柔性苎麻复合材料制备及其性能表征

来源|《现代纺织技术》

作者|赵 勇，李丹丹，王 强，田 伟，祝成炎

文章编号|1009-265X(2018)03-0025-04

柔性复合材料广泛应用在防护服方面，其良好的防刺、抗冲击等性能和良好的舒适性越来越受到人们的青睐。以往采用高性能玻璃纤维、高强聚乙烯、芳纶等为柔性复合材料的原料，但其有成本过高、不易降解处理的缺陷，对于一些民用防护要求不高的领域，柔性苎麻复合材料越来越受到人们的关注，其具有可完全降解、来源广泛等优点。剪切增稠液体广泛应用在防护领域，能有效提高织物的防刺、抗冲击、拉伸性能。由于其性能优良，剪切增稠复合材料已广泛用在军用领域。透气性一定程度上反映出织物的舒适性。织物的交织阻力是表示组织点处的经纱与纬纱之间的摩擦力，即单纱抽拔出来所受到的最大阻力。现阶段少有文献对剪切增稠液体系的稳定性进行报道，并且对柔性复合材料交织阻力和不同拉伸速度下的拉伸性能研究方面具有单一性，尚未发现将两者进行同时研究的相关结论。因此，为制备性能优良与舒适性良好的柔性苎麻复合材料，本文以纳米SiO2为原料，制备不同质量分数的剪切增稠液，优化复合工艺，制备出剪切增稠-苎麻织物复合材料试样。采用SEM、FTIR表征分析，测试复合织物的交织阻力、透气性、拉伸性能，分析剪切增稠-苎麻织物复合效果以及不同质量分数剪切增稠液对其性能影响。

实 验

1.实验材料

原料：20 nmSiO2（阿拉丁试剂上海有限公司）；聚乙二醇-200（上海浦东高南化工厂）；无水乙醇（分析纯，杭州高晶精细化工有限公司）；苎麻织物（湖北阳新远东麻业有限公司）基本参数如表1所示。

试验仪器：Instron 3367电子万能材料测试仪（ITW集团应斯特朗公司），JJ-1型增力电动搅拌器（常州普天仪器制造有限公司），JSM-5610扫描电子显微镜（日本株式会社），PS-40A型超声波清洗机（深圳日升五金制品有限公司），LC-213型鼓风干燥箱（上海爱斯佩克环境公司），Nicolet 5700型傅立叶红外光谱仪（美国热电公司），YG461D型数字式织物透气量仪（温州方圆仪器有限公司）。

2.试样制备

选取纳米SiO2为分散相粒子，以聚乙二醇为分散介质，在增力搅拌器搅拌和超声波清洗机振荡双重作用下，配制质量分数分别为10％、15％、20％、25％、30％的剪切增稠液，温度设定为35 ℃。将剪切增稠液与无水乙醇混合稀释处理，体积比例为1∶1.5，搅拌和超声波振荡双重作用25 min，保证其混合均匀。选取尺寸为20 cm×20 cm苎麻织物浸渍处理，浸渍处理时间为20 min，烘干备用。浸渍处理装置如图1。

性能测试

SEM观察：扫描电子显微镜观察复合织物微观形貌。

傅立叶红外光谱测试：分别测试SiO2、聚乙二醇和剪切增稠液。测试条件设定为波长4 000~400 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数32。

交织阻力测试：参照FZ/T 01054.3—1999《织物风格试验方法 交织阻力试验方法》标准测试。设定试验牵引速度50 mm/min，上下夹持器距离30 mm。

透气性性能测试：参照标准GB/T 5435—1997《纺织品织物透气性的测定》测试。试样在温度20 ℃，相对湿度65%环境中进行调湿处理，设置试验参数压差100 Pa。

拉伸性能测试：参照标准GB/T 7689.5—2001《增强材料 机织物试验方法 第5部分 玻璃纤维拉伸断裂强力和断裂伸长的测定》。试样尺寸 250 mm ×25 mm；仪器参数设置夹持距离100 mm。

结果与讨论

1.SEM测试与分析

采用JSM-5610LV扫描电镜，观察SiO2质量分数为30%的剪切增稠液浸渍前后的苎麻织物微观形貌，如图2所示。

从图2中可以看出，浸渍处理前，苎麻纤维表面较整洁，仅有一些片状果胶。而浸渍处理后的纤维被纳米SiO2均匀包覆，纤维表面没有光泽、粗糙。未经处理的苎麻织物表面较光滑，纤维杂质较少，织物内部纤维束清晰可见。经过与质量分数为30％的剪切增稠液复合后，织物表面粗糙，可以看到有大量的SiO2颗粒附着在织物表面，并且部分填充在纱线与纱线之间和经纬纱交织点上，使得织物内部纱线中纤维有效粘结。

2.FTIR光谱测试与分析

采用Nicolet 5700型傅立叶红外光谱仪对SiO2、聚乙二醇和剪切增稠液中的进行官能团测试，测试的结果如图3所示。

由图3中SiO2的谱图可以看出，在472、800、1 100 cm-1 出的吸收峰分别为Si—O—Si键的弯曲振动吸收峰、对称伸缩振动吸收峰、反对称伸缩振动吸收峰。在1 650 cm-1 处峰主要是游离水等H—O—H弯曲振动吸收峰，在3 440 cm-1 处峰主要是反对称的O—H键伸缩振动吸收峰。聚乙二醇的C—C键、C—O—C键、CH2键特征吸收峰也与标准谱图大致相同。二者混合制得剪切增稠液谱图中的特征峰同时出现了二氧化硅与聚乙二醇的吸收峰，并且没有新的特征吸收峰出现。说明配制的剪切增稠液是一个没有发生化学反应的稳定体系。

3.交织阻力测试与分析

剪切增稠液质量分数与复合织物交织阻力的关系如图4所示，由图4可以看出，苎麻织物经过剪切增稠液浸渍处理后，随着质量分数增加，复合织物的交织阻力增加。剪切增稠液质量分数与织物交织阻力的拟合曲线的回归方程为： y=3.04+0.276x ，其中方程相关系数 R =0.986 59， R 大于0.9，有明显的线性关系。复合织物的交织阻力与浸渍处理剪切增稠液质量分数之间呈较好的正相关。织物经纬纱线在交织过程中，均有不同程度的屈曲，单纱的抽拔过程可以分为单纱纱线由屈曲状态伸直和抽出两个过程。浸渍处理后，苎麻织物纱线与纱线间、纱线自身纤维之间均填充了大量的纳米SiO2颗粒，单纱的屈曲部分更是填充了大量的纳米SiO2颗粒，纤维之间的抱合力增强。当抽拔单纱时，纱线间的动摩擦因数增大，屈曲伸直过程纱线受到的阻力增大，抽出过程同样如此。但当浓度增加到一定程度时，由于苎麻织物间填充的纳米SiO2颗粒趋于饱和，使得苎麻复合织物的交织阻力增加缓慢。

4.透气性测试与分析

为方便研究，苎麻织物分为5组，记为A、B、C、D、E、F，分别经质量分数为0、10％、15％、20％、25％、30％的剪切增稠液浸渍处理，由于单层织物透气性良好，所以选取4层织物为1组，每组织物选择5处不同部位进行测试，取其平均值，结果如表2所示，剪切增稠液质量分数与复合织物透气性的关系如图5所示。

从表2及图5中可以看出，随着处理质量分数增大，苎麻织物的透气率不断降低。其中剪切增稠液质量分数与复合织物透气率的拟合曲线的回归方程为：y=332.121+5.107x-0.522x²，其中方程相关系数R=0.87，R接近0.9。经过浸渍处理，大量SiO2颗粒分布在织物表面，纱线与纱线之间以及单纱内部纤维之间，使得织物的紧度增加，空隙变小。当处理质量分数在20％以下时，气体通过织物的难度稍有提高，但不明显，当处理质量分数为25％时，气体透过率急剧下降，相比原样下降比为79.77％。由于浸渍浓度提高，大量的SiO2颗粒以包覆纤维、填充在纱线间等形式，纤维粘结程度增大，使得织物纱线间孔隙大幅度降低，透气率急剧下降。

5.拉伸性能测试与分析

当拉伸速度分别为50，100和200 mm/min时，苎麻复合织物的拉伸性能参数如表3所示，复合织物断裂强力与拉伸速度关系如图6所示。

由表3及图6可以看出，经过浸渍处理的苎麻复合织物与原样相比，断裂强力增大，断裂伸长减小。并且断裂强力随浸渍处理浓度增大而增大。经过浸渍处理后，复合织物纱线与纱线之间、纱线内部纤维之间、经纬纱交织点上均被大量纳米SiO2填充，使得纱线表面变得粗糙，摩擦因数增大，拉伸过程中，滑动摩擦力增大，引起拉伸断裂强力增加，断裂伸长减小。低速50 mm/min拉伸下增速缓慢，高速200 mm/min拉伸下断裂强力增加效果明显，最大断裂强力与最小断裂强力差值为107.11 N。说明剪切增稠抗快速拉伸变形效果明显。在低速拉伸下，复合织物纱线发生拉伸变形，纱线由屈曲状态变为伸直状态，纤维发生滑移及断裂；在高速拉伸时，苎麻复合织物受到拉伸作用，纤维不易产生移动，使纤维同时承受的纵向载荷增多，纱线与纤维更多的产生断裂而不是滑移。所以断裂强力明显增大，浸渍处理浓度大，填充的二氧化硅颗粒更多，效果更加明显。

结 论

a) FTIR测试表明，SiO2与聚乙二醇的特征吸收峰在剪切增稠液谱图上均有出现，且没有新的特征吸收峰出现，说明剪切增稠液是一个未发生化学反应的稳定体系。SEM结果表明，经过浸渍处理苎麻纤维表面被SiO2均匀包覆。苎麻织物表面变的粗糙，被大量纳米SiO2颗粒填充。

b) 经过浸渍处理，复合织物纱线间纱线动摩擦因数增加，复合织物的交织阻力变大。且随着浸渍处理浓度增加，交织阻力增大。复合织物的透气率随着浸渍处理质量分数增加而降低，在质量分数为20%时，透气性明显下降。

c) 浸渍处理后，断裂强力随着浸渍质量分数增加而增大。低速拉伸时断裂强力增加不明显，高速拉伸时断裂强力明显增大。

END

编辑|徐航