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1、第2 6 卷第4 期 2 0 0 5 年8 月 纺织学报 J o u m a lo f7 I h m eI k s e a r c h V 0 1 2 6 N o 4 A u g ,2 0 0 5 组合式3 D 机织增强复合材料树脂渗透性 祝成炎,申小宏,李艳清,朱俊萍 ( 浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江杭州3 1 0 0 1 8 ) 摘要通过对玻纤进行包缠设计并在普通二维织机上试制了组合式3 D 机织结构预制件,采用真空辅助成型工 艺研制了复合材料。同时采用光学显微镜和s E M 分别对织造中玻纤断裂情况和树脂在复合材料成型过程中的渗 透性进行了研究。 关键词3 D
2、 机织增强复合材料;一步包缠技术;真空辅助成型;树脂渗透性 中图分类号:髑1 0 6 6 8文献标识码:A文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 5 ) 0 4 0 0 2 1 0 3 R e s i np e 珊e a b m 锣o fc 咖b i n e d3 Dw o V e n 北i n f o r c e dc o m p 0 菌t e s Z H UC h e n g y 锄,S H E N ) 【i a o h o n g ,UY a I l q i n g ,Z 删J u I l p i n g ( 死e 研蹦D m 胁叫矿A 跏w 耐7 缸龇胁蹴砌z 譬8
3、以 缸n 西础拥i 皤死如蝴,肘打遗打y 矿以如, z 她洳昭跏觇m 缈矿s 豳慨d 删i 概:y ,虢咖“,z 均阮昭 3 1 0 0 1 8 ,醌讥口) A b s 打j I c tc o m b i n e d3 Dw o v e np r e f b 珊sf o rr e i b r c e dc o l p o s i t ea p p l i c a t i o nw e r ed e s i 印e d 舳dm 粕证t u r e do nt l l er e f 豳e d c o m m o n2 D1 0 0 mw 油w m p p e dg l a s sf i b e r
4、A n dt l I ec o m p o s i t i e 哪t e r i a l sw e r ef a 晡c a 把db ym e 粕so fV A R I ( V a c u 哪A s s i s t e dR e s i n I n f u 8 i o n ) p r o c e s s 1 1 l eo c a lm i c r o s c o p e 卸ds E Mw e 陀e m p I o y e dt 0 锄a l y 舱t h ed a 咖唔eo fg l 酗sf i b e rd I I r i I l gw e a v i l l ga I l d r ;e s
5、i n p e 瑚e a b i l i t yi nt l l e c o u r s eo fm o l d i n go fc o I p o s i t em t e r i a l s K e y 啪r d s3 Dw o v e nr e i n f o r c e dc o m p o s i t e ;仰es t e pw m p p i n gt e c h n o l o 舒;V A l u ;r e s i np e 珊e a b i H t y 3 D 机织增强复合材料,是通过设计特殊的3 D 组织结构将多层纤维连接起来形成一个整体,在三 维织机或二维平面织机上织造预制
6、件,再与树脂复 合而形成的特殊材料。由于在织物的厚度方向有专 门的一组纤维或纱线连接,大大改善了复合材料在 厚度方向上的抗分层性能,使其具有结构整体性好、 层间断裂韧性高等优良的特性。但是由于高性能纤 维如玻璃纤维等极易起毛而断裂,因此,在预制件的 织造加工过程中会产生纤维的起毛断裂,这样就会 降低复合材料的性能2 ,同时3 D 立体机织物结构 的复杂性对织造技术有较高的要求,造成了目前还 不能大规模生产的现实问题。本文通过纤维一步包 缠技术,在纤维长丝外包覆锦纶长丝保护玻璃纤维 以增加其耐磨性,同时采用真空辅助成型工艺解决 树脂在织物内的渗透。 l 预制件的制作 1 1 原料准备 预制件采用
7、E 玻璃纤维,由杭州玻璃纤维厂生 产。指标如下:密度为2 5 4g c m 3 ;断裂强度为 3 2 8 9c N ,d t e x ;断裂伸长率为1 3 8 ;初始模量为 21 9 7c N ,d t e x ;经纬纱线密度分别为24 0 0 ,12 0 0t e x , 经纬纱均用锦纶长丝包缠。 1 2 玻璃纤维包覆 包覆是采用机械的方法使纱线按照某种方式相 互并合、加捻,达到线形组合的目的。目前包覆可在 不同类型的设备上进行,包括环锭花式捻线机、空心 锭花式捻线机、气流包覆机等。在本文中采用 H K v l 5 1 B 型三罗拉空心锭花式捻线机进行线形的 组合加工,图l 为H K V l
8、 5 1 B 型花式捻线机的工艺示 意图。 根据实验使用线形较粗的实际情况,对花式捻 线机参数进行了专门的调整,并进行了多次的实验, 成功地制成了所需的线形。如图2 所示,玻璃纤维 长丝束与锦纶长丝混合包覆。 在图2 中可以看到呈伸直状态的玻璃纤维长丝 束与锦纶长丝纤维相互混合,并由呈螺旋形分布的 锦纶长丝纤维在其外部包覆以形成稳定的线形结 构。在这种线形中,含有较低比例的锦纶长丝纤维, 对于玻璃纤维在复合材料中的体积分数不受影响。 作者简介:祝成炎( 1 9 6 2 一) ,男,硕士,教授。从事3 D 织造技术与纺织复合材料、纺织工程技术、纺织C A D 技术等的教学和科研。 万方数据 PD
9、F Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【2 2 】纺织学报 2 0 0 5 年第4 期 图lH K v l 5 l B 型花式捻线机工艺示意图 图2 玻纤包缠示意图 1 33 D 机织物 结构设计及织造 3 D 机织物 板材预制件的结 构形式有正交结 构、准正交结构 和角联锁结构。 而角联锁结构依 纱线走向的不同 又可分为多种, 文献 3 曾作过介绍。 本文采用正交、准正交及角联锁3 种基本结构, 并用文献 4 6 报道的织造方法,试制了3 D 机织 物,结构见图3
10、。 一瓣 ( c ) ( d ) 围33 D 机织物经向截面图 图3 ( c ) 采用正交结构、准正交结构和角联锁结 构组合设计而成,在该结构中经纱与纬纱的层数分 别为1 2 层和7 层,准正交结构3 层、角联锁结构3 层 以及正交结构1 层,最后采用了2 根垂纱以连接各 层纱线;图3 ( a ) 和图3 ( b ) 属于同一类角联锁结构, 图3 ( a ) 为4 层结构,图3 ( b ) 为3 层结构,其中添加 了2 根增强经纱。 在织造3 D 结构机织物中,经纬纱均采用了相 同的线形组合,即24 0 0 t e x 玻纤+ 12 0 0t e x 玻纤,在 普通2 D 平面小样机上试织4
11、块小样。 2 复合材料的制作准备 2 1 基体材料 基体材料采用R 5 2 6 A 乙烯基树脂,由美国 S a i n t - G 0 b a i nB I CI n e 和荷兰A k z 0N o b e lP b l y m e r C h e I I l i c a lB v 生产。 乙烯基树脂是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一类 新型树脂,其特点是聚合物中具有端基不饱和双键, 因而其兼有不饱和聚酯树脂与环氧树脂之优点。树 脂粘度低,树脂链上的仲羟基对玻璃纤维等有优良 的浸润性和粘结力,从而提高复合材料中纤维和树 脂的界面结合强度。 2 2 真空辅助成型工艺 真空辅助成型工艺( V
12、a c u u mA 8 s i s t e dR e s i n h n s i o n ,简称V A R I ) 是一种新的低成本的复合材料 大型制件的成型技术,它是在真空状态下排除纤维 增强体中的气体,利用树脂的流动、渗透,实现对纤 维及其织物浸渍,并在室温下进行固化,形成一定树 脂,纤维比例的工艺方法。 V A R I 工艺仅仅需要一个单面的刚性模具,用来 铺放纤维增强体,其上模为柔性的真空袋薄膜,整个 工艺操作在室温下进行,无需加热,还需一个真空泵 抽真空加载负压力,使树脂被均匀吸人预制件中,而 无需额外的压力。具体工艺路线如图4 所示。 图4 真空辅助成型工艺示意图 3 复合材料的
13、制作 将R 5 2 6 A 乙烯基树脂和R 4 3 8 催化剂混合均 匀,再将准备好的不锈钢模具清洗干净,直到表面完 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第4 期 纺织学报【2 3 】 全光滑、干燥。然后在模具表面涂上几遍R 5 0 4 脱 模剂。 在模具周围铺上低温密封带,放置预制件在密 封带的中间。按次序铺上剥离板、透孔脱模薄膜、密 封袋,再用密封带密封防止漏气。 制作环境:温度不能低于2 0 ;相对湿度5 0 ; 工作压力1 0
14、 0k P a 。 3 D 机织复合材料样品参数见表1 。 表l3 D 机织复合材料样品参数 4 实验分析 4 1 包缠玻纤织造前后表面状态 由于在织造过程中,经向玻纤要经过经纱与综 眼的摩擦、经纱与经纱之间的摩擦以及经纱与钢筘 之间的摩擦,所以经纱的玻纤断裂最为严重。从预 制件中采集经纱,采用M O T I c 体视显微镜对包缠玻 纤放大1 8 0 倍观察,如图5 ( a ) 、( b ) 所示,发现玻纤纱 线表面的纤维断裂现象较少。图5 ( c ) 为多次摩擦 后锦纶丝的断裂,表明采用本文的方法能有效地减 少玻纤在织造过程中起毛断裂。 ( a ) 玻纤断裂图 ( b ) 玻纤断裂图 ( c
15、 ) 锦纶丝断裂图 图5 玻璃纤维包缠纱 4 2 复合材料纵向截面 对所制得的样品取部分切割小样,在 J s M 5 6 1 0 L V 扫描电镜( 美国E D A x 公司) 中放大15 0 0 倍观察,获得图6 所示的电镜照片。 从图6 ( a ) 、( b ) 沿纬向截面电镜照片中看出,玻 璃纤维束中的单根玻璃纤维与树脂界面结合紧密, 并且树脂能充分渗透到玻纤柬的内部。照片中所看 到的微量缝隙是由于在打磨平面时处理不够完美而 造成的。图6 ( c ) 、( d ) 是沿经向截面中玻纤与树脂 的界面,可以看出纤维和树脂之间结合紧密,并没有 因为锦纶长丝的包缠而致使树脂不能充分渗透到玻 璃纤
16、维束的内部。说明采用这种工艺能符合复合材 料的制作要求。 ( a ) 纬向纤维( b ) 纬向纤维 ( c ) 经同纤维( d ) 经向纤维 图6 纤维与树脂界面图 5 结论 研究表明,将玻璃纤维用锦纶丝进行包缠,能够 有效地减少玻纤在3 D 织造过程中的起毛断裂。采 用正交、准正交及角联锁3 种基本结构能够实现组 合式3 D 机织组织,采用真空辅助成型工艺能成功 地研制组合式3 D 机织增强复合材料。s E M 的观察 表明树脂能充分渗透到经过包缠的玻纤纱内部,保 证了复合材料内纤维树脂界面的完整性。 参考文献: 1J R u d o vc l a r ks ,M o u r i t zAP
17、 ,t 胱L ,e ta 1 n b r ed a 删唔ei nt l l e 删l 】f a c 慨o fa d v 蚰c e dt I l l 傥- d i m e n s i 加a lw o v e nc o r r I p o s i t e s J C o m p s o t e sP a I tA ,2 0 0 3 ,3 4 :9 6 3 9 7 0 2 k 虻L ,R u d o v c l a r ks ,M o u r i t zAP ,e ta 1 E 如c to fw e a v i gd 8 n m g e 0 nt h et e 璐i l ep m p e r t i
18、 e so ft I l r e e - d i I n e n s i 伽a lw o v c o I 。l p l o s i t e s J C o m p o s i t es t r u c t u m ,2 0 0 2 ,5 7 :4 0 5 4 1 3 3JS o d 衄JA ,H mBJ C o n v e n t i o n a lw 醐而。l go fs h a p e dp | d b m sf o f e n g i n e e r i n gc o I l l p i t e s J c o m p o s i t i 船P a r tA :A p p l i e d
19、s c i 蚰c e 锄d M u 矗m t I I r i l l g ,1 9 9 8 ,2 9 :7 5 7 7 6 2 4 汪蔚,祝成炎三维机织物的组织结构与设计 J 浙江工程学 院学报,2 0 0 1 ,( 4 ) :1 7 9 2 0 0 5 c h o us ,H ec h e n 1 1 I ew e “n gm 如0 d s0 ft l l r e e d i m m i o l l a lf i 晡c s 0 fa d v a n c e dc 咖p i t e l 舾t 谢a l s 【JJ C o I p o s i t eS 呻c t u r 鹊,1 9 9 5 ,3 3 : 1 5 0 一1 7 2 6 祝成炎立体织物结构及其织造技术 J 丝绸,2 0 0 0 ,( 1 0 ) :3 3 3 5 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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