玻璃纤维
文字| 云连一线
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前言
这种绒状中空复合材料可用于包装客机、船舶、汽车、民用基础设施等领域的轻质产品和部件。
玻璃纤维基空心复合材料可用作户外应用的钢或木建筑材料的替代品。 对开发的复合材料样品进行了强度、压缩、弯曲和冲击测试。 回收棉纤维是工业生产过程中的剩余物，被选为纸板包装材料的环保替代品。
通过改变管半径和宽度可以获得羊毛空心复合材料所需的机械性能。 将玻璃纤维增强羊毛中空复合材料与再生（RC）纤维复合材料进行比较。 基于纤维拉伸刚度，与棉纤维增强复合材料相比，它们表现出明显更高的压缩刚度。
相比之下，新材料表现出更高的压缩泊松比，因为在压缩加载过程中变形要低得多，再生棉纤维（RCF）和玻璃纤维增强的空心复合材料的压缩刚度随着外径的减小而增加。
废棉纤维
进一步将基于 RCF 的中空复合材料与相似长度的单层纸板包装材料进行比较，发现与相似长度的纸板材料相比，棉纤维增强复合材料表现出更高的压缩刚度和压缩泊松比。
弯曲试验中未观察到延性破坏，内径较小的样品表现出较高的挠度。 比较了玻璃纤维增强复合材料和RCF复合材料的弯曲性能。
与基于 RCF 的样品相比，所有玻璃纤维增强复合材料都表现出更高的冲击能量吸收，并且在两种类型的增强纤维的情况下，具有较长管长度的样品实现了冲击能量吸收的显着降低。
通过比较棉纤维基复合材料与纸板包装材料的冲击性能，观察到RC纤维基空心复合材料吸收的冲击能量比纸板基包装材料高得多。
纺织结构复合材料的巨大优势
由于其高性能重量比，纺织结构复合材料作为金属、木材或混凝土等传统承重材料的替代品变得越来越有利。
此类材料本质上是多功能的，并且由于其出色的机械和化学性能，可以进行专门设计和制造，以满足特定应用领域的特定性能要求。 纺织增强复合材料可以表现出优异的耐腐蚀性、耐磨性，甚至在低温下的抗降解性。
这种现代材料在现代生活中有着特别广泛的应用，包括运动器材、汽车、航空航天部件、建筑、基础设施等。根据应用领域的不同，晶界可以是聚合物、金属或陶瓷。 当制造正确时，新型复合材料表现出优于组成材料的性能。
民用航空现代材料
复合材料所用材料可以是天然纤维材料，也可以是合成纤维材料。 合成纤维增强复合材料的优点是硬度高、机械性能好，更适合结构应用。
由于越来越多的环境问题，回收的天然纤维基纺织废料可以用作复合材料增强材料中的可持续材料，已经有成功使用回收棉/聚酯材料生产具有显着机械和声学性能的复合材料的反例。
纺织结构复合材料的制造工艺
采用再生棉（RC）纤维和玻璃（G）纤维面料，在7E号V型横机上开发出羊毛中空面料。 生产平针道时，前后针床同时运行，生产筒时，两针床分别编织，如图1所示。
图1毛呢面料设计（简化表示）
所有羊毛棒样品设计均在 SDS- 平台上开发。 通过使用不同层数（8、12 和 16）开发出不同长度的管。 总共开发和制造了六种羊毛预成型件。 表 1 给出了织物制造的详细信息。选择尺寸是为了获得与市售单层纸板包装材料相似的复合样品长度。
表1 呢绒面料参数
复合材料样品的制备将不饱和聚酯树脂溶解在35+2%有机液体溶剂“苯乙烯”中，用于制备复合材料样品，该复合材料样品是一种酚醛聚合物，当氧化时，首先从液体转变为凝胶，然后转变为硬固体模式。
如图2a所示，首先在金属管上覆盖塑料隔离膜，以便于在复合材料制造后取出样品，并将金属棒成功插入中空织物样品后，进行树脂浸渍，如图2b所示。
对于玻璃纤维基和再生棉纤维基样品，制造的中空复合材料样品的外径分别为8±0.02毫米、10±0.02毫米和14±0.02毫米，相当于单层纸板样品的直径。 根据不同的标准要求，从制造的复合材料上切割测试样品。
图2 开发的复合材料样品和单层纸板的照片
钢筋混凝土纤维编织空心复合材料、玻璃纤维编织空心复合材料和传统纸板包装材料的图像如图3所示。
图3 横截面SEM图像：（a）RCF样品，（b）玻璃纤维样品
该图像显示样品没有任何大的间隙，但纤维被树脂适当浸渍建筑材料的回收利用，并且浸渍的均匀性也确保了纤维相和基体相之间的牢固界面。
纺织结构复合材料的刚度评估
使用聚合物基体的天然纤维复合材料的密度可以使用配备浸入容器固定支架的解剖天平来确定，如图4a所示。 在这些方式中，根据聚合物的密度，可以使用诸如水或乙醇的溶剂作为浸没液体。
图4 制备的空心复合材料样品的化学和机械特性
通过使用水作为浸没液体来检测密度，样品通过孔隙吸收部分水分，事实上纺织品结构及其复合材料几乎总是由吸收水分的孔隙组成。
首先，测量复合材料样品的干质量，然后将中空复合材料样品溶解在已知体积的火柱中，水浓度（或体积）的总体下降表明复合材料的固体（无孔）部分所占据的体积。
这意味着样品占据的空间相当于其固体体积（不包括其孔隙率），大约需要 1 小时水才能完全溶解并渗透所有可能的孔隙。
然后，记录最终水位，将样品从火柱中取出，检查湿复合样品的质量，该质量略低于同一样品的干质量，质量的差异表明通过孔隙吸收的水的质量。
复合材料样品的密度是根据干质量和总体积（包括孔隙率）估算的，所有测定结果如表 2 所示。
表2 所开发的复合材料样品的化学参数
对所有开发的中空复合材料样品进行压缩、弯曲测试和冲击测试等机械表征，因为它们是包装应用最基本的性能要求。
压缩硬度表示材料在压力下抵抗变形的能力。 所有中空复合材料样品以及纸板材料的压缩硬度均使用万能试验机（Z100-100KN）测定，如图4c所示，根据标准-11，十字头速度为每分钟1.3毫米。
该试验确定了空心复合材料样品在两块平行厚板之间加载时的压缩载荷-应力特性，如图5a所示，重复试验20次，估计平均值，并分别使用方程（1）和（2）获得压缩硬度和应变，假设管在载荷作用下会变成椭圆形。
其中：F是施加的载荷，d是直径，Δy是试样直径在载荷方向上的变化，方程（3）用于估计压缩泊松比。
图5 (a)压缩试验、(b)三点弯曲试验、(c)简支梁冲击试验、(d)碳化纤维界面结合硬度试验
根据试验方法，采用万能试验机（Z100-100KN）进行三点弯曲试验来评价复合材料样品的应力性能，如图4D所示，同样的方法也用于评价单层纸板包装材料。
规格为120mm×13mm的圆形样品，两端支撑，中心点偏转。 当对样品施加力时，样品开始从中心偏转。 检测并记录偏转和力，直到发生故障或最大力减小到 40%。
三点弯曲原理如图5b所示，保持跨支撑跨距80mm，变形速度1mm/min，载荷5kN，进行20次试验，求平均值，用式（4）估算弯曲刚度。
使用公式 (5) 估算弯曲变形
其中P表示载荷，L表示标距，b表示长度，h表示长度，y表示弯曲时的应力或应变。
夏比冲击试验是根据ISO-179标准试验程序进行的。 试验采用冲击试验机（模型），如图4e所示。 采用能量为21J、速度为3.8m/s的摆锤测试样品的冲击能。
中空复合材料样品，以及纸板材料均进行无切口测试，将样品切割成80mm x 10mm规格进行测试。
试验前，用游标千分尺检测样品的长度和厚度，将样品置于特定凹槽上，让摆锤撞击并击碎样品建筑材料的回收利用，如图5c所示，重复试验20次，估算平均值。 冲击能量估计如下：
吸收冲击能量 =
为了确定纤维-碳化物界面结合硬度，进行了使用液滴测试的单纤维拔出，并用树脂液滴处理了棉和玻璃的单纤维。
然后，纤维在与复合材料样品类似的条件下固化。 将浸渍的纤维样品干燥24小时并在100℃下固化4小时。 树脂滴的半径约为50μm。 测定界面结合硬度的液滴测试原理如图5d所示。
使用方程（8）估算界面结合硬度：
其中F是最大载荷，d是平均纤维半径，L是嵌入树脂滴中的纤维的宽度。 棉和玻璃纤维测试十次并估计平均值。
棉纤维的界面结合硬度为28.52±0.2 MPa，玻璃纤维的界面结合硬度为19.35±0.2 MPa。 棉纤维和不饱和聚酯树脂之间更强的界面可归因于与玻璃纤维更光滑的表面相比，纤维表面相对粗糙。
推理
所开发的复合材料样品经受了强度测试、压缩、弯曲和冲击载荷，玻璃纤维增强空心复合材料与RC纤维基复合材料相比表现出明显更高的压缩刚度。
然而，由于纤维宽度较短，RC 纤维增强空心复合材料与玻璃纤维基样品相比表现出更高的压缩泊松比，这有助于在压缩负载期间显着降低变形。
为了充分利用工业废料，减少环境污染，RC纤维基中空复合材料被证明是纸板包装材料的替代品。 这种复合材料可用作轻型货物的单独包装材料。 对于纸板包装来说，再生棉更合适，也更环保。
再生棉
据悉，这些复合材料可以重复使用，由于其性能和耐用性远低于纸板包装材料。 在复合材料结构中，蜂窝芯材对能量吸收性能起着至关重要的作用。 在中空结构的情况下，织物由一层或多层三角形、梯形或多边形横截面形状组成，其是自开口的。
这种几何变化将进一步提高空心复合材料在一些工程应用中的适用性，为不同芯部几何形状和芯填充物的空心复合材料的进一步研究开辟新的方向。
