目前对膜材料力学性能的研究 , 主要集中在单向拉伸和撕裂 ,对双向拉伸和多向拉伸的研究比较少。双向拉伸指织物的横向和纵向同时受到拉伸 , 由于在与拉伸方向垂直的方向上保持零应变 , 所以拉伸方向上应变较均匀。但是目前多轴向拉伸方式在仪器上的实现依然存在困难 , 难以推广。而在实际的应用中 , 建筑膜材料经常会受到多个方向拉力的作用 , 顶破是一种常见的破坏形式。所以 , 顶破性能的好坏会直接影响到柔性复合材料的实际应用。本文主要探讨经编预定向柔性复合材料的顶破性能 , 试验分析了在不同基布、不同涂层厚度、不同涂层树脂顶破条件下 , 经编预定向柔性复合材料的力学特性和破坏形式。
1 试验
1. 1 织物基布规格经编双轴向玻璃纤维织物EKB600 和 EKB750 的具体规格如表 1 所示。
1. 2 涂层树脂规格及配方本试验所采用的 PVC( 聚氯乙烯 ) 为 P440 糊状树脂 ( 上海天原化工厂) ,具有良好的透明性、热稳定性、抗水性和耐候性。 P440 为中等分子量的通用型树脂 , 聚合度为1 500 左右 , K 值为 73 ～ 75 。本实验所采用的PU (聚氨酯 )为 MP 2120 (上海中大科技发展有限公司 ) , MP 2 120 的特征是柔软性、韧性、弹性优秀 , 适宜于服装面料、帐篷 , 使用时根据要求应适当加入甲苯或 DMF 溶剂以调节粘度。树脂的各项参数如表 2 所示。PVC 涂层和 PU 涂层的配方分别如表 3 和表 4 所示。表中DOP 是增塑剂 , 主要作用是增大涂料软化温度与分解温度之差 , 进而改善其流动性 , 使聚合物柔软且有弹性。 CaCO 3 是填充剂又称填料 ,主要作用是降低成本、提高制品刚度、调整成型加工性能、提高制品尺寸稳定性 ; ZnO 是热稳定剂 , 主要作用是阻止和抑制 PVC 树脂在成型加工过程中受热分解和延长制品的使用寿命。 TiO 2 是光稳定剂 , 主要作用是抑制或减弱 PVC树脂及其他助剂的光降解作用 ;Sb 2 O 3 是阻燃剂。甲苯是催化剂 ,用于降低树脂粘度。在涂料中添加少量色素的目的是实验过程中便于识别。
1. 3 涂层设备
常用的涂层工艺主要有干法直接涂层、湿法涂层和转移涂层三种。本课题采用干法直接涂层工艺。干法直接涂层是典型的直接涂布工艺 , 织物在一定的张力下水平 地 通 过固定 的 涂 布头 , 薄而均匀的涂 层 剂 就直接 涂 在 织物 表 面。涂好后的织物用烘箱烘干 , 使涂层干燥 而 牢 固。涂 层 所 用 设 备 为JMU972 型落地式涂层机 ( 北京纺织机械器材研究所研制 ) 。烘干条
件如下 :
PVC 涂层 : 150 ℃ , 2 min;
PVC 涂层 : 150 ℃ , 2 min;
PU 涂层 : 160 ℃ , 1. 5 min 。
1. 4 试样顶破性能测试
顶破强力的测试方法有弹子式和气压式两种。本试验采用弹子 式。顶 破 试 验 在 南 通 宏 大HD026N 电子织物强力仪上进行。将直径为 60 mm 的圆形试样固定在 规 定 的 夹 具 内 , 顶 头 以50 mm /min 的速度垂直地顶向试样 , 预加张力为 0. 2 N, 直至试样破裂。与此同时 , 记录装置记录整个顶伸过程的变形曲线 , 并给出顶破强力。对所有试样进行测试 , 每种试样至少要得到 5 个以上有效数据 , 分析采用的数据为其平均值。
2 结果及讨论
2. 1 顶破特征曲线图 1 显示了典型的经编双轴向针织物的顶破曲线。图 2 显示了典型的以经编双轴向针织物为基布 , 经 PU 涂层或 PVC 涂层整理后构成的复合材料的顶破曲线。由图 1 和图 2 可以看出 , 针织物的顶破曲线比较平滑 , 而复合材料的顶破曲线有很多锯齿 , 复合材料的顶破强力是针织物的 4 ～5 倍 , 复合材料在外力的作用下能够承受较大的顶破变形。当针织物被顶破时 , 试样迅速被破坏 , 并且所能承受的负荷迅速降低。当复合材料被顶破时 , 试样继续承载负荷 , 但负荷逐渐降低。玻璃纤维表面非常光滑 , 当针织物受顶破外力作用时 , 顶头很容易穿透织物 ,因此顶破强力低 , 应力迅速下降。针织物被树脂浸润后构成复合材料 , 玻璃纤维和树脂能够共同承受顶头的外力作用 , 因此顶破应力较大。在顶破的时候 , 最先达到最大伸长部分的基体材料开始被破坏 ,
然后这部分玻璃纤维开始断裂 , 而顶破破坏是从开始破坏的部分延伸开来的 , 因此会出现锯齿形状的顶破曲线。
2. 2 顶破强力分析与比较
实验中 , 在针织物 EKB750 和EKB600 上都分别涂覆两种树脂涂层厚度为 0. 5 mm 、 1. 0 mm 。试样的顶破强力值如表 5 所示。
2. 2. 1 针织物基布结构参数对复合材料顶破强力的影响由图 3 和图 4 可明显地观察到 , 以针织物 EKB750 、 EKB600 为基布 , 涂层厚度 (0. 5 mm 、 0. 1 mm)和涂层树脂(PU、 PVC) 相同时 , 复合材料 EKB750 的顶破强力高于复合材料 EKB600, 原因是针织物EKB750 内的经纱、纬纱断裂强力和织物厚度大于针织物 EKB600 。
2. 2. 2 不同涂层对复合材料顶破强力的影响由图 5 和图 6 可观察到 , 在相同针织物基布 (EKB750 、 EKB600)上涂 上 相 同 厚 度( 0.5 mm 、 1. 0 mm) 的涂层后 , PU 涂层复合材料的顶破强力明显高于 PVC 涂层复合材料 , 原因是与 PVC 树脂相比 PU 树脂有更佳的弹性、强力 ,与针织物基布有更好的粘附性。
2. 2. 3 不同涂层厚度对复合材料顶破强力的影响由图 3 ～图 6 可以观察到 , 涂层厚度对复合材料顶破强力的影响较大 , 涂层厚度越大 , 复合材料的顶破强力就越大 , 但是涂层厚度的增加会造成复合材料成本的上升。
3 结论
经编双轴向针织物基布厚度和经纬纱线的断裂强力对复合材料顶破强力的有一定的影响。织物厚度越大、经纬纱的断裂强力越大 , 则复合材料的顶破强力就越大。涂层树脂品种的也对复合材料的顶破强力有影响。 PU 涂层复合材料的顶破强力明显高于 PVC涂层复合材料。增加涂层厚度会提高复合材料的顶破强力 , 同时成本也会提高。