大隔距覆增强结构柔性空间膜材料的制备及力学性能

王昆，蒋金华，陈南梁

(1.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心,上海 201620； 2.东华大学纺织学院,上海 201620； 3.上海电缆研究所有限公司中央研究院,上海 200082)

经编间隔织物是使用双针床拉舍尔经编机制备的三维结构纺织物，其间隔丝连接各表面层织物形成中空结构[1-4]。此三维纺织结构赋予了间隔织物良好的保温性、透气透湿性、减震性及结构稳定性等，因此被广泛应用于垫类产品及复合材料增强体[3-7]。当间隔距离超过100 mm时，对应的经编间隔织物被称为超大隔距经编间隔织物[2-3，8](UGWKF)。UGWKF在织造封孔后可充气膨胀，间隔层倒伏的间隔丝受张力而直立，间隔丝主要发挥上下表面层的连接作用[2]。然而UGWKF间隔丝长度大、刚性小且排列密度小，织物不能单纯依靠间隔丝的支撑作用来达到抗压性能，所以必须对其表面涂层包覆处理或中空填充之后方可更好地发挥其性能[2,8-9]。其主要可用于冲浪板、气垫船、消防救护床、充气拉丝气垫、可展开反射面天线等各领域不同产品[6-11]。

喻颖等[12]研究了UGWKF两表面涂聚氯乙烯(PVC)层所得柔性复合材料的压缩性，发现伴随充气压强增加，其抗压能力和缓冲作用增强。程小梅等[13]研究了三维间隔织物两表面层涂环氧树脂所得柔性复合材料的力学性能，发现涂覆环氧树脂后的柔性复合材料的抗拉性能和整体抗压性能有所增强，且双面涂层后比单面涂层后的力学性能提高更明显。苗亚敏等[14]研究了表面涂覆水性聚氨酯涂层三维间隔织物的静态冲击性能，发现在不破坏材料透气性能的情况下，树脂涂层的加入使得材料承载能力得到大幅提高，弹性模量有所提高，缓冲系数降低，缓冲效率提高。

笔者基于探究大隔距覆增强结构柔性空间膜材料(UGFM)的力学性能，将包含有机织物增强结构的PVC高分子层和无机织物增强结构的PVC高分子层分别复合在UGWKF表面，通过比较两种材料的撕裂性能、剥离性能、间隔向拉伸性能，分析引入具有增强结构的PVC高分子层对UGFM力学性能影响与机理，以及隔距的增加对UGFM间隔向拉伸性能的影响与机理，从而为UGWKF复合具有增强结构的高分子层后得到的柔性空间膜材料的设计、制备与应用提供基础依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

UGWKF：由细度为1 000 D涤纶以经斜编链结构织造，海宁晨锋布业有限公司，基本参数见表1，经斜编链组织结构见图1。

表1 UGWKF基本参数

图1 经斜编链组织

复合树脂：PVC糊树脂(EPVC) 100份，增塑剂45份，胶水10份，稳定剂2份，均为质量份，浙江明士达新材料有限公司。

涤纶机织物：面密度150 g/cm2，海宁晨峰布业有限公司。

PVC粉料：PVC-SG3，浙江明士达新材料有限公司。

1.2 主要仪器及设备

UGFM生产设备线及高分子层(无增强结构)压延设备线：浙江明士达新材料有限公司；

万能试验机：WDW-500型，上海华龙测试仪器股份有限公司；

电子天平：FA2004型，上海良平仪器仪表有限公司。

1.3 试样制备

(1)无增强结构的PVC高分子层的制备。

委托浙江明士达新材料有限公司使用自建压延设备线制备PVC高分子层(无增强结构)，先将PVC粉料密炼熔融，后压延制备出厚度0.6 mm，单层面密度784.1 g/m2的PVC高分子层(无增强结构)。

(2)具有增强结构的PVC高分子层的制备。

委托浙江明士达新材料有限公司使用自有UGFM生产设备线，采用轧辊上浆技术通过复合树脂自下而上对增强结构机织物上浆，上浆量为70～100 g/m2。将中间为增强机织物和两面为PVC高分子层(无增强结构)叠层复合后，引入温度为180～200 ℃的加热辊中压合，经高温固化后制备得到厚度0.5～0.7 mm，面密度943.2 g/m2的PVC高分子层(有增强结构)。轧辊上浆技术见图2a，制备工艺路线见图2b。

图2 制备具有增强结构的PVC高分子层

(3) UGFM制备。

UGFM制备工艺路线与PVC高分子层(有增强结构)制备工艺路线基本一致，先将UGWKF表层错位张紧间隔丝后，引入浙江明士达新材料有限公司自建UGFM生产设备线内，如图2b所示，将原增强机织物替换为UGWKF放置中间，将两面PVC高分子层(无增强结构)替换为PVC高分子层(有增强结构)，将复合树脂作黏合剂(浆料)，用改进轧辊上浆技术自下而上地上浆，以90～100 g/m2的上浆量涂覆在间隔织物表面，如图3所示。经过加热辊加热温度200～220 ℃处理，以3.5～4 m/min的牵伸速度将复合好的中间为UGWKF且两表面为PVC高分子层(有增强结构)的组合体引入高温烘箱中固化并冷却后，即可制得UGFM，UGFM内部结构如图4所示，基本参数见表2。

图3 UGWKF的改进轧辊上浆技术

图4 UGFM结构

表2 UGFM基本参数

1.4 性能测试与表征

撕裂强力按照GB/T 3917.3-2009测试，试样为等腰梯形，尺寸为(75±1) mm×(150±2) mm，沿经纬向各制备5块试样，初始夹持距离为25 mm，撕裂速度为100 mm/min，预开口为15 mm。

剥离强度按照ASTM D751-2006测试，沿经纬向将试样裁剪成200 mm×25 mm矩形各5块。试样预剥开口25 mm，初始夹持隔距50 mm，剥离速度100 mm/min，剥离距离不少于76 mm，沿PVC高分子层与UGWKF表面层结合的方向剥离。

间隔向拉伸性能测试：裁取40 mm×40 mm面积且间隔丝完整的不同织物间隔距离试样，将其两表面分别用高粘力胶水与T型模具平面完全密封黏合并静置凝固后，使用万能试验机夹持T型模具测试间隔丝方向的拉伸断裂强力，拉伸预张力3 N，拉伸速度100 m/min。T型模具如图5所示。测试面积小于T型模具面积的目的是使膜材表面与模具完全黏合，减少膜材翘曲起包引起测量误差。

a—T型模具； b—间隔向拉伸

2 结果分析

2.1 剥离性能

UGFM A与B的剥离曲线如图6所示。由图6分析发现，B与A的经纬向剥离曲线趋势基本一致，但A的剥离曲线5个峰值均高于B曲线，特别在经向剥离曲线对比中，B曲线波动振幅显著弱于A曲线。在纬向剥离曲线对比中，B曲线较A曲线波动振幅分布更均匀。剥离强度等于剥离曲线中首个波峰后中段处5个最大波峰的均值。经计算，B较A在经向剥离性能上降低了约47.7%，纬向剥离性能上降低了约51.0%，如图7所示。

图6 UGFM A与B的剥离曲线

图7 UGFM A与B的剥离强度对比

经纬向剥离的差异化曲线波动主要是由各剥离位置黏合强度的差异造成的，因为复合树脂与上浆工艺基本一致，所以各剥离位置处的剥离强度差异主要来源于织物组织结构的不均匀[15]。观察B剥离界面发现，沿经向剥离的PVC高分子层的“触手”呈现纵向连续、横向间隔分布的特征，如图8a所示。“触手”纹路同UGWKF面层编链线圈间的间隙沟槽吻合，且间隙(黏合薄弱区)与线圈贴合面(黏合牢固区)沿剥离方向相互间隔排列，无交叉，无交替制约。而沿纬向剥离的PVC高分子层的“触手”呈现“人”字型均匀分布，沿剥离方向有交叉、可交替制约，如图8b所示。所以经向剥离较纬向剥离更容易发生及扩散，经向剥离曲线的振幅相对更微弱，剥离强度也更低。此外，经纬向剥离后PVC高分子层的“触手”目视凸起长度较短，并未发现“触手”断头、拉伸延展、撕裂等迹象。可能因为PVC高分子层存在增强结构，存在受热不均、贴合面PVC熔融不透彻、可有效渗透进织物间隙的PVC高分子层量不足等问题，与复合无增强结构PVC高分子层相比，有增强结构的PVC高分子层“触手”难以与线圈面和间隙结合牢靠，因此表现为B整体剥离性能弱于A。所以在后续UGFM的研究、设计与制备中，可着重加强间隔织物面层组织结构设计、复合界面结合强度和高性能涂贴胶水性能等方面的研究，通过多角度协同与优化来提高UGFM的剥离性能。

图8 剥离界面

2.2 撕裂性能

UGFM A与B的撕裂曲线如图9所示。由图9分析发现，B与A的经纬向撕裂曲线趋势基本一致，但B的经纬向撕裂曲线的5个峰值均高于A曲线。其中B的经向撕裂曲线波峰分布较离散，曲线波动振幅更随机；纬向撕裂曲线波峰分布相对均匀，波动振幅相对一致。撕裂强度等于撕裂曲线中首个波峰后中段处5个最大波峰的均值。经计算，B较A在经向撕裂性能上提高了约37.9%，B较A在纬向撕裂性能上提高了约30.8%，如图10所示。可见在PVC高分子层内引入增强结构的方法对提高UGFM撕裂性能的效果十分显著。

图9 UGFM A与B的撕裂曲线

图10 UGFM A与B的撕裂强力对比

经纬向撕裂的差异化曲线波动主要是由各撕裂位置破坏形式的差异造成的，其差异主要来源于间隔织物面层的组织结构破坏位置与机理的不同。在轴梯形撕裂破坏主要分为4个经典区段：拱形褶皱与应力增长段、应力集中三角区形成段、纱线断裂与三角区推进段、撕裂尾段[16]。观察撕裂三角区发现，空间膜材经向撕裂口扩散位置主要发生在线圈的间隔处，并在应力集中三角区形成阶段，以间隔织物面层内经斜延长线的断裂、撕裂三角区内滑移、部分抽离为主要破坏形式，表现为纱线断裂与撕裂三角区快速推进、经向撕裂断面留存大量经斜纱断头及断面附近涂覆层的部分剥离，如图11a所示。因为经斜延长线与水平方向成一定夹角倾斜，当撕裂三角区经斜延长线受力时，除沿纱线延伸方向受拉外，还产生面内的剪切力，经斜延长线于面内有产生滑移的趋势。因PVC“触手”在线圈间隙内仅与若干经斜延长线黏结，但面-线结合力远小于面-面结合力，受力的经斜延长线会在其连接的圈柱根部应力集中，部分线圈根部与PVC高分子层发生分离，最终产生了撕裂断口边缘的部分波浪式剥离现象。每两列相邻线圈间有若干经斜延长线，以经斜延长线区为主要位置的撕裂破坏存在一定的随机性和不同时性，所以经向撕裂曲线波峰呈离散分布，波动振幅高低不均。

图11 撕裂三角区

纬向撕裂位置主要为规律的线圈和穿插于线圈内的经斜延长线，且各线圈列排列均匀、结构较一致，在应力集中三角区形成阶段，以线圈受力收缩断裂、抽离为主要破坏形式。线圈和穿插于线圈内的经斜延长线共同构成的线圈面与PVC高分子层的结合力更牢靠，所以撕裂断面相对平整，断口有部分抽离的线圈和线头，断口边缘基本无剥离现象，如图11b所示。同时纬向剥离曲线的波峰呈相对均匀分布，波动振幅在中段较为一致。

2.3 间隔向拉伸性能

UGFM A，B，C和D的间隔向拉断力和提升幅度如图12所示。图12显示，C的最大间隔向拉断力较B高约29.0%，D的最大间隔拉断力较C高约48.6%。其中具有相同间隔距离的A与B在复合了不同PVC高分子层时，带增强结构PVC高分子层的B的间隔向拉断力较A微弱提升约5.8%。由此推断，在相同间隔距离下，PVC高分子层引入增强结构后对间隔向拉伸性能的影响甚微，但由于增强结构的引入间接降低了高分子层渗透表面织物层并约束间隔丝底部的程度，且提高了粘贴测试面的刚度，一定程度提升了间隔丝沿拉伸方向的取向度和断裂一致性，所以表现为拉断力有微弱提高。

图12 4种UGFM的间隔向拉断力及提升幅度

图13为间隔丝受力图，分析图12和图13可知，假设Fα，Fβ分别为UGFM C和D沿间隔丝实际拉伸方向上的力，则FC=Fαcosα，FD=Fβcosβ(FC，FD为沿垂直高度方向上对间隔丝作用的力)，为间隔丝实际拉伸方向在表面层分力)。由于测试时UGFM平面与T型模具密封黏合，可认为不同间隔距离的材料表面性能表征相同，即TC=TD。伴随UGFM垂直间隔的距离增大，其间隔丝与垂直高度方向上的夹角β＜α，故cosα＜cosβ，sinα＞sinβ[16-17]。则于是得到FC＜FD。由此得出，当其它条件相同时，大间隔距离的UGFM间隔丝与垂直方向的角度更小，在拉伸过程中，间隔丝趋于垂直方向的一致取向度更高，各间隔丝同时断裂的趋势更强，最终表现为UGFM间隔距离越大，其间隔向拉断力越高。

图13 间隔丝受力

3 结论

研究了引入增强结构的高分子层对UGFM力学性能的影响，深入分析了具有增强结构的高分子层对UGFM力学性能影响的机理，通过测试UGFM的撕裂性能、剥离性能、间隔向拉伸性能，得出如下结论：

(1)引入增强结构的高分子层对UGFM的剥离性能有削弱影响，对撕裂性能有增强影响，且影响程度较大，本研究中，使用150 g/m2的机织物作为增强结构时，UGFM的经向剥离性能降低了约47.7%，纬向剥离性能降低了约51.0%，经向撕裂性能提高了约37.9%，纬向撕裂性能提高了约30.8%。

(2)间隔织物表面组织结构对UGFM在经纬方向剥离和撕裂性能表征差异的影响较大，若破坏失效方向与线圈平行，则失效趋势迅速，性能表现相对不佳，若不平行，则失效趋势放缓，性能表现相对突出。因此在后续UGFM设计和制备过程中可结合性能需求对表面组织结构开展定制化设计，并对组织结构对性能影响作更深入研究。此外现有引入增强结构的高分子层与间隔织物的复合工艺有待进一步优化。

(3)引入增强结构的高分子层对UGFM的间隔向拉伸性能影响相对微弱，同间距下，有增强结构的UGFM较无增强结构的UGFM间隔向拉伸性能提升了约5.8%。

(4) UGFM间隔向拉伸性能主要受间隔距离影响，其它条件相同时，间隔距离越大，间隔向拉断力越大。本研究中，随着间隔距离从100 mm提升至150 mm和200 mm，UGFM的间隔向拉断力分别提升了29.0%，48.6%，随着间隔距离继续增大，间隔向拉断力甚至可能更高。