硅橡胶填充复合经编间隔织物的抗压缩疲劳性能

张晓会，许慧玲，马丕波，蒋高明

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心，江苏 无锡 214122)

研究与技术

硅橡胶填充复合经编间隔织物的抗压缩疲劳性能

张晓会，许慧玲，马丕波，蒋高明

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心，江苏 无锡 214122)

以表面层采用网眼结构的经编间隔织物为增强体，将两种组分的硅橡胶混合后填充到经编间隔织物的间隔层中，经固化后制成硅橡胶填充率不同的复合材料。利用万能材料试验机在不同压缩条件下分别连续反复压缩试样3 000次，并根据实验数据得到载荷和位移曲线图，对比分析不同填充率的复合材料在不同压缩条件下的抗压缩疲劳性能。实验结果表明，硅橡胶的填充率和压缩实验的压缩率对经编间隔织物的抗压疲劳性能有一定的影响。经编间隔织物本身具有较好的抗压缩疲劳性能，但载荷能力较差。经硅橡胶复合后，材料的载荷能力明显提高，变形量减少，缓弹性性能有所改善。

经编间隔织物；硅橡胶；填充率；压缩率；缓弹性；抗压缩疲劳性能

经编间隔织物是在双针床拉舍尔经编机上生产的一种三维立体织物,它的一个特殊之处是具有结构多变的间隔层组织。与泡沫材料中的微小孔隙不同，经编间隔织物的间隔空间是由众多单丝或纱线在沿垂直织物的方向上按一定规律支撑起来的大空间，间隔层的厚度最大可达60 cm。正是由于这种特殊结构，经编间隔织物拥有如抗压弹性、透气性、吸湿导湿性、吸音隔音性等多种优良性能，在制鞋、衬垫、汽车内饰、医疗保健、过滤材料等都有应用[1-3]。目前，陆振乾等[4]对硅橡胶填充经编间隔织物的抗冲击性能进行研究，结果表明经编间隔织物复合了硅橡胶后，复合材料的刚度、载荷能力都有明显增加，同时冲击的峰值载荷降低，改善了间隔织物的缓弹性能；陈思等[5]对不同结构组织的经编间隔织物复合聚氨酯具有的压缩性能研究，结果表明不同间隔丝粗细和间隔厚度的复合织物在不同应力条件下对能量的吸收也有不同。

经编间隔织物作增强体在产业用等领域有极大的发展潜力，但关于此类复合材料性能的研究相对较少。本文针对经编间隔织物的抗压缩疲劳性能，参考了硅橡胶的性能及研究进展[6]，选用硅橡胶填充到间隔织物中制作成柔性复合材料[7]，使用万能材料试验机对材料进行不同条件下反复3 000次压缩实验。通过比较复合材料载荷和位移曲线图，分析硅橡胶对经编间隔织物的抗压缩疲劳性能及其他力学性能的影响，从而为经编间隔织物作增强体在不同领域的设计和应用提供参考。

1 试样的制备和结构

实验用经编间隔织物的表层纱线为180 tex/96f半光涤纶DTY，间隔丝为36 tex涤纶单丝。压缩仪器选用万能材料试验机(扬州市源峰试验机械厂)，编号为YF-900。

1.1 经编间隔织物

实验中涉及到的经编间隔织物表面层为菱形结构，间隔丝呈交叉排列。织物的规格参数如表1所示，织物的实物示意如图1所示。

表1 织物规格参数Tab.1 Specification parameters of fabrics

图1 织物的实物示意Fig.1 Real photos of fabrics

1.1.1 垫纱组织

GB1:0-0-0-0/2-2-2-2/1-1-1-1/3-3-3-3/1-1-1-1/2-2-2-2//

GB2:1-0-0-0/0-1-1-1//

GB4:1-0-1-2/2-3-2- 1//

GB5:1-1-1-0/0-0-0-1//

GB6:0-0-0-0/2-2-2-2/1-1-1-1/3-3-3-3/1-1-1-1/2-2- 2- 2//

1.1.2 穿 经

GB1:1A,1*

GB2:2A

GB4:2B

GB5:2A

GB6:1*,1A

1.2 A、B双组分硅橡胶

硅橡胶是一种性能优异的高分子材料，其分子主链中的硅氧键(Si—O)键能很高，所以材料具有很好的耐高、低温性和化学稳定性，侧链为有机基团又使其具有一般高分子化合物的韧性、高弹性和可塑性。硅橡胶一般用作涂层材料，在航空、航天等高科技领域及交通、石油、化工、医疗等方面有着广泛的应用。

本实验所用的A、B双组分硅橡胶具有优良的电性能和化学稳定性，耐水、耐臭氧、耐气候老化，无腐蚀性，具有生理惰性，无毒无味、线收缩率低等特点。实验时，将A、B两组分按质量1︰1混合均匀，常温下20 min即可完成固化。

1.3 复合材料的制备

将经编间隔织物裁剪成一定规格(10 cm×10 cm)放入特制模具中，再将A、B组分硅橡胶按质量1︰1混合均匀，在真空条件下除去气泡后缓慢倒入置有间隔织物的模具中。待硅橡胶完全填充到间隔织物中后用压辊压去多余的液体和气泡，再用刮刀将织物表面的硅橡胶溶液涂抹均匀。固化20 min，成型脱模。实验制备填充率为0、20%、30%、40%的复合经编间隔织物各三块。填充后的复合材料如图2所示。

不同填充率的复合经编织物所填充的双组分硅橡胶质量的计算公式：

M=A×V×ρ

(1)

式中：M为需填充的双组分硅橡胶的质量，g；A为填充率，%；V为经编间隔织物的体积，常数200 cm3；ρ为双组分硅橡胶的密度，常数1.09 g/cm3。

图2 填充后的复合材料Fig.2 Filled composite materials

2 实验原理

实验所用的仪器为5T万能材料试验机YF，压脚为直径14.8 cm的圆盘，压脚的升降速度设定为100 mm/min，根据FZ/T 01051.1—1998《纺织材料和纺织制品压缩性能 第1部分：耐久压缩特性的测定》中的B——恒定变形法测试复合材料的压缩性能。实验开始前先设定好压缩量，当压脚下行时首先读出轻压厚度，即试样在压强作用下，其厚度方向上不发生明显变形时测得的厚度。然后以此为依据，结合最大压缩率即设定的材料压缩变形量与材料原本厚度的比值百分率得到最大位移，当压脚达到最大位移(设定的压缩变形量)后，记录此刻压缩强度，然后达到松弛时再记录松弛压缩强度[8]。

与泡沫材料不同，经编间隔织物是一种各向异性材料。当受到垂直于厚度方向力的作用时，由间隔丝(纱)承受。在压缩的过程中，应力与应变曲线基本可以分为3个阶段：线性压缩阶段、屈服阶段、崩溃阶段[9]。其中间隔织物在第二阶段由于复杂的受力可以吸收大量的能量，但由于经编间隔织物的阻尼效果和对能量吸收的能力有限，需要通过填充其他材料来增强间隔织物对能量的吸收。

填充选用的硅橡胶是一种超弹性材料，具有不可压缩性和高延性[10]，且在高应变率下，硅橡胶不存在线性应变硬化阶段，具有较强的应变率效应[11]。由于硅橡胶的不可压缩性，使它在参与经编间隔织物变形过程中起到阻止或延缓材料塑性坍塌的作用。另外，在常温下即使受到长时间的压缩载荷作用，硅橡胶也能保持稳定的压缩永久变形性能，即当载荷除去后，材料能够回复到原来形态的能力保持稳定[12]。

在定位移压缩3 000次后，材料的力学性能发生了一定的变化。实验观察了各个材料的载荷-位移曲线图，又分别取材料整个压缩过程前、中、后三个阶段各200组在最大位移下的最大载荷值进行对比，分析材料在反复压缩后的疲劳性能[13-14]。

3 复合材料的力学性能分析

复合材料的载荷能力与填充率的大小、压缩率的大小有关。不同填充率和不同压缩率下压缩3 000次的最大载荷均值如图3所示。由图3可以看出，当压缩率一定时，复合材料的填充率越大，则材料的平均载荷能力越大。说明硅橡胶填充间隔织物，对经编间隔织物载荷能力有明显的增强作用。随填充率的增大，两种压缩率下的平均载荷差值也明显增大。说明一定范围内，间隔织物中硅橡胶填充的越多，材料对能量的吸收能力越大。

图3 不同填充率和不同压缩率下压缩3 000次的最大载荷均值Fig.3 The mean value of maximum loads with different filling ratio and different compression rates after 3 000 times of compression

3.1 不同填充率对材料的力学性能影响

材料在压缩率为25%的压缩过程中，各位移对应的最大和最小载荷基本都呈线性增长。此时材料还未被压紧实，处于线性压缩的阶段，即织物的刚度有所减小，相对容易被压缩。压缩率为25%时压缩3 000次载荷-位移对比如图4所示，由对比可以看出，填充率越大，最大载荷和位移的线性曲线斜率越大。说明在一定压缩变形条件下，硅橡胶的填充率越高，材料的载荷能力越大。其次各位移对应的最大和最小载荷之间的差值随位移值的增大而反映出一种先增大后减小的变化趋势，体现的是材料的缓弹性性能变化。对比填充率为0的纯织物，在最大压缩率为25%的条件下，材料的填充率越大，材料的缓弹性越好。

当压缩率为50%的时候，材料被压紧实，材料的压缩刚度出现明显增长，且此时材料仍可以认为处于线性压缩阶段。压缩率为50%时压缩3 000次载荷-位移对比如图5所示，由对比可以看出，填充率越大，最大载荷的增长幅度越明显。说明在一定压缩变形条件下，硅橡胶的填充率越高，材料的压缩刚度越大。同时观察各位移对应的最大和最小载荷之间的差值，发现随位移值的增大表现出先大幅度增大再变小的趋势，即材料的载荷波动性更加明显，这同样反映了材料的缓弹性能。与填充率为0的纯织物相比，填充硅橡胶的复合织物缓弹性能有了明显的改善。但随着填充率的增加，材料的缓弹性性能又有所减弱。这是由于间隔织物本身具有很好的弹性，当处于大压缩率条件下，材料的载荷波动就越明显，而硅橡胶对间隔织物缓弹性有改善作用。填充率较小或者压缩率较小的复合材料，受力主要由间隔层承受，硅橡胶起改善织物缓弹性的作用。但在大压缩率条件下经过多次压缩之后，材料被压紧实，此时受力主要转移到硅橡胶上，填充率越高，则复合材料中分担在硅橡胶上的力越多，硅橡胶本身具有不可压缩性，材料的缓弹性就相对减弱。

压缩率为25%和50%时压缩3 000次后抽取600组(压缩阶段前、中、后各200组)数据的最大载荷变化曲线分别如图6和图7所示。由图6、图7可见，在25%和50%压缩率状态下，材料的载荷变化波动性都随填充率的增加而增强，材料的载荷能力基本保持稳定。但在50%压缩率的状态下，复合材料填充率越高，载荷能力下降趋势越明显。这是由于在大压缩率状态下，填充率越高，材料的载荷能力越大，即材料受到力的作用越强，在反复压缩多次后材料的抗疲劳性能下降幅度越明显，但到一定程度后仍会保持稳定，因此复合材料同样可以实现良好的耐疲劳稳定性。

图4 压缩率为25%时压缩3 000次载荷-位移对比Fig.4 Load-displacement comparison diagram after 3 000 times of compression under the compression ratio of 25%

图5 压缩率为50%时压缩3 000次载荷-位移对比Fig.5 Load-displacement comparison diagram after 3 000 times of compression under the compression ratio of 50%

图6 压缩率为25%时压缩3 000次后抽取600组数据的最大载荷变化曲线Fig.6 The maximum load change curve of 600 groups of data after 3 000 times of compression under the compression ratio of 25%

图7 压缩率为50%时压缩3 000次后抽取600组数据的最大载荷变化曲线Fig.7 The maximum load change curve of 600 groups of data after 3 000 times of compression under the compression ratio of 50%

3.2 不同压缩率对材料的力学性能影响

相同填充率的复合材料在不同压缩率条件下压缩3 000次后纵向截面对比如图8所示，各材料压缩3 000次后厚度平均值和厚度损失量如表2所示，各材料压缩3 000次后厚度平均值和厚度损失量对比如图9所示。从图8可以直观地看到，在反复多次压缩后，材料基本未发生形变，在小形变量的条件下，一定硅橡胶填充率的复合材料在增强载荷能力的前提下都能保持较好的耐疲劳性能，厚度损失量小；而在加大形变量之后，厚度损失量随填充率的增大而明显减少，即复合材料的抗压缩疲劳性能良好，并随填充率的增大而增强。

图8 相同填充率的复合材料在不同压缩率条件下压缩3 000次后纵向截面对比Fig.8 Longitudinal cross-section figure of composites under the same filling rate and different compression ratio, after 3 000 times of compression

表2 各材料压缩3 000次后厚度平均值和厚度损失量Tab.2 The average thickness and thickness loss of fabrics after compression of 3 000 times

图9 各材料在不同压缩率条件下压缩3 000次后厚度损失量对比Fig.9 Thickness loss contrast of fabrics under different compression ratio after compression of 3 000 times

4 结 论

1)实验所选用的经编间隔织物本身就具有较好的抗压缩疲劳性能，但是织物的载荷能力较差，对能量的吸收有限。在填充复合了硅橡胶后，复合材料在间隔织物本身良好的性能基础上增强了整体的载荷水平。

2)经编间隔织物本身缓弹性较差，在形变较大的情况下载荷波动剧烈，复合了硅橡胶后，复合材料的缓弹性能发生明显改善。

3)硅橡胶填充率的高低和实验压缩形变量的大小都会影响复合材料的抗压缩疲劳性能。在反复压缩的过程中，材料的抗疲劳性能下降，载荷能力减弱。填充率越高，压缩变形量增大，最初会出现相对的疲劳下降趋势，但在到达一定阶段后，终于达到稳定状态，即复合材料的抗压缩疲劳性能良好。

4)硅橡胶填充经编间隔织物，改善了材料的力学性能，这使得它在承载抗压领域的应用大幅扩展。如代替聚氨酯作透气环保的座椅衬垫，又或是作为抗压透气的运动鞋垫等都有较好的市场前景。

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Compression fatigue resistance property of warp knitted spacer fabrics filled by silicone rubber

ZHANG Xiaohui, XU Huilin, MA Pibo, JIANG Gaoming

(Engineering Research Center for Knitting Technology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The warp knitted spacer fabric with mesh structure on the surface layer was used as the reinforcement, and the silicone rubber containing two components was filled into the space layer of the fabric to make compositions with different filling rates of silicone rubber. The universal material testing instrument was used to compress the samples 3 000 times under different conditions separately. And the load and displacement curve charts were gained according to the experimental data. The compression fatigue resistance property of the composites with different filling rates were compared and analyzed under different compression conditions. Experimental results show that the filling rates of the silicone rubber and the compression rates have certain effect on compression fatigue resistance property of the fabric. The warp knitted spacer fabric has good compression and anti-fatigue performance, but its load capacity is poor. When silicone rubber is added, the load bearing ability of the material is obviously improved with less deformation, and the delayed elasticity of the material is also improved.

warp knitted spacer fabrics; silicone rubber; filling rate; compression rate; delayed elasticity; compression fatigue resistance property

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.04.004

2016-06-20;

2017-03-11

中国博士后科学基金面上项目(2016M591767)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(JUSRP51625B)；中国纺织工业联合会应用基础研究项目(J201604)

张晓会(1994-)，女，硕士研究生，研究方向为产业用针织结构设计与性能。通信作者：马丕波，副教授，mapibo@jiangnan.edu.cn。

TS101.923.1；TS186.1

A

1001-7003(2017)04-0016-07 引用页码:041104