周红涛, 肖学良, 钱 坤

( 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

随着纺织复合材料的应用领域的不断拓宽，织物结构及其增强复合材料的研究越来越受到人们的重视。织物增强橡胶复合材料是柔性复合材料的一种，织物作为骨架材料不仅提高其强度，还能限制其变形及保持其尺寸稳定性，因此，选择合适的织物结构作为骨架材料对织物增强橡胶复合材料的应用具有重要的意义[1]。平面三向织物(TWF)是由三组彼此成60 °交织的纱线组成[2]，其交织结构如图1所示，具有结构稳定性好，抗弯强度高，抗撕裂强度高和力学性能准各向同性的特点，克服了机织物(PWF)受非沿经纱和纬纱方向的载荷作用时承受载荷的能力及抵抗变形的能力大幅度下降的不足，因此，平面三向织物作为骨架材料应用于织物增强橡胶复合材料领域具有一定的优势。国内外学者对平面三向织物在复合材料中的应用进行了大量的研究[3-9]，但研究内容主要集中在树脂基复合材料，对平面三向织物增强柔性复合材料的研究报道较少。本文以平面三向织物增强橡胶复合材料(TWFC)为对象，采用采用偏轴拉伸的方法研究其各向异性性能。陈守辉采用理论和实验相结合的方法研究了机织物建筑膜材料偏轴拉伸的破坏机理[10]。郭囊括、敬凌霄等采用偏轴拉伸方法研究了柔性多轴向经编聚氨酯涂层织物的拉伸性能，对理论分析模型和实验结果进行了对比分析，理论模型对涂层织物的弹性模量和泊松比的预测较准确[11]；张营营等对聚四氟乙烯的玻璃纤维类膜材(PTFE膜材)和聚氯乙烯的聚酯纤维类膜材(PVC膜材)的偏轴拉伸性能及破坏机理进行研究[12-14]。

(a)平面三向织物结构 (b)平面三向织物的单胞图1 平面三向织物结构及单胞形态Fig.1 The structure of triaxial woven fabric and its unit cell

本文对TWFC和平纹织物增强橡胶复合材料(PWFC)的各向异性性能进行研究，并分析了试样形状对织物增强橡胶复合材料偏轴拉伸的影响。研究成果为平面三向织物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

平面三向织物(TWF)和平纹织物(PWF)均采用锦纶66长丝，线密度为186.67 tex，捻度为70捻/米，江苏太极实业新材料有限公司；平面三向织物和平纹机织物的面密度相同，详细参数如表1所示；

丁腈橡胶混炼胶，新乡市鼎诚橡胶有限公司；

开姆洛克402黏合剂，美国洛德公司。

1.2 主要设备及仪器

热压机，4128Carver热压机，30T，美国Mycro公司；

万能强力机，Instron 3385H，美国英斯特朗公司。

表1 2种织物的规格参数Tab.1 Specifications of two prepared fabrics

1.3 样品制备

织物增强橡胶复合材料的制备采用热压法，工艺参数设置分别为：温度145 ℃，压力10 MPa(第一次)、16 MPa(第二次)；时间 20 min；克重：3 431 g/m2。

1.4 性能测试与结构表征

以平面三向织物(或平纹织物)增强橡胶复合材料的纬纱为基准，分别沿逆时针方向偏离基准0 °、15 °、30 °、45 °、60 °、75 °和90 ° 7个方向裁剪试样，每个角度裁剪3个试样，进行拉伸试验，拉伸性能参考HGT 2580—2008进行测试，考虑到织物纱线密度稀疏的实际情况，试样尺寸为150 mm×50 mm，夹具间距设定为50 mm，拉伸速度为100 mm/min；同时，试验增加了长方形(R)和哑铃形(G)2种试样的偏轴拉伸性能的对比分析。

2 结果与结论

2.1 长方形试样偏轴拉伸的应力-应变曲线

偏轴角度/(°)：■—0 ●—15 ▲—30 ★—45 △—60 ○—75 □—90(a) TWFCR (b) PWFCR图2 TWFCR和PWFCR的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of TWFCR and PWFCR

TWFCR和PWFCR偏轴拉伸的应力应变曲线如图2所示，TWFCR拉伸断裂强度沿各偏轴角度的的变化规律是：0 °和60 °>15 °，45 °和75 °>30 °和90 °；而断裂伸长率的变化规律与拉伸断裂强度的变化规律相反，即30 °和90 °>15 °、45 °和75 °>0 °和60(°) 。PWFCR拉伸断裂强度沿各偏轴角度的的变化规律是：0 °和90 °>15 °和75 °>30 °和60 °>45 °；断裂伸长率的变化规律为45 °>30 °和60 °>15 °和75 °>0 °和90(°)。这主要由纱线在织物中的分布造成的，当织物受偏轴拉伸时，纱线分为两部分，一部分纱线两端均受到夹具的握持，能承受较大的拉力，对拉伸强度贡献较大；另一部分只有一端受到夹具的握持或者两端均未受到夹具的握持，纱线只承受部分拉力及基体的剪切力，对拉伸强度的贡献较小。当拉伸方向由平行于织物中纱线方向到相邻两组纱线的角平分线方向变化时，两端同时受握持的纱线数量逐渐减少，因此拉伸断裂强度逐渐减小，且沿任意两组纱线角平分线方向对称分布。在拉伸载荷的作用下，当纱线与拉伸方向平行时，试样的伸长是纱线受力伸直形成的；当纱线拉伸方向与存在一定的夹角时，纱线的伸长由纱线自身受力伸直和纱线朝减小偏转角度的方向偏转产生的伸长组成，虽然基体对纱线的黏结作用对纱线减小偏转角度的趋势产生一定的束缚，但是基体的高弹性使试样中的纱线仍发生一定程度的偏转，因此，织物增强橡胶复合材料的断裂伸长率随着受力沿纱线方向到任意两组纱线的角平分线方向的变化而逐渐增大，且沿任意两组纱线角平分线方向对称分布。这与陈守辉、张营营等对膜材料的偏轴拉伸变化规律一致[10]24[14]138。

2.2 哑铃形试样偏轴拉伸的应力-应变曲线

TWFCG和PWFCG的应力应变曲线分别如图3所示，拉伸断裂强度和断裂伸长率随偏轴角度的变化规律与TWFCR和PWFR的变化规律相同。

■—0 ●—15 ▲—30 ★—45 △—60 ○—75 □—90(a)TWFCG (b) PWFCG图3 TWFCG和PWFCG的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of TWFCG and PWFCG

—TWFCG —TWFCG —PWFCG —PWFCG(a)拉伸断裂强度 (b) 断裂伸长率图4 试样在不同拉伸方向时的拉伸断裂强度和断裂伸长率Fig.4 Tensile fracture strength and elongation at break of the specimen in different loading directions

(a)TWFC (b)PWFC图5 相同尺寸下TWFC和PWFC在不同拉伸方向的受力形态Fig.5 Stress states of TWF and PWF under different tensile directions with the same size

图4显示，TWFC和PWFC的哑铃形试样的拉伸断裂强度大于长方形试样的断裂强度，而两种形状的断裂伸长率变化不大。当受力方向与任一纱线平行时，PWFC的拉伸断裂强度大于TWFC，断裂伸长率略大于TWFC；随着拉伸方向由平行于纱线到平行于任意两组纱线的角平分线，PWFC的拉伸断裂强度和断裂伸长率的变化率大于TWFC。这主要是由于2种织物的街头特征造成的，偏轴拉伸角度为0 °时，PWFC中两端同时受握持的纱线的根数大于TWFC，如图5所示，使其具有较高的拉伸断裂强度，PWFC纱线上的交织点数量小于TWFC，且复合之前PWFC增强体比TWFC增强体的结构松散，使其受拉伸作用时的断裂伸长率略大于TWFC；随偏轴角度的变化，TWFC中两端同时受握持纱线的根数的变化小于PWFC，使其拉伸断裂强度的变化程度也小于PWFC，当受到偏轴拉伸作用时，TWFC中3组纱线在交织点处形成相互锁合的结构特点限制了纱线在拉伸过程中的变形，特别是在基体的黏结作用下，对纱线的变形的限制作用更显著，因此，TWFC的断裂伸长率的变化程度较小。

2.3 织物增强橡胶复合材料的拉伸破坏模式

织物增强柔性复合材料的拉伸破坏主要有3种破坏模式：纯拉伸破坏、剪切破坏和拉剪混合型破坏。当织物中一组纱线与拉伸方向平行，其他纱线与拉伸方向垂直时，在受到拉伸载荷作用时，柔性复合材料只承受正应力，破坏模式是纯拉伸破坏，破坏形态表现为同一截面的纱线整齐断裂或者沿斜向断裂，如图6(a)所示；当复合材料中存在两端同时受握持且与拉伸方向呈一定夹角(非平行或者垂直)的纱线，在拉伸过程中，纱线发生偏转使纱线与拉伸方向的夹角逐渐减小，破坏模式是拉剪混合型破坏，破坏形态表现为断口方向平行或者垂直于纱线方向，如图6(b)；当不存在两端同时受握持的纱线时，在拉伸载荷作用下，纱线克服基体对纱线的剪应力而趋与平行于拉伸加载方向，破坏模式是剪切破坏，破坏形态是断口方向多是垂直于拉伸加载方向，如图6(c)所示。

(a)纯拉伸破坏 (b)拉剪混合破坏 (c)纯剪切破坏图6 试样在不同拉伸方向下破坏模式Fig.6 Failure mode of the specimen in different loading directions

图7～8分别为TWFC和PWFC的长方形试样件和哑铃形试样件的偏轴拉伸断裂后的破坏形态。结合图5(a)知，TWFC的破坏模式均为拉剪混合型破坏，这主要是由平面三向织物的结构特点形成的，即三组彼此成60 °角的纱线交织，使其在受到偏轴拉伸时始终存在两端同时受握持且与拉伸方向呈一定偏转角度的纱线。随着偏轴角度不同，PWFC呈现出不同的破坏模式，当拉伸方向与某一组纱线平行时(即90 °和0 °)时，如图5(b)所示，破坏模式为纯拉伸破坏；当拉伸方向与某一组纱线的夹角偏小时，破坏模式为拉剪混合型破坏，断裂方向沿着某一组或者两组纱线断裂；当拉伸方向处于PWFC中的两组纱线的角平分线上时(即45 °)时，两端同时受握持的纱线根数为零，且纱线以拉伸方向为轴线对称分布，破坏形态为纯剪切破坏，纱线断裂部位出现在试样中受约束力较小的边部，并沿着垂直于受力方向扩展。

(a)TWFCR (b)PWFR图7 TWFCR和PWFC在不同拉伸方向的破坏形态Fig.7 Destruction morphologies of TWFR and PWFR in off-axis tensile direction

(a)TWFCR (b)PWFR图8 TWFCG和PWFR的偏轴拉伸破坏形态Fig.8 Destruction morphologies of TWFCG and PWFCG in off-axis tensile direction

由图7～8可知，哑铃形试样的破坏位置发生多数发生在试样的中间位置，克服了长方形试样由于拉应力集中而发生在夹头附近的不足。

3 结论

(1)织物骨架性能决定织物增强橡胶复合材料的拉伸性能及其破坏模式，在拉伸载荷的作用下，随着偏轴角度的变化，TWFC的拉伸断裂强度和断裂伸长率的变化程度较小，表现出拉伸性能的准各向同性，破坏模式为拉剪混合破坏；PWFC的拉伸断裂强度和断裂伸长率变化较大，属于典型的各向异性材料，破坏模式也随着偏轴角度的变化而改变。因此，TWFC更适合于对各向同性要求较高的柔性复合材料的领域；

(2)哑铃形试样的拉伸断裂强度较高，且克服了长方形试样由于拉应力集中而断裂在夹头附近的不足。