亚麻/聚丙烯针织结构复合材料的制备及其力学性能研究

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亚麻纱具有高强、高模、质量轻、密度小、原料来源广泛、绿色环保等优良性能,可用作开发具有一定承载能力的民用纺织复合材料的增韧原料,聚丙烯(polypropylene,简称PP)受热熔融且性能优良,价格低廉,具有可回收、可循环利用性能,适宜用作热塑性复合材料的树脂基体材料。针织技术可将增韧原料和基体材料一次编织成型为热塑性复合材料预制件,生产工艺简单、成本较低,而且,针织结构预制件延伸性好,易于模压成型,有较好的拉伸能量吸收性能。针织结构复合材料中的线圈的几何结构可使纤维取向被立体地固定,保证了纤维取向的稳定和热塑性变形区域中纤维含量的均等,具有较好的拉伸能量和抗冲击能量吸收性能。所以将亚麻纱与聚丙烯长丝并股共织形成针织结构预制件,后经热压复合制得性能优良的复合材料板材是开发新材料的有效途径之一,本研究的主要目的即在于开发绿色环保的民用亚麻/聚丙烯针织结构复合材料,并对其力学性能进行宏观测试分析和细观模拟预测。   本文首先以亚麻纱和聚丙烯长丝为原料,探讨了亚麻/聚丙烯并股共织的横编工艺,选用亚麻纱与不同股数的聚丙烯长丝合股共织了1+1罗纹和四平两种结构且各具不同弯纱深度的织物,并股的亚麻纱和聚丙烯长丝的股数比分别为1:1、1:2、1:3、1:4,对应的预制件的纤维体积含量为75%、60%、50%、43%;通过研究发现亚麻纱经过编织前处理可改善其在横机上的可编织性;通过调整上机的编织速度、牵拉力和弯纱深度,可确定亚麻/聚丙烯横编织物的最佳横编工艺。   为进一步探讨制备环保型民用纺织复合材料的新途径,对利用机号G=9的横机开发的以亚麻为增韧纤维、聚丙烯为基体的亚麻/聚丙烯针织结构复合材料预制件小样的拉伸、弹性回复和顶破强力等力学性能进行测试,分析影响其力学性能的有关因素。研究表明:亚麻纱与聚丙烯长丝合股共织可有效改善其可编织性;亚麻与聚丙烯纤维体积含量比为50:50的针织结构预制件的拉伸断裂性能、弹性回复性能及顶破强力都较优;四平结构预制件的拉伸断裂性能、顶破强力优于罗纹结构,而罗纹结构预制件的弹性回复性能优于四平结构;弯纱深度较小时,亚麻/聚丙烯针织结构预制件的力学性能较优。   将天然亚麻纤维作为增强纤维,聚丙烯作为树脂基体,编织形成的不同纤维体积比、不同结构的亚麻/聚丙烯针织物预制件,经过热压复合制备形成了一定的亚麻/聚丙烯针织物增强热塑性绿色环保的民用纺织复合材料板材。通过对增强纤维及基体材料性能的分析,以及对预制件和复合材料板材的结构参数和制备工艺的设计和分析,得到了较优的复合材料产品结构和制备工艺,认为亚麻/聚丙烯针织结构预制件的编织工序简单、效率高,并可直接热压复合,降低了复合材料的制备成本;模压复合中,预制件层叠方式选择90°交叉层叠(正交)和0°平行层叠,铺层数分别为4层、6层和8层,其中4层、6层预制件热压过程中施加的最大压力为10Mpa时最优,8层预制件热压过程中施加的最大压力为15Mpa时最优;三个阶段的模压温度分别为100℃、160℃和195℃。   为了开发亚麻纤维增强聚丙烯热塑性树脂基针织结构复合材料,制备出性价比较高、力学性能较好的民用环保复合材料板材。通过选择最优的热压复合工艺制得不同结构、不同亚麻/聚丙烯纤维体积含量比的针织结构热望性复合材料板材,并对其拉伸性能进行了测试分析,认为四平结构增强的板材比罗纹结构增强的板材拉伸强力大;同种结构、相同热压复合工艺条件下,亚麻/聚丙烯纤维体积含量比为55.7:44.3时复合材料板材的拉伸强力最大,拉伸最大值载荷达514.072N;预制件层叠方式对复合材料板材的拉伸性能有很大影响。为了开发抗冲击性能优良的环保型民用纺织复合材料,本文对研制开发的亚麻/聚丙烯针织结构复合材料板材进行了冲击测试,分析了冲击破坏后的形貌,探讨了其破坏机理。试验结果表明,纤维体积含量趋近55.7%时,亚麻/聚丙烯针织结构复合材料板材的抗冲击性能较优;铺层数为8的复合材料板材抗冲击性能较4层和6层的好;针织结构预制件的弯纱深度为9时,板材的抗冲击性能相对较好。   本文采取多尺度有限元分析的方法,建立并分析了含有增强纤维亚麻纱线和树脂基体聚丙烯的胞元模型,得到胞元的各向拉伸力学性能。进而均质化得到复合材料试样的力学性能。通过对亚麻/聚丙烯针织结构复合材料层合板拉伸试件进行有限元分析,得到了试件弹性模量和拉伸力学行为,并与试验测试结果进行比较,发现预测误差较小,本文的结论及预测模型可以指导该类复合材料的实际应用。
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