纬编针织复合材料的原料及结构*

冯亚男 李翠玉 (天津工业大学纺织学院，天津，300387)

增强体原料和基体材料复合而成为复合材料。在纺织复合材料的发展中，纬编针织结构增强复合材料的应用较晚［1-4］，但由于它具有一些良好的力学性能，如较好的能量吸收性能﹑抗冲击性能等，越来越受到人们的重视［5］。本文阐述了近年来纬编针织结构增强复合材料采用的主要增强体原料、基体材料和增强体结构，并展望其发展前景。

1 增强体原料

增强体原料一般采用高强高模纤维，主要有碳纤维［6］、玻璃纤维［7-17］、芳纶［6-8］、涤纶［9］、高强聚乙烯纤维［6，8，10］等，最常用的是玻璃纤维和涤纶。碳纤维在针织结构复合材料中的应用较少，但在整个复合材料领域应用很多，主要用在航天航空、汽车等领域，碳纤维在航天领域的应用以高强中模为主。芳纶作为一类新型高科技合成纤维主要分为两种，即间位芳纶(PMIA)和对位芳纶(PPTA)。芳纶质量轻、耐酸、耐碱、耐高温，属超高强度高模量纤维，具有良好的绝缘性和抗老化性能，且生命周期长。虽然玻璃纤维的性能低于芳纶、高强聚乙烯纤维、碳纤维，但由于玻璃纤维价格便宜，故其应用很广，而其他几种材料在一般场合应用很少。近几年来由于天然纤维具有一些优良的性能，如生物可降解、抗菌、无污染等，苎麻纤维［18-25］和竹原纤维［26］作为增强体原料，应用也越来越多。

1.1 玻璃纤维

玻璃纤维的主要成分为 SiO2、CaO、Al2O3、Na2O、B2O3、MgO等，密度介于有机纤维和金属纤维之间。玻璃纤维的种类有很多种，如E玻璃、S玻璃、A玻璃、C玻璃、D玻璃等［27］。在纬编针织复合材料中，国内常用的玻璃纤维的化学成分分为中碱和无碱两种，其中最有代表性的是 E玻璃［11-13］，几乎不含碱，具有良好的绝缘性、较高的强度和优良的化学阻抗［6，11-12，14］。

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，不会引燃。玻璃纤维单丝的直径从几个微米到二十几个微米，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常作为复合材料中的增强材料，广泛应用于各个领域，如航空航天、汽车、医学生物工程等［9，12-17］。

玻璃纤维具有较高的拉伸强度、硬度、化学稳定性、尺寸稳定性，而且密度小、吸声、隔热、绝缘等。玻璃纤维作为第一代高强高模纤维，价格便宜，具有成本优势。在编织时，玻璃纤维一般作为不成圈的衬入纱(双轴向或多轴向的衬入纱) 。

国内外研究的纬编针织结构复合材料种类主要有:玻璃纤维/不饱和聚酯树脂［7，11-12，17］，玻璃纤维/环氧树脂［5，11，16］，玻璃纤维 /乙烯基酯树脂［7］，玻璃纤维/聚乙烯［12］，玻璃纤维/聚丙烯等。

1.2 涤纶

涤纶是当前合成纤维的第一大品种［28］。它具有优良的抗皱性、弹性和尺寸稳定性，具有优良的纺织和服用性能;还有较好的耐化学试剂性能，能耐弱酸及弱碱，在室温下，有一定的耐稀强酸的能力，但耐强碱性较差。涤纶作为复合材料增强体原料，用途非常广泛，复合材料中常用高强涤纶丝作为捆绑纱和连接纱。

1.3 高强聚乙烯纤维

高强聚乙烯纤维具有优良的耐光性、抗腐蚀性;其强度为当今纤维之最，是凯芙拉(Kevlar)纤维的1.4倍，高强碳纤维的3倍;密度为0.97 g/cm3，是高模碳纤维的1/2、芳纶的2/3。它具有良好的抗冲击性能，这是由于它韧性好、模量高，能量吸收性能好。此外，它还具有良好的耐切割性能、防弹性能［7］。它的能量吸收性能、抗冲击性能优于芳纶［10］。

1.4 苎麻纤维和竹原纤维

苎麻纤维长度长，横截面呈腰圆形，有中腔、裂纹，纵向有竖纹和横节等，在天然纤维中苎麻纤维的强度最大，也是麻类纤维中性能最好的［18］。竹原纤维作为新型的绿色环保纤维，它是纯粹利用机械、物理法将竹壁进行蒸煮而直接制成的，在制取过程中不含任何化学添加剂，也称作天然竹纤维。它的截面形态与苎麻纤维相似［29］，具有很好的吸湿透气性。

作为天然纤维，苎麻纤维和竹原纤维的一个突出特点是具有较强的抗菌和杀菌作用，其抗菌效果是任何人工添加化学物质所无法比拟的，天然、环保、持久、保健等特点与人工加工的抗菌纤维截然不同。因竹原纤维含有叶绿素铜钠，所以还具有很好的除臭作用和防紫外线功能［26］。

近年来国内外掀起了研究苎麻纤维、竹原纤维复合材料的热潮，主要是利用它们的天然、可降解、对环境友好、无污染等优点。针织复合材料的原料由合成纤维向天然纤维转变这一发展趋势符合创建环境友好型社会的标准。在研究过程中也利用了苎麻、竹原的其他一些特点，如苎麻价格便宜，竹原纤维抗菌除臭［30］，而且因它们都属于高性能的可再生资源，因此越来越多的人把它们作为针织复合材料的增强体来进行研究。但近年来研究的苎麻、竹原纤维针织复合材料是直接以纤维按相同方向或者不同方向铺层，层合复合的比较多，这是由于苎麻、竹原纤维强度大，织成织物再进行复合难度比较大。它们的应用潜力非常大，苎麻增强复合材料已广泛应用于民用和军事等领域，竹原纤维作为针织复合材料增强体，利用其除臭抗菌性能可应用在医学方面，意义重大。它们为天然纤维针织增强复合材料的研究添加了新内容。

2 基体材料

纺织复合材料的基体材料包括金属、无机非金属(合成树脂、陶瓷橡胶、碳、石墨等)和聚合物，到目前为止纬编针织复合材料大多属于聚合物基体复合材料［27］。基体的主要作用是传递载荷，保护增强体，阻止裂纹传递。聚合物基体材料分为两大类:热固性树脂和热塑性树脂。热固性树脂有酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂等;热塑性树脂有聚丙烯、聚酰胺、聚砜、聚氯乙烯、饱和聚酯树脂等［31］。目前对热固性树脂的研究比较多，常用的热固性树脂为不饱和聚酯树脂和环氧树脂;热塑性树脂中的聚丙烯是用于复合材料基体的最重要的聚烯烃，它的用途日益广泛，我国产量最大的热塑性树脂为聚氯乙烯［32］。

不饱和聚酯树脂适用于受力较小的制品中，其优点是价格低廉，固化物的综合性能好，工艺性也好，且品种丰富;缺点是强度、模量和耐热性较低，固化收缩率大。

环氧树脂收缩率低、力学性能好、形式多样、尺寸稳定、化学稳定性好，但其工艺性差、价格高。

热固性树脂易与增强体结合，固化温度相对较低，操作简单。热塑性树脂可重复加工，具有优异的抗冲击韧性、耐疲劳损伤性能，而且成本低、成型工艺简单，近年来发展较快［32］。

3 纬编增强体结构

随着纬编技术的发展，纬编织物的优越性越来越突出。目前，用于复合材料增强体结构的纬编针织结构有普通纬编结构、三维成型结构、间隔结构、轴向增强结构等，它们既可以作为热固性复合材料的增强体结构，也可以作为热塑性复合材料的增强体结构，还能作为柔性复合材料的增强体结构。

国内外研究比较多的普通纬编结构有单面纬平针［11-16，18，21，25-26］、双罗纹［12，15，26］、衬垫组织［11-12］、双面罗纹［14］、满针罗纹［12，22］、罗纹空气层［22，26］、畦编组织［12］、罗纹变化组织［12］等，它们主要由针织物基本线圈单元组成。上述组织已经有许多文献［33-34］论述过，这里不再赘述。

三维成型结构有箱形、管形、曲面形等，它们是由电脑横机编织的三维空心结构，基本结构是纬平针、罗纹、双罗纹等［12］。其主要特点是整体编织，纱线在结构中的连续性好，结构的力学性能比较均匀，整体性好。但生产效益低，一般的纤维编织比较困难。

间隔结构是两个独立的纬编针织结构由纱线或织物连接而形成的有一定厚度的三维结构［12］，是三维纺织品的一种，有半球形间隔织物、三维间隔织物等［11］。

轴向增强结构由针织纱和衬纱组成。针织纱常使用较柔软、较细的高强纱，衬经衬纬纱则使用较硬、较粗的高性能纱线。纬编轴向增强结构是由形成纬编地组织的针织纱捆绑衬经、衬纬纱形成的，具体来说有单轴向衬纬结构［11］、双轴向衬经衬纬结构［6-9，16-17］、多轴向结构、双轴向增强三维成型结构、双轴向增强间隔结构［33-34］。

双轴向衬经衬纬结构衬入的经、纬纱最少两层，最多五层，经纬纱可交织，也可不交织，要用专门的机器编织。多轴向结构也有交织和不交织两种。双轴向增强三维成型结构是把成型结构和衬经衬纬技术复合在一起，提高了复合材料的力学性能。双轴向增强间隔结构是在纬编间隔针织物两个表层结构中衬入经、纬纱，形成夹心结构，从而提高表面结构的力学性能。上述五种结构的主要缺点是生产效率低、成本高，但由于其力学性能高，能量吸收性能好，因此具有很好的应用前景。

4 结语

本文对纬编针织复合材料的增强体原料、基体材料和增强体结构进行了综述，结果表明纬编针织复合材料具有很好的发展前景。在原料方面，使用的原料更加广泛，不仅有化纤材料，而且还有天然纤维，如苎麻、竹原纤维等，利用天然纤维固有的除臭抗菌、抗紫外线，天然、环保、持久、保健等特点，在医学方面有很大的应用前景。在结构方面，鉴于三维成型结构、间隔结构、轴向增强结构生产效率低、成本高，目前的发展方向是改进和发明新的生产设备，提高生产速度，向低成本方向发展。轴向增强结构向多轴向多层衬纱方面发展，将纬编全成型技术与衬经衬纬技术很好地结合，生产力学性能优异、形状复杂的结构，也是一个很好的发展方向。此外，也可以将衬经衬纬技术与其他技术结合，生产性能优异的复合材料。

纬编针织复合材料由于其良好的适型性、力学性能，特别是能量吸收性能、抗冲击性能等，在各个领域越来越受到人们的深入研究和应用，正在从实验室走向实践应用。当今社会，人们追求绿色、自然、环保的环境，纬编针织复合材料的发展符合时代的要求，创造环境友好型社会。

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