平面三向织物及其增强橡胶复合材料的顶破性能研究

周红涛，方镁淇，钱 坤，倪诗卉

( 1．江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡，214122；2．盐城工业职业技术学院纺织服装学院，江苏 盐城 224000)

0 前言

平面三向织物(TWF)是由三组纱线在同一平面内彼此以一定角度交织而成(通常以60 °交织)[1-2]，其交织结构如图1(a)所示，该结构具有结构稳定性好，抗撕裂强度高和力学性能准各向同性的特点，克服了平纹织物(PWF)在沿非纱线方向承受载荷能力差的不足，作为柔性复合材料增强体在对各向同性要求较高的应用领域具有一定的优势，如橡胶隔膜等。目前，对平面三向织物的研究主要集中于作为树脂基复合材料增强体方面[3-5]，对其在柔性复合材料的研究报道较少。顶破性能较好地反映材料多方向受力情况，Elmessiry等研究了单层和多层平面三向织物在软防弹衣中的抗刺性能[6]，结果表明，与其他织物相比，TWF能吸收了更多的冲击能。孙宝忠、王萍等采用限元模拟了柔性复合材料的顶破性能[7-8]，模拟结果与实验结果十分接近。Hassim等[9]研究了高强度非织造天然橡胶乳胶(NRL)涂层织物和未涂层织物的抗穿刺性，结果表明涂层织物与未涂层织物相比具有更高的抗穿刺性。徐英、侯利民等分别从冲头形状、基布的结构参数对织物增强柔性复合材料的顶破性能的破坏形态及破坏机理进行研究[10-11]。Chen等[12]研究了冲头形状对苎麻织物顶破性能的影响。Yahya等[13]提出了有限元分析方法和实验方法来研究冲头形状和纱线摩擦接触对平纹织物穿刺损伤的影响。

(a)平面三向织物 (b)平纹机织物图1 平面三向织物和平纹机织物Fig.1 Triaxial woven fabric and plain weave fabric

本文以TWF为增强体，制备了TWF增强橡胶基复合材料(TWFR)，主要研究了TWFR的顶破性能，及冲头形状和顶破速度对顶破性能的影响，同时与平纹织物增强橡胶复合材料(PWFR)的顶破性能进行对比。研究成果为TWF在橡胶复合材料及其他柔性复合材料的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

织物：2种织物采用相同规格的聚酰胺(锦纶)66长丝，线密度为186.67 tex，捻度70捻/米，初始模量5.98 GPa，江苏太极实业新材料有限公司；TWF中3组纱线的密度相同，均为33根/10 cm，织物克重194.04 g/m2；PWF中经纬纱线的密度均为51根/10 cm，织物克重199.9 g/m2；

橡胶，丁腈橡胶混炼胶，新乡市鼎诚橡胶有限公司；

黏合剂，Chemlok402黏合剂，美国洛德公司。

1.2 主要设备及仪器

热压机，4128Carver，美国MYCRO公司；

强力机，Instron 3385H，美国英斯特朗公司；

电子显微镜，B008，深圳超眼科技有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)，SU1510，日本日立公司。

1.3 样品制备

采用热压法制备织物增强橡胶复合材料，如图2所示。工艺参数：温度145 ℃；压力：第一次10 MPa，时间5 min；第二次16 MPa；时间15 min。成品规格3 431 g/m2。纤维质量分数为5.8 %。

图2 织物增强橡胶复合材料制备工艺Fig.2 Hot-pressing process of fabrics reinforced rubber composites

1.4 性能测试与结构表征

根据GB/T 20027.1—2016[14]，在Instron-3385H型万能试验机上进行顶破试验。顶破装置由环形夹持器和钢制冲头组成，如图3所示，环形夹持器表面有同心凹槽，防止打滑。本研究设计了圆锥形冲头、半球形冲头和圆柱形冲头(以C、H、P分别表示圆锥形冲头、半球形冲头和圆柱形冲头)3种形状，冲头速度采用300 mm/min以分析冲头形状对顶破性能的影响；冲头分别采用100、300、500 mm/min分析了冲头速度对TWF及TWFR顶破性能的影响。在试验过程中，试样被夹在固定底座的环形试样夹中，冲头以恒定的移动速度垂直地推向试样，使试样变形直至断裂。电子显微镜和SEM分别用于观察织物和织物增强橡胶复合材料中纱线的破坏形态。

(a)顶破实验装置 (b)夹持器及冲头形状图3 顶破实验装置图Fig.3 Bursting device

2 结果与结论

2.1 冲头形状对织物的顶破性能的影响

由图4中织物在3种冲头作用下的载荷-位移曲线知，圆锥形冲头产生的破坏载荷和曲线斜率最小，初始损伤位移最大；圆柱形冲头产生的破坏载荷及曲线斜率最大，而初始损伤位移最小。半球形和圆柱形冲头产生的载荷迅速上升直至达到其最大载荷，然后急剧下降。锥形冲击器产生的载荷平缓上升，在达到最大载荷前产生多个波动。这主要是冲头形状不同造成的。圆柱形冲头的底部是平的，在顶破的过程中底部与试样瞬间完成接触，且与冲头接触的纱线的数量达到最大，因此，载荷上升速度最快；破坏前试样的形状为圆台状，如图5(a)所示；当载荷达到最大值时，纱线几乎同时断裂，载荷迅速下降。半球形冲头在顶破的过程中从冲头底部向上逐渐接触试样，与冲头接触的纱线的数量逐渐增加，但是与冲头接触的纱线数量小于圆柱形冲头；破坏前试样的形状由圆台状和球冠状两部分组成，如图5(b)所示；当载荷达到最大值时，半球形冲击器底部的纱线首先断裂，然后断裂附近的纱线断裂，载荷迅速下降。圆锥形冲头在顶破的过程中迅速穿透试样，如图5(c)所示，并会向外挤压试样的纱线；当载荷达到纱线的断裂载荷时，纱线断裂，载荷下降，随后冲头又与断口附近的纱线接触，载荷再次上升，直到冲头完全穿透试样，因此，圆锥形冲头产生的载荷-位移曲线上出现锯齿形波动。

■—PWF-H ●—TWF-H ▲—PWF-P ▼—TWF-P ◆—PWF-C ◀—TWF-C图4 织物试样在3种冲头作用下的载荷-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves of fabrics under three shapes of impactors

对比3种冲头作用下TWF和PWF的载荷-位移曲线和顶破形态，如图4和表1所示，TWF产生的载荷-位移曲线的斜率和最大载荷较高，而初始损伤位移较小，顶破的过程中PWF中的纱线产生了较大程度的滑移，而TWF中纱线滑移程度很小。这主要归结于TWF结构的自锁特性。如图6所示，TWF结构的自锁特征使得3组纱线形成多个受力三角形“ABC”[15]，在Fa和Fb的作用下，纱线不仅使纱线“a”和“b”聚拢成束，而且把纱线“c”捆缚成束，阻止了纱线滑移，在受到冲头的作用时，TWF中纱线滑移的程度小于PWF中纱线。因此，TWF在顶破作用时结构更加稳定，破坏后破口不易扩展。

表1 3种冲头作用下织物损伤形貌

Tab.1 Damage morphology of fabrics under three shapes of impactors

图6 平面三向织物自锁结构图Fig.6 Schematic diagram of thread interlacing in the TWF

2.2 冲头形状对织物增强橡胶复合材料顶破性能的影响

■—PWFR H ●—TWFR H ▲—PWFR P ▼—TWFR P ◆—PWFR C ◀—TWFR C图7 3种冲头作用下织物增强橡胶复合材料的载荷-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves of fabric-reinforced rubber composites under three shapes of impactors

(a)织物中的纱线 (b)织物增强橡胶复合材料中的纱线图8 断裂纱线的图片 Fig.8 Images of the fractured yarn

由图7中试样在3种冲头作用下的载荷-位移曲线知，载荷-位移曲线变化规律与织物的变化规律一致。对比图4和图7发现，织物增强橡胶复合材料具有较大的破坏载荷，较高的载荷-位移曲线斜率，而初始损伤位移相近，这主要是由于橡胶基体起到重要的作用，即橡胶基体不仅承担了部分载荷，还使纱线中各单丝及织物中的纱线固结在一起，使得长丝纱在受力破坏时各单丝能够同时断裂[如图8(b)所示]和阻止了纱线的滑移，同时橡胶基体迅速传递载荷到不与冲头直接接触的纱线使其承受的载荷更大；织物增强橡胶复合材料中织物起主要承载作用且橡胶基体伸长率远大于织物，织物增强复合材料的初始损伤位移与织物相近。橡胶基体的超弹性使得织物增强复合材料被冲头完全穿透后仍能紧紧夹持冲头，载荷维持在一个值附近。

对比TWFR和PWFR的载荷-位移曲线，TWFR在半球形和圆柱形冲头的作用下载荷-位移曲线斜率较高，而最大载荷和初始损伤位移较小；在圆锥形冲头作用下，TWFR的载荷位移曲线斜率和最大载荷较高，而初始损伤位移和曲线上的锯齿形波动数量相近。图9显示，对于织物增强橡胶复合材料，半球形和圆柱形冲头作用下TWFR的破坏形态近似为圆形，而PWFR的破坏形态在为相互垂直的裂缝；在圆锥形冲头作用下，TWFR的破裂形态呈弧形，而PWFR的破裂形态类似于直线，且与纱线具有一定角度。

(a)TWFR-P (b)PWFR-P (c)TWFR-H (d)PWFR-H (e)TWFR-C (f)PWFR-C图9 3种冲头作用下织物增强橡胶复合材料破坏形貌Fig.9 Damage morphology of fabric-reinforced rubber composites under three shapes of impactors

2.3 顶破速度对试样顶破性能的影响

随着顶破速度的增加，织物在不同冲头作用下的载荷-位移曲线的变化没有明显的规律，如图10(a)；而织物增强橡胶复合材料的载荷-位移曲线的的破坏载荷及斜率逐渐升高，初始损伤位移减小，如图10(b)。这主要由于本文中采用的织物纱线密度稀疏，长丝纱中的单丝及各长丝纱间是松散的，在顶破速度为低速时可以忽略冲击力传播和应变率效应；而织物增强橡胶复合材料是一个整体，顶破速度的增加使纱线与橡胶间界面的剪切强度增加[16]，从而提高了载荷的传递速度。载荷在基体与纤维脱黏前已传到纤维并造成纤维断裂，阻碍了纤维从基体的拔出，提高了破坏载荷。此外，随着顶破速度的增加，织物增强橡胶复合材料内部的缺陷不易迅速扩展，降低了内部缺陷对破坏载荷的影响，间接地提高了其破坏载荷。

■—P1 ●—P3 ▲—P5 —H1 —H3 —H5 —C1 —C3 —C5(a)TWF (b)TWFR注：“1”、“3”、“5”分别代表顶破速度为100、 300、 500 mm/min图10 试样在不同顶破速度下的载荷-位移曲线Fig.10 Load-displacement curves of specimens at different bursting speeds

3 结论

(1)通过实验方法研究了冲头形状和顶破速度对TWF和TWFR顶破性能的影响，并与PWF和PWFR的顶破性能进行对比分析，织物增强橡胶复合材料具有比织物更高的最大破裂载荷和更小的初始损伤位移；

(2)钝的冲头产生的载荷-位移斜率和破坏载荷较高，而初始损伤位移较小；与PWF相比，TWF产生的载荷-位移斜率和最大破坏较高，而初始损伤位移较小；顶破速度对织物的顶破性能影响不大，而对织物增强复合材料的载荷-位移曲线的斜率及初始损伤位移产生一定的影响。