第 24 卷第 4 期（总第 126 期）
2017 年 10 月
V\". 24，N〇. 4(Sum 126)
UHMWPE纤维针织增强体复合材料制备及性能研究
魏
冬
，薛
涛
，孟家光
710048)
(西安工程大学纺织与材料学院，陕西西安
摘要：采用平板硫化机制备
UHMWPE纤维针织增强体复合材料，确定基体配制的工艺，同
E，扩散剂邻苯二
。实验结果表明，
甲酸二丁酯20%，
时对改性前后的
UHMWPE纤维针织增强体复合材料的拉伸性能、弯曲性能、压缩性能及层间剪
：固化剂=10:3，稀
。
释剂丙酮10
切性能等基本力学性能进行了探究，分析了不同增强体下复合材料的破坏情况最佳的基体工艺为：环氧树脂混合温度50°
C，搅拌时间20min;对比分析改性前后的针织增强体复合材料的力学性质，增强体
量聚
乙婦纤维针织增强体力学性能基体工艺
文献标志码
选用罗纹半空气层衬纬组织更为理想
关键词：超高分子中图分类号:
TS102 :A
文章编号：1008-5580(2017)04-0068-06
艺，并对其拉伸、弯曲、压缩和层间剪切性能进行了
〇
刖目
测试表征。1
试验
针织组织富有弹性、悬垂性和高能量吸收性， 特别是其可成型性在生产异形的复合材料增强体 中有着突出的优势，近年来在复合材料的研究与应 用中越来越受到人们的关注+2]。高性能纤维针 织增强体复合材料有着梭织增强体复合材料所无 可比拟的优良特性，自2加强[3?]。而
0
1.1
实验材料及仪器
纱线：1600D/1385F UHMWPE纤维（北京特力化纤有限公司）。
试剂：E-51
世纪9
0
年代以来，国内
外对高性能纤维针织增强体复合材料的研究日益 型环氧树脂（分析纯，无锡树脂
UHMWPE纤维作为继碳纤维、芳纶
厂）、聚酰胺树脂（分析纯，镇江丹宝树脂有限公 司）、丙酮（分析纯，济宁佰一化工有限公司）。
设备$5针/25. 4mm飞虎牌手摇横机（台湾盛 美机械股份有限公司）、XLB-D型平板硫化机（郑 州大众机械制造有限公司）。1.2
编织工艺参数
之后的第三大高技术纤维，因其质量、比强度比模 量、韧性、耐磨损性能等比其他高性能纤维表现更 为优越，在消防、环保、航空航天、工程塑料、建筑等 军工和民用等领域已得到了广泛的应用[6?]。
针织增强体与其他纺织结构增强体复合材料 相比，针织增强体复合材料刚度和强度总体稍逊色 于梭织和编织结构增强体复合材料，但比梭织和编 织结构增强体复合材料拥有更好的互融性和各向 同性[9?0]。本文通过UHMWPE纤维各种针织增 强体与环氧树脂进行复合，制备出了 UHMWPE纤 维各种针织增强体复合材料，确定了最佳的基体工
为了比较不同针织结构对其复合材料力学性 能的影响，设计与试织了五种增强体:包括满针罗 纹、罗纹半空气层组织及其衬纬组织、双层平针组 织和针织机织层合结构，以上组织结构的编织工艺 参数如下页表1。
收稿日期=2017-06-07
基金项目：陕西省教育厅重点试验室专项项目（15JS030);陕西省产业用纺织品协同创新中心科研资助项目（2015ZX-06) 第&作者:魏冬（1993-)，男，硕士研究生，研究方向：针织新材料、新技术、新工艺。通讯作者:孟家光（1964-)，男，博士，教授，硕士生导师。
第4期UHMWPE纤维针织增强体复合材料制备及性能研究
69
表1针织增强体的编织工艺参数
组织满针罗纹半罗纹半空双层平针针织机织 参数 罗纹空气层气层衬纬 组织 层合
1815151515弯纱深度
织物尺寸/cm20x2520x2520x2520x2520x25衬纬长度/cm0023001.3织物工艺参数测试1.3.1织物厚度
测试10次，取平均值。
1.3. 2
织物密度
参照FZ70002-91针织物线圈密度测试方法。 将下机后的针织物静置达到平衡后进行测试。
1.3.3线圈长度
参照FZ/T 01031测定针织增强体的线圈长 度，选用脱散法求其实际长度[11]。
1.3.4平方米克重
参照GB/T13762-92 土工布厚度测定方法。 均匀加压10N,同一块增强体挑选不同部位测试，
织物
类别针半空半空双层平针组织针织 织 合
织物 度
/mm
参照GB/T13762-92 土工布单位面积质量的 测定方法，表2为各种织物的结构参数。
表2各种织物的结构参数横密/纵行.
5cm 124.6125.5925.5927.5626.96
纵密/横列. 5cm?127.2442.3442.3436.4247. 18
总密/线圈数.
25cm?2670.381083.481083.481003.741271.97
圈长度
/mm
平方米克重/g/m 2806.34624.17914.841187.721015.33
2.451.871.913.642.936.35.85.86.05.6
1.4针织增强体复合材料的制备
分，故混合前需将树脂与固化剂在一定温度下保持 一定时间。经过多次重复试验得到了基体的配制 工艺，如表3所示。
表3基体的配制工艺
项目结果1.4.3
树脂与固化
剂配比10:3
丙酮/%10
邻苯二甲酸温度二丁酷/% /C
20 50
时间
/min
1.4. 1
基体配比
环氧树脂是热塑性型树脂，需在环氧树脂中添 加适量的固化剂。本试验选用固化剂是聚酰胺树 脂650。根据低分子量聚酰胺树脂配比环氧树脂 的计算公式[12]$
w(PA)= (56100/(AV)xfn)xEV
20
热压工艺选定
式中:PA指聚酰胺树脂；
f是系数，fn = n + 2/n+1;(n 为一CH2CH2—的
在确定最佳工艺的过程中，需根据树脂的性能 指定适当的温度、压力及时间，温度、压力过高过 低，保压时间过长过短均不适宜。过高过长，不仅 延长了生产周期，还使树脂交联过大，密度增加，导 致增强体与树脂基体之间产生内应力，制品在顶出 时会发生破裂现象;过低过短，则会导致树脂固化 不完全，制品在脱模后会继续收缩而出现翘曲现 象[13]。可见，合理的热压工艺对复合材料成型及 其物 下:
(1) 首先预热 30>1,加压 0.5MPa，50°C。(3) 随后，升温至80C，30>1，保压2. 0MPa。(4) 紧接着保温保压（80C、2. 0MPa)5h。(5) 室温静置，直至成型稳定。
1. 4. 4
复合材料制备
重复数减去1)
EV指环氧值；（E-51的环氧值为0.51>〇1/
100,)
AV指胺值;（PA650胺值为400)
由公式 5-1 计算，w(PA)= (56100/400x2.5)
x0. 51=28. 611
要。 本 选 的 压
经计算，聚酰胺树脂的理论用量为28.611%。 在实验过程中，会有部分树脂的损失，故确定固化 剂用量为30E。1.4. 2
基体配制工艺确定
(2) 接下来在50P下保温3h，升压到2. 0MP&。
经过对环氧树脂和聚酰胺树脂特点进行研究 和计算，树脂与固化剂的最佳配比为10: 3;因固化 剂的粘稠度较大，复合时基体涂覆不匀且与环氧树 脂混合受阻，需要加人适量的丙酮和邻苯二甲酸二 丁酯;树脂和固化剂在适当的温度下混合较为充
按计算好的基体配比，分别称量环氧树脂和固 化剂，50C下预热20min，混合均匀，依次加人一定
70
成都纺织高等专科学校学报2017年10月
量的分散剂和促进剂，在超声波清洗器中振荡
5min左右;将称量好的聚酰胺树脂和配制好的环
氧树脂倒人不锈钢容器中用玻璃杯搅拌均匀，涂在 事先用签子撑平整的UHMWPE纤维增强体上，用 刮板将织物正反面的树脂涂抹均匀。然后在常温 下进行自然固化，使树脂从粘流态固化到凝胶态。 等复合材料预成坯基本固化后，将其放在平板硫化 机型腔内进行热压，接着脱模取样，打磨处理，得到 待测试样。
1.5测试方法1.5. 1
拉伸性能
式中:&一弯曲强度，MPa;
P —破坏时的最大载荷，N;1 _■跨距，mm; h —试样厚度，mm; b —试样宽度，mm。
1.5. 3
压缩性能测试
参照GB/T 1446-2005《纤维增强塑料性能试 验方法总则》和GB/T 1448-2005《纤维增强塑料压 缩性能试验方法》来加工试样。压缩试验加载速 度为3mm/min，每组测试5个试样，结果取平均值。 1.5.4层间剪切性能测试
参照GB/T 28889-2012测定复合材料层间剪 切强度，计算公式如式（2)[14]所示，加载速度为 2mm/min，每组测试5个试样，结果取平均值。
3N
&-=4O
式中:+ILSS_层间剪切强度（Mpa);
P—破坏时的最大载荷（N); b —试片宽度（m);
参照GB/T1446 - 2005《纤维增强塑料性能试 验方法总则》和GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉 伸性能试验方法》进行测试。
为防止试样与试验机夹头之间相对滑移，在试 样的两端粘结加强片，并在室温下固化24h以上， 加强片选用比试样弹性模量低的铝片，长M宽x厚 为50x25x1mm。测试温度为23°C，相对湿度为
45E，拉伸速度为10mm/min，夹具间距离为10cm，
! 2)
每组测试5个试样，结果取平均值。
1.5.2
弯曲性能测试
-一试片厚度（m).
22.1
结果与讨论拉伸性能
参照GB/T1446 - 2005《纤维增强塑料性能试 验方法总则》和UB/T1449-2005《纤维增强塑料弯 曲性能试验方法》，对所制得的标准试样进行分 类、编号、划线，并测量试样工作段任意三处的宽和 ， 每组测 5
， 结
平 值。
选
对UHMWPE纤维不同增强体改性前后复合 材料的经纬向进行拉伸强度测试，计算结果如表4 所示。
断裂强度/MPa未改性
43. 1730.5039.2728.8939.2740.1938.3028.8733.2826.47
改48.8933.5644.2132.1544.2147.3244.7533.1538.4429.98
5/10,则跨距为30mm，试验加载速度为10mm min。其弯曲强度计算公式如式（1)所示。
断裂强力/<未改性
3237. 482287. 242945. 122166.272945.123014.365744.824330.504991.643970.55
改性3666.092517.173315.782411.313315.783548.646712.014972.575766.314497.09
表4 UHMWPE纤维针织增强体复合材料拉伸性能
因素
增强体满针罗纹组织罗纹半空气层组织罗纹半空气层衬纬双层平针组织针织机织层合结构
经向纬向经向向经向向经向向经向向
纤维体积含量V/%81.6762.3362.3360.6748.83
单位体积纤维含量
&/MPa52.8637.3563.0046.3563.0064.4863.1347.5968.1554.21
59.8641.0970.9351.5870.9375.9173.7654.6478.7261.40
从表4可以看出：不同增强体UHMWPE纤维 复合材料的纤维体积含量及其断裂强度不同，且两
者之间有着一定的关系。双层增强体复合材料的拉伸强力明显大于单层增强体复合材料，增强体的
第4期UHMWPE纤维针织增强体复合材料制备及性能研究
71
拉伸强度均在25MP&以上，其中满针罗纹的最大， 其次是 半空 可 的 高， 其
表中 伸强度， 大于经向 材
荷， 经向纱线，
半空气层衬纬组织、双平针组织和罗组织，最小的是针织机织层合结构。明纤维体积含量越高，对应的 强度主要取决于增强
强度越大。
经向拉伸强度远远高于纬向拉半空
增强体的纬向拉伸强度
圈的结构（如图1
强度。这是因
强度越
所 半空 增强 UHMWPE 纤维复合材
的纬向 强度大于经向拉伸强度。
大。这是因为UHMWPE纤维针织增强体复合材
强度，UHM-WPE纤维针织增强体复合材料中纤维体积含量越
所示）所致的，当UHMWPE纤维针织增强体复合
经向拉伸时，主要是线圈的圈柱1承每一圈
圈
似看成是两根
经向的每英尺纱线根数为12
图1线圈结构图
通过单位体积含量纤维的拉伸强度进行比较， 增强体为针织机织层合结构的UHMWPE纤维复 合材料经向的最大，为78. 72MPa，罗纹半空气层衬 纬组织的UHMWPE纤维复合材料纬向的最大，为
75. 91MPa，综合考虑UHMWPE纤维针织增强体复
根;而当UHMWPE纤维针织增强体复合材：样
向拉伸时，主要是线圈的沉降弧2和针编弧
3
荷， 可 上一个线圈的 和本
横列线圈的针 似看作是一根纬向纱线，则试
合材料的经纬向
半空
2.2
弯曲性能
，所研究的针织增强体中
组织
。
向每英尺纱线根数为7. 5根。因经向 试样纱线根数大于纬向，所以UHMWPE纤维针织 增强体复合材料经向 所
半空
度大于经向
强度总是大于纬向。之组织增强 的 向
强度是由于该组织沿纬向
，每英
强.了
UHMWPE 纤维针织增强 复合材
样的弯曲性能分别 所示。
测试，测 算结 表5
UHMWPE长丝，在 纱的根
数为7. 5根，所
因
增强77777满针罗纹组织罗纹半空气层组织罗纹半空气层衬纬双层平针组织针织机织层合结构
的每英尺纱线总根数为15根，
表5UHMWPE 弯曲强力/<未改改
207.51187.49
137.24174.33169. 85184.16129.45151.73169.85184.16147.24179.71460.55574.11379.08423.81417.90484.68352.18399.46
针织增体复合料曲性能
弯曲强度/MPa未改
46.8734.3142.4632.3642.4636.8128.7823.6926.1222.01
改51.8843.5846.0437.9346.0444.9335.8826.4930.2924.97
纤维积含量V/%81.6762.3362.3360.6748.83
单位积纤维量
&,/MPa57.3942.0168.1251.9268.1259.0647.4439.0553.4945.07
63.5253.3673.8660.8573.8672.0859.1443.6662.0351.14
经向纬向经向向经向向经向向经向向
从表5可以看出：不同增强体的UHMWPE纤 维复合材料的弯曲强度均在20MPa以上，其中满 针罗纹改性经向的最大，为51. 88MPa，最小的是针 织机织层合结构未改
22.01MP&。从中
弯曲强度越大。经铬酸改性后的UHMWPE纤维 针织增强 复合材 的弯曲
高于纬向弯曲强度。究其原因，也是由于 向纱线数多于纬向。
的改的经
善，涨幅可达到24. 67E，同时经向弯曲强度也远远
，未经改性的复合材料的
向弯曲强度，为
的
纤维体积含量越高，
72
成都纺织高等专科学校学报2017年10月
弯曲断口处基体几乎从纤维表面完全剥离，而经改 性之后，UHMWPE纤维复合材料的弯曲性能得到 了较大改善，其复合材料的断口较为整齐，界面性 能良好，可见铬酸改性UHMWPE纤维可以提高其 复合材料的弯曲强度。
通过单位体积含量纤维的弯曲强度进行比较， 增强体为罗纹半空气及其衬纬组织的结构的UH
MWPE 纤维复合材料经向的最大 ，为 73. 86MP&， 罗
压缩强力/<
未改性改性1753.371987.08
1986.331748.91
1641.371782.001629.071779.541641.371782.001640.791780.823765.224078.453699.483977.183768.884107.843708.374010.17
纹半空气层衬纬组织的UHMWPE纤维复合材料 纬向的最大，为72. 08MP&综合考虑UHMWPE纤 维针织增强体复合材料的经纬向弯曲性能，所研究 的针织增强体中罗纹半空气层衬纬组织更为理想。
2.3压缩性能
对UHMWPE纤维针织增强体复合材料各试 样的压缩性能分别进行测试，结果如表6所示。
压缩强度/MPa未改性
58.4558.3054.7154.3054.7154.6962.7561.6662.8161.81
改66.2466.2159.4059.3259.4059.3667.9766.2968.4666.84
纤维体积含量V/%81.6762.3362.3360.6748.83
单位体积纤维含量
&,/MPa71.5771.3887.7587.1287.7587，75103.43101.63128.63126.58
81.1181.0795.3059.1795.3095.34112.03109.26140.21136.88
表6 UHMWPE纤维针织增强体复合材料压缩性能
因素
增强体满针罗纹组织罗纹半空气层组织罗纹半空气层衬纬双层平针结构针织机织层合结构
经向纬向经向向经向向经向向经向向
从表6可以看出：经铬酸改性后的UHMWPE 纤维针织增强体复合材料的压缩强度有了小幅度 地提高，最大涨幅可达到13. 57%，同时，经纬向复 合材料的压缩强度相差不大，均在45MP&以上;就 单位体积含量复合材料的压缩强度可知，改性之后
UHMWPE纤维针织物增强体复合材料的压缩强度
合材料的弯曲性能相比，其压缩强度显示出很高的 各向同性，研究者认为，压缩载荷的破坏模式十分 依赖于树脂基体的性能，尽管针织结构的方向对压 缩性能有一定影响，但是主要控制因素还是基体的
。
2.4层间剪切性能
较改性之前均有小幅度增加，经纬向压缩强度没有 明显差异，压缩性能表现更为优异的是针织机织层 合结构，经纬向位体积含量复合材料的压缩强度均 在120MP&以上。与UHMWPE纤维针织增强体复
因素
增强体针
组织
组织
经向向
经向向经向向经向向经向向
对UHMWPE纤维针织增强体复合材料各种 试样层间剪切性能分别进行测试，计算结果如表7 所示。
纤维体积
含量V/%81.6762.3362.3360.6748.83
单位体积纤维含量
&/MPa70.4169.7185.4380.8885.4381.2157.0156.7766.1765.56
94.5197.87117.66115.54117.66117.9777.9077.2087.6387.14
表7 UHMWPE纤维针织增强体复合材料层间剪切性能剪切强力/<___________剪切强度/MP& 未改改性未改性改1150.071543.8157.5077.191138.661598.6356.9379.931065.051466.8253.2573.341008.241440.2950.4172.011065.051466.8253.2573.341012.371470.6650.6273.531383.641890.3334.5947.261377.481873.4234.4446.841292.441711.6232.3142.791280.511701.8532.0142.55
半空 半空双层平针结构
针织 织 合结构
从表7可以看出：各增强体UHMWPE纤维复 合材料层间剪切强度均在30MP&以上，增强体为
满针罗纹的经纬向复合材料的层间剪切强度最大，可达到77. 19MP&和79. 93MP&明显看出改性后
第4期UHMWPE纤维针织增强体复合材料制备及性能研究
73
复合材料的层间剪切性能得到了极大的改善，最大 提高率可达到45.3%。经改性后，增强体表面不 仅出现大量的细槽和孔洞等，增大了增强体与树脂 基体的接触面积，同时增强体引人了极性基团，有 了更多的和环氧树脂相似的结构和非极性，在范德 华力的作用下很好地与环氧树脂基体相结合。通 过单位体积纤维含量的的分析，增强体改性后的 强度均在85MP&以上，表明改性后UHMWPE纤维 Science and Technology，2011，71(4)$ 511-519.报，2011，25(18)$ 277-280.[D].北京：中国林业科学研究院，2014.
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针织增强体复合材料具有优良的界面性能。
3
结论
(1) 通过研究确定了最佳的基体工艺为:环氧
树脂：固化剂=10 $ 3，稀释剂丙酮10%，扩散剂领苯 二甲酸二丁酯20%，混合温度50°C，搅拌时 间 20min。
(2) UHMWPE纤维针织增强体与基体复合工 艺流程为:铺平织物—涂抹树脂—冷却至半固化$ 涂脱模剂于平板硫化机中$合上模具$预热
50C MPa$：温加压 2. 0MP&$：压升温 80C $
保温保压5h $冷却成型24h$脱模取样$打磨整 理$裁剪打磨。
(3)
优
表 改
的
UHMWPE纤维各种针织增强体与环氧树脂进行复
合，制备出了 UHMWPE纤维针织物增强体复合材 料，并对其拉伸、弯曲、压缩和层间剪切性能进行了 测试表征，对比分析改性前后的针织增强体复合材 料的力学性质，增强体选用罗纹半空气层衬纬组织
。
参
考
文
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