie fiber staple yarns with different twist factors

圖8示出不同捻系數苧麻短纖紗的拉伸性能。如圖8(a)和表2所示,當捻系數為300時,紗線的斷裂強力最大,紗線的斷裂強度達到最大值,為 23.06 cN/tex。 隨著捻系數的增加,紗線的斷裂強力和強度先增大后減少,臨界捻系數在300附近。在到達臨界捻系數之前,纖維加捻使紗線軸向壓力增加,纖維間摩擦阻力增加,對短纖紗強度有積極影響,而紗線捻系數超過臨界捻系數后,纖維加捻程度越大,導致纖維在紗線軸向提供的有效分力下降,對短纖紗的強度產生負面影響[18]。如圖8(b)所示,紗線的斷裂伸長率也呈現先增加后降低的趨勢。

圖8 不同捻系數苧麻短纖紗的拉伸性能Fig.8 Tensile properties of ramie fiber staple yarns with different yarn twist factors.(a)Breaking tenacity; (b)Elongation at break

2.2.2 不同捻系數復合材料的拉伸性能

圖9示出不同捻系數苧麻短纖紗增強復合材料的拉伸性能。從圖9(a)看出,在短隔距測試中,隨著紗線捻度系數增加,苧麻短纖紗增強復合材料的拉伸強度先增加后減小,在捻系數360處出現臨界點,復合材料拉伸強度為528.39 MPa,比捻系數為260時的拉伸強度高出71.42%。樹脂的滲透及固化使紗線內纖維之間的滑移現象減少甚至消失,紗線中纖維之間的抱合力轉變為纖維與樹脂的界面作用。隨著捻系數的增大,纖維扭轉與樹脂形成界面鎖結,對拉伸強度有積極作用;但高捻系數使紗線軸向提供的有效分力下降,不利于拉伸強度,因此,在臨界捻系數處紗線捻度角對拉伸強度的負面影響與對界面機械鎖結的積極影響達到平衡。

圖9 不同捻系數苧麻短纖紗增強復合材料的拉伸性能Fig.9 Tensile properties of ramie fiber staple yarn reinforced composites with different yarn twist factors.(a)Tensile strength; (b)Strain; (c)Stress-strain curves

然而,在長隔距測試中復合材料的拉伸強度是逐漸增加的,當捻系數為380時,最大拉伸強度為399.20 MPa。雖然捻系數的增加會降低纖維的有效分力,使短纖紗增強復合材料的拉伸載荷逐漸下降,但是與此同時紗線截面積隨著捻度的增加大幅度下降,這導致苧麻短纖紗增強復合材料的拉伸強度呈現上升趨勢。

比較2種隔距下復合材料的拉伸性能,短隔距測試時的拉伸強度和拉伸應變都高于長隔距測試。在捻系數為360時,短隔距測試時的拉伸強度是長隔距的1.53倍,變化幅度最大。在圖9(b)中,長隔距下復合材料的應變保持在2%左右,短隔距下復合材料則在捻系數為300時達到最大的應變。

從圖9(c)長隔距測試中可看出,紗線捻系數越大,苧麻短纖紗增強復合材料應力-應變曲線的初始斜率越大,即彈性模量越大。在短隔距拉伸初期,隨著捻系數的增加,將復合材料內部傾斜纖維伸直所需要的應力增加,短隔距下應力-應變曲線中虎克區的彈性模量趨勢與長隔距下的相同。在長短隔距對比中,長隔距下不同捻系數苧麻短纖紗增強復合材料的彈性模量均高于短隔距復合材料的彈性模量。

2.2.3 不同捻系數復合材料的斷面與缺陷

圖10示出捻系數為260～380的苧麻短纖紗增強復合材料在不同測試隔距下的斷面SEM照片。可以看出,捻度的增加使纖維在從樹脂中拔出后保持著明顯的捻度角。在苧麻短纖紗結構中,捻系數越大,纖維與紗線的軸向傾角越大,纖維之間的相互抱合與樹脂形成機械鎖結,使纖維不易拔出,因此對于長隔距拉伸測試,復合材料的拉伸強度主要由不連續的纖維與樹脂之間的抽拔力和部分纖維的斷裂提供,復合材料的拉伸強度隨著捻系數的增大而逐漸增大。當短隔距測試中纖維兩端被握持后,雖然加捻纖維與樹脂的機械鎖結在一定程度上提高了復合材料的拉伸強度,但是纖維有效分力的持續減少使復合材料的拉伸強度在超過臨界捻系數后下降,樹脂的加入則實現了短纖紗增強復合材料的臨界捻系數向比紗線臨界捻系數高的方向移動。

圖10 不同捻系數苧麻短纖紗增強復合材料在不同測試隔距下的斷面SEM照片Fig.10 Fracture section of ramie fiber staple yarn reinforced composites with different twist factor observed by SEM. (a) In short distance between clamps test; (b) In long distance between clamps test

圖11為捻系數為260～380的苧麻短纖紗增強復合材料的水浸超聲波B-掃描圖。可以看出,隨著捻系數的增加,紗線內部的空隙減少。同一線密度下,捻系數越大,捻度越大,單位捻回數的增加使纖維抱合得更加緊密,苧麻短纖紗增強復合材料的纖維體積分數增加,從而實現了苧麻短纖紗增強復合材料拉伸強度的提高。

3 結 論

紗線線密度與捻系數是短纖維紗線的重要參數,對苧麻短纖紗以及其增強復合材料的拉伸性能都有顯著的影響。當紗線線密度逐漸增大時,短纖紗增強復合材料的拉伸強度先降低后增加再降低,不同隔距下的拉伸強度變化趨勢一致,其中線密度為80 tex時的拉伸強度最大。在長隔距測試中,短纖紗增強復合材料的拉伸強度隨著捻系數的增加而增加;在短隔距測試中,當捻系數為360時,拉伸強度出現了臨界點,最大拉伸強度可達528.39 MPa,近似于苧麻纖維的拉伸強度。當線密度小且捻系數較大時,紗線中纖維排列緊密,紗線線密度與捻系數通過調整紗線內部纖維的排列結構,從而影響苧麻短纖紗增強復合材料中的纖維體積分數和拉伸強度。

在短隔距測試下苧麻短纖紗增強復合材料中的纖維被假設為兩端完全夾持,復合材料斷裂模式以纖維斷裂以及樹脂開裂為主;然而長隔距測試下苧麻短纖紗增強復合材料中的纖維在隔距內呈離散分布,復合材料斷裂行為以纖維之間的滑脫以及纖維從樹脂中的拔出為主。由于纖維在短隔距測試中整體承力,在苧麻短纖紗增強復合材料斷裂時的拉伸強度和拉伸應變都顯著高于長隔距測試,而在相同應變點處,長隔距拉伸測試所得的拉伸應力值要高于短隔距測試所得。