CN105014984A - 三维经编间隔织物抗冲击复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

三维经编间隔织物抗冲击复合材料及其制备方法与应用，涉及一种复合材料。所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料设有上面层、下面层和中间连接层；所述上面层和下面层均为三维中空经编间隔织物与树脂的复合层；所述中间连接层为至少组纤维组与树脂的复合层，至少2组纤维组分别与上面层和下面层连接，各纤维组之间形成中空结构。先编织三维中空纤维经编间隔织物；再采用芯模填充三维中空经编间隔织物中间连接层中空部位；最后采用树脂传递模塑技术制备中空结构复合材料，即完成三维经编间隔织物抗冲击复合材料的制备。整体中空结构厚度较高、质量较轻、强度较高。

Description

三维经编间隔织物抗冲击复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种复合材料，尤其是涉及一种三维经编间隔织物(spacer fabric)抗冲击复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

纤维增强复合材料较于金属材料，不仅具有强度高、质量轻、耐酸碱性能好等特点，而且不易发生脆断。越来越多的替代金属材料用于生产和生活。纤维增强复合材料大多采用高性能纤维与树脂复合，高性能纤维主要包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高强高模聚乙烯等。一般是通过纺织工艺方法将高性能纤维编织成一定的形状制成预制件然后与树脂复合。

中国专利CN101787764A公开一种轻型经编间隔织物建筑复合材料及其制备方法，该复合材料是在经编间隔织物上下表面覆盖树脂层，并在其四周覆盖树脂层。该材料上下表面涂覆有树脂覆盖，但上下层间是分离状态，未有树脂复合，其强度较差。

中国专利CN101342807A公开一种泡沫夹芯整体结构复合材料及其制作方法，该复合材料泡沫夹芯层于上下面层采用缝合线按设计规律缝合为一个整体，并采用树脂传递模塑工艺一次成型。该复合材料为保证上、下层连接不分层，采用缝合方法，且为了增加强度，中间采用泡沫夹芯。

树脂传递模塑技术制备复合材料两面平滑，强度高，产品质量稳定，在工艺已日趋成熟完善(益小苏，先进复合材料技术研究与发展，国防工业出版社，2006出版)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种三维经编间隔织物(spacer fabric)抗冲击复合材料及其制备方法与应用。

所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料设有上面层、下面层和中间连接层；

所述上面层和下面层均为三维中空经编间隔织物与树脂的复合层；

所述中间连接层为至少2组纤维组与树脂的复合层，至少2组纤维组分别与上面层和下面层连接，各纤维组之间形成中空结构。

所述三维中空经编间隔织物由面层纤维和中间芯层编织而成，所述纤维可选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、玄武岩纤维、芳酰胺纤维、硼纤维、碳化硅纤维及超高分子量聚乙烯纤维等中的一种；所述中间芯层可选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高强高模聚乙烯纤维等中的至少一种与涤纶单丝、丙纶单丝、锦纶单丝、乙纶单丝等中的一种混合编织而成。

所述中空结构的中间层各纤维组与上面层和下面层组成工字形结构，且各纤维组间平行排列，所述中空结构的中空形状横截面可为方形、圆形、梯形、椭圆形或不规则形。

所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料的厚度可为5～65mm；上面层的厚度可为0.5～5mm，下面层的厚度可为0.5～5mm；中间连接层的厚度可为4～55mm。

所述树脂可选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性树脂、聚氨酯树脂、热塑性树脂等中的一种，所述热固性树脂可选自呋喃类树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚丁二烯树脂、有机硅脂等中的一种；所述热塑性树脂可选自聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、ABS树脂、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亚胺、聚砜、聚砜醚、聚芳醚酮、聚苯硫醚等中的一种。

所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料的制备方法包括以下步骤：

1)编织三维中空纤维经编间隔织物；

在步骤1)中，所述编织三维中空纤维经编间隔织物的具体方法可为：在双针床经编机上采用空穿法或连接纱梳栉在前后针床部分横列不同时编织，形成中空结构间隔织物材料。可根据要求调整空穿方式或是改变不同时编织横列数来调整中空大小。同样，也可采用同样方法调整连接层纤维组的纤维数，及改变连接层“工”字结构的密度(孔距大小)；

在编织三维中空纤维经编间隔织物时，所采用的中间连接丝的直径可为0.1～1mm单丝纤维与纤维混合编织，所述单丝纤维可采用涤纶纤维、丙纶纤维、乙纶纤维、尼龙纤维。

当采用空穿法编织三维中空经编间隔织物时，中间连接丝部分穿纱，部分空穿，所述穿纱是在三维中空经编间隔织物的上面层和下面层分别串套成圈，所述空穿是形成中空结构，穿纱部位在三维中空经编间隔织物上面层和下面层纵向形成一束纵条，也就是“工”字型上方在三维中空经编间隔织物表面形成纵条，同一种空穿方法其形成的中空大小一致；

当采用连接纱梳栉在前后针床部分横列不同时编织时，可在配备有电子横移及送经装置的双针床经编机上完成。此方法中间孔大小可根据需要实时调整。

2)采用芯模填充三维中空经编间隔织物中间连接层中空部位；具体方法如下：

首先将编织好的三维中空纤维经编间隔织物裁切成一定的规格大小，按中空大小及中空形状要求准备好填充芯模，在芯模上事先多次涂覆好树脂脱模剂，晾干后待芯模上形成清晰可见薄膜即可，将芯模依次插入三维中空经编间隔织物中空孔中；

3)采用树脂传递模塑技术制备中空结构复合材料，具体方法如下：

将带有填充芯模的经编间隔织物放入模具中，采用常规树脂传递模塑技术制备复合材料，在树脂固化后，取出芯模，即完成三维经编间隔织物抗冲击复合材料的制备。

现有制备较厚纤维增强复合材料大多采用多层纤维布叠加，然后通过树脂复合而成。此方法纤维层间连着力小，材料抗剪切性能差，易分层。或是采用经编多轴向编织方法，但此方法编织的复合材料厚度相对较小。且以上方案制备的复合材料重量较大。

本发明中采用高性能纤维编织中空结构的经编间隔织物，采用芯模填充间隔织物中孔，然后再采用树脂传递模塑(RTM)技术制成较厚的整体式中空结构经编间隔织物复合材料。该复合材料的特点是整体中空结构厚度较高、质量较轻、强度较高。

三维经编间隔织物抗冲击复合材料的抗冲击性能测试如下：

所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料的抗冲击性能采用Instron dynatur 9250冲击仪测试，预设冲击能量为30-40J时，冲头开始接触下面层，预设冲击能量为50～70J时下面层开始失效。所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料能够承受较大的冲击载荷(0.99～1.99KN)，芯层间隔织物发挥着明显的缓冲能力，试样上面层的破坏形式主要为向内凹的裂口，下面层的破坏形式主要为向外凸的裂口，芯层间隔纱的破坏形式主要为弯曲和断裂。如选择不同的纤维和树脂，材料的功能性会有所差别，或获得不同的抗冲击，导热性，阻燃性等性能的产品。

所述模具的中间密封空间高度等同于三维中空经编间隔织物厚度，宽度等同于裁剪的所述间隔织物宽。模具两边有凹槽便于放入芯模，相邻凹槽的距离决定复合材料中空孔的间距，在凹槽间距相等时，所述三维中空经编间隔织物复合材料的中空孔间距一致，且芯模大小及中心高低位置决定了复合材料上下面层厚度大小。当芯模高度为h，模具内腔高度为H，芯模中心距下模底面高度为a时，则有复合材料下面层厚度＝a-h/2，上面层厚度＝H-a-h/2。当a＝H/2，亦即芯模中心位置在模具上下面的中心平面上时，上、下面层复合材料厚度一致。当芯模截面为不规则形状，以上所述芯模高度指最大高度，复合材料厚度指最小厚度。

本发明采用经编一次性编织成型的三维中空经编间隔织物，采用树脂传递模塑技术一次性成型，可成功解决高厚度复合材料分层问题，且中空“工”字状结构提高了复合材料的强度，降低了材料质量。

本发明所制备的三维经编间隔织物抗冲击复合材料具备高厚度的整体中空结构，质量较轻，强度较高。

附图说明

图1为本发明采用空穿法制备的三维经编间隔织物抗冲击复合材料的结构组成示意图。

图2为采用部分横列不同时编织制备的三维经编间隔织物抗冲击复合材料的结构组成示意图。

图3为长方形截面芯模结构示意图。

图4为圆形截面芯模结构示意图。

图5为椭圆形截面芯模结构示意图。

图6为菱形截面芯模结构示意图。

图7为模具结构示意图。

具体实施方式

实施例1

采用空穿法编织，在karl Mayer RD6DPLM/30-N E12机器上，针床隔距调为20mm，编织密度为6wpc。

采用原料及空穿：

采用横截面为长方形的芯模，芯模截面大小12mm×14mm(12mm为高度方向)。模具大小为60cm×60cm，芯模中心距为20mm。模具内腔上下间距为20mm，固定芯模凹槽中心在模具中心平面上。

所制备的三维经编间隔织物抗冲击复合材料成品外观形状类似于图1所示。

所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料设有上面层1、下面层2和中间连接层3；

所述上面层1和下面层2均为三维中空经编间隔织物与树脂的复合层；

所述中间连接层3为至少2组纤维组与树脂的复合层，至少2组纤维组分别与上面层1和下面层2连接，各纤维组之间形成中空结构。在图1中，标记A为间隔织物纵向。

所述三维中空经编间隔织物由面层纤维和中间芯层编织而成，所述纤维可选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、玄武岩纤维、芳酰胺纤维、硼纤维、碳化硅纤维及超高分子量聚乙烯纤维等中的一种；所述中间芯层可选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高强高模聚乙烯纤维等中的至少一种与涤纶单丝、丙纶单丝、锦纶单丝、乙纶单丝等中的一种混合编织而成。

所述中空结构的中间层各纤维组与上面层和下面层组成工字形结构，且各纤维组间平行排列，所述中空结构的中空形状横截面可为方形、圆形、梯形、椭圆形或不规则形。

所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料的厚度可为5～65mm；上面层、下面层的厚度均为4mm；中间连接层的厚度可为4～55mm，孔距为20mm，“工”字结构壁厚为6mm。

实施例2

采用连接纱梳栉在前后针床部分横列不同时编织，在karl Mayer RD6DPLM/30-N E12机器上，针床隔距调为30mm，编织密度为5wpc。

采用原料及空穿：

其中，DTY称为涤纶低弹丝(Drawtexturingyarn拉伸变形丝)，是在加弹机器上进行连续或同时拉伸、经过加捻器变形加工后的成品丝。

采用横截面为椭形的芯模，芯模椭圆长径为20mm，短径为14mm(长径20mm为高度方向)。模具大小为60cm×60cm，芯模中心距为20mm。模具内腔上下间距为30mm，固定芯模凹槽中心在模具中心平面上。

所制备的三维经编间隔织物抗冲击复合材料成品外观形状类似于图2所示。在图2中，标记B为间隔织物横向，L为孔距。

所述三维中空经编间隔织物复合材料其中空形状的横截面可以是方形、圆形、菱形、梯形、椭圆形、或其他不规则形状(如图3～6所示)。一般情况下，为便于加工且保证材料良好的力学性能，大多采用相对较规则的形状。

所述三维中空经编间隔织物复合材料，其厚度范围为5～65mm，中空孔间距为5～100mm。一般的，为提高复合材料的力学性能，复合材料不宜过厚，且中间孔距也不宜过大。同种厚度的复合材料在保证材料的力学要求的情况下提高中空间距及减少上、下表层和中空支撑部分的复合材料厚度，可进一步减轻复合材料重量。

制备该中空复合材料的经编间隔织物上、下面层及中间连接层纤维材料，为提高复合材料的力学性能，是采用含有高性能纤维材料编织而成，所述高性能纤维材料是指玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高强高模聚乙烯中的一种。高性能纤维在上下面层可以成圈(实施例1和2)也可以作为衬经衬纬结构(实施例3)，采用衬经衬纬的方法更能增加复合材料的力学性能。为保证材料的整体连接结构，中间连接层的连接纱线需编织成圈串套在上下面层上。

参见图7，所述模具的中间密封空间高度等同于经编间隔织物厚度，宽度等同于裁剪的间隔织物宽。模具两边有凹槽便于放入芯模，凹槽距离决定复合材料中空孔的间距，在凹槽间距相等时，复合材料中空孔间距一致。且芯模大小及中心高低位置决定了复合材料上、下面层厚度大小。当芯模高度为h，模具内腔高度为H，芯模中心距下模底面高度为a时，则有复合材料下面层厚度＝a-h/2，上面层厚度＝H-a-h/2。当a＝H/2，亦即芯模中心位置在模具上下面的中心平面上时，上下面层复合材料厚度一致。当芯模截面为不规则形状，以上所述芯模高度指最大高度，复合材料厚度指最小厚度。在图7中，标记71为模具上盖，72为模具下底，73为密封圈，74为抽空气孔，75为树脂注入孔，76为凹槽。

Claims (10)

1.三维经编间隔织物抗冲击复合材料，其特征在于设有上面层、下面层和中间连接层；所述上面层和下面层均为三维中空经编间隔织物与树脂的复合层；所述中间连接层为至少2组纤维组与树脂的复合层，至少2组纤维组分别与上面层和下面层连接，各纤维组之间形成中空结构。

2.如权利要求1所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料，其特征在于所述三维中空经编间隔织物由面层纤维和中间芯层编织而成。

3.如权利要求2所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料，其特征在于所述面层纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、玄武岩纤维、芳酰胺纤维、硼纤维、碳化硅纤维及超高分子量聚乙烯纤维中的一种；所述中间芯层选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高强高模聚乙烯纤维中的至少一种与涤纶单丝、丙纶单丝、锦纶单丝、乙纶单丝中的一种混合编织而成。

4.如权利要求1所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料，其特征在于所述中空结构的中间层各纤维组与上面层和下面层组成工字形结构，且各纤维组间平行排列。

5.如权利要求4所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料，其特征在于所述中空结构的中空形状横截面为方形、圆形、梯形、椭圆形或不规则形。

6.如权利要求1所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料，其特征在于其厚度为5～65mm，上面层的厚度为0.5～5mm，下面层的厚度为0.5～5mm，中间连接层的厚度为4～55mm。

7.如权利要求1所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料，其特征在于所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性树脂、聚氨酯树脂、热塑性树脂中的一种，所述热固性树脂可选自呋喃类树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚丁二烯树脂、有机硅脂中的一种；所述热塑性树脂可选自聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、ABS树脂、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亚胺、聚砜、聚砜醚、聚芳醚酮、聚苯硫醚中的一种。

8.如权利要求1～7任一所述三维经编间隔织物抗冲击复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)编织三维中空纤维经编间隔织物；

2)采用芯模填充三维中空经编间隔织物中间连接层中空部位；具体方法如下：

首先将编织好的三维中空纤维经编间隔织物裁切成一定的规格大小，按中空大小及中空形状要求准备好填充芯模，在芯模上事先多次涂覆好树脂脱模剂，晾干后待芯模上形成清晰可见薄膜即可，将芯模依次插入三维中空经编间隔织物中空孔中；

3)采用树脂传递模塑技术制备中空结构复合材料，具体方法如下：

将带有填充芯模的经编间隔织物放入模具中，采用常规树脂传递模塑技术制备复合材料，在树脂固化后，取出芯模，即完成三维经编间隔织物抗冲击复合材料的制备。

9.如权利要求8所述方法，其特征在于在步骤1)中，所述编织三维中空纤维经编间隔织物的具体方法为：在双针床经编机上采用空穿法或连接纱梳栉在前后针床部分横列不同时编织，形成中空结构间隔织物材料。

10.如权利要求8所述方法，其特征在于在编织三维中空纤维经编间隔织物时，所采用的中间连接丝的直径为0.1～1mm单丝纤维与纤维混合编织，所述单丝纤维可采用涤纶纤维、丙纶纤维、乙纶纤维、尼龙纤维中的一种；

当采用空穿法编织三维中空经编间隔织物时，中间连接丝部分穿纱，部分空穿，所述穿纱是在三维中空经编间隔织物的上面层和下面层分别串套成圈，所述空穿是形成中空结构，穿纱部位在三维中空经编间隔织物上面层和下面层纵向形成一束纵条，即“工”字型上方在三维中空经编间隔织物表面形成纵条，同一种空穿方法其形成的中空大小一致；

当采用连接纱梳栉在前后针床部分横列不同时编织时，可在配备有电子横移及送经装置的双针床经编机上完成。