緯紡織物增強復合材料的研究

  在現代結構材料中,以纖維作為增強體與高分子聚合物基體復合制成的復合材料始于40年前。其中紡織復合材料占有相當比重,這是因為紡織加工過程具有控制纖維取向和提供近似于網狀成型結構的優點。作為增強體的紡織材料主要有機織物、編織物和針織物三類。后者又分緯編針織物和經編針織物兩種,各有其特點。經編針織物具有尺寸穩定和延伸率小等特性,特別是雙軸向和多軸向襯緯經編針織物進一步優化了這種性能,用它制成的復合材料比機織物復合材料具有更高的拉伸強度與模量,廣泛用于蓬、膜覆蓋類柔性復合材料產品。雖然與其它紡織復合材料相比,緯編針織復合材料的研究起步較晚,但由于它的特點,自90年代以來,國外在這方面的研究也日益增多和深人。這對于研制滿足某些用途的新型紡織復合材料具有理論與實用意義。
  特點與應用
1、特點
    與其它紡織復合材料相比,緯編針織物及其復合材料具有下列特點:
    (1)延伸性與懸垂性較好,適宜深度模壓復合材料的加工,無折皺塑性變形保證了成品件的流暢成型;
    (2)成型性好,可通過全成型方法制成形狀復雜的構件,能避免因織物裁減與拼接造成的原料損耗和結構不均勻;
    (3)線圈的幾何結構可使纖維取向被立體地固定,保證了纖維取向的穩定和有明顯熱塑變形區域中纖維含量的均等,并可避免層壓復合材料中易形成的片狀結構,排除了脫層的可能性;
    (4)工藝流程短,生產率高和生產成本低;
    (5)具有比機織物復合材料更好的抗沖擊疲勞性能;
    (6)深延伸,熱沖壓和無損耗網狀成型等仿金屬成型的技術,可為緯編針織復合材料在生態和經濟領域開創了新的應用。
2、應用
    鑒于緯編針織復合材料獨特的性能,近年來它在下列領域正得到越來越多的應用
    (l)汽車工業:緯編針織物的成型性能和樹脂傳遞模塑工藝(RTM)特別適合了汽車殼體的生產。它不僅可以取代傳統的金屬材料,而且還具有良好的耐沖擊性能,這對于賽車尤佳。此外該工藝也能滿足大批量生產的要求。
    (2)航天與航海Al業:早在20多年前,就有學者研究用針織玻璃纖維/酚醛樹脂復合材料來取代金屬制造亞音速或超音速火箭的前錐體。目前,飛行器和艦船的殼體、翼片和螺旋槳等均有采用緯編針織復合材料。
    (3)形狀復雜的產品與構件:利用全成型緯編針織技術,可以一次織造出無須裁剪與拼縫的三維增強結構,如T型三通,凸緣管道,頭盔和體育運動器材等。
    (4)醫學生物工程:對于某些移植器官,例如骨片,需具備一定的承載性能。而緯編針織碳纖維復合材料的力學性能可以滿足長骨的承載要求。這加速了骨折的愈合,防止了骨質疏松。聚合物覆蓋的表面可防止由于纖維顆粒釋放造成的副作用。還有采用滌綸緯編針織物/聚氨酯制成的柔性復合材料,它具有良好的生物適應性和力學性能,可用作某些人體軟組織和移植器官。
  結構與加工
1、針織物結構與編織
    用于研究工作的緯編針織增強復合材料種類有:玻璃纖維/環氧樹,玻璃纖維/聚酯,玻璃纖維/聚丙烯,碳纖維/環氧樹脂,碳纖維/聚醚醚酮,碳纖維/聚甲基丙烯酸,芳綸/聚丙烯,聚酯纖維/聚氨酯等。
    上述材料中,增強針織物的結構有單面的平針。襯墊,雙面的羅紋、羅紋空氣層(米拉諾)、羅紋襯緯。畦編和雙羅紋等。其中研究較多的是平針,其次是羅紋。
    對于采用剛性比較大,彎曲易折斷的玻璃纖維和碳纖維等原料的針織物,大多是在帶壓腳的橫機或相對運動技術的單面圓機上編織,機號一般在4-10。由于這類機器編織時對紗線施加較小的作用力,使成圈容易進行,比較適合編織該類纖維。編織時,紗線經過的導紗機件應堅硬光滑,以避免磨毛或磨斷纖維。對于彎曲剛度相對較小的芳給和滌綸等原料,可在一般的圓機或橫機上編織。
2、復合成型工藝
  
研制的緯編針織復合材料試樣多為二維的平板,也有網眼形骨架板和管等。
  對于增強織物與熱固性樹脂(如環氧樹脂和不飽和聚酯等)復合的平板結構,無論是單層板或多層板,常采用手糊成型或樹脂傳遞模塑成型方法。
  對于熱塑性樹脂作為基材的試樣,有采用纖維與基材混制的紗線(碳纖維/聚醚醚酮,玻璃纖維/聚丙烯等)編織成針織物,再將幾層織物通過熱壓成型,也有將增強織物與熱塑性薄膜層疊然后熱壓成型。
  對于滌綸纖維與聚氨酯基體制成的柔性復合材料,由于兩者的熱熔溫度重疊,故先使用稀釋的聚氨酯溶液浸漬滌綸織物,然后借助負壓去除溶劑,使聚氨酯沉積并包覆在針織物周圍。