苎麻织物与玻璃织物的力学性能研究

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摘要：本文主要通过织物拉伸断裂强力试验，结合织物本身的结构，分析影响其力学性能的因素，对苎麻布与玻璃纤维布的力学性能做了研究。试验结果表明，纱线支数和织物单位面积克重（厚度）是分别影响苎麻布、玻璃纤维布拉伸强度的最主要因素。玻璃纤维布的比强度经纬向平均值为45.387 MPa/( g/cm3)，接近于苎麻布的33.226 MPa/( g/cm3)，苎麻布在比力学性能方面与玻璃纤维布相当。

关键词：苎麻布；玻璃纤维布；力学性能；纺织复合材料

在过去十几年中，天然纤维凭借优良的力学性能、巨大的生产优势、对化学物质的抵抗性以及其低成本低密度的优势逐渐引起了各国人民对它的研究兴趣[1-2]。我国有着丰富的苎麻资源，作为天然纤维的一种，苎麻纤维因其优良的冲击性能、抗拉强度、较高的比模量和很小的比重、可循环利用等优点，适合用作复合材料的增强材料[3]。但由于其力学、化学性能等较差，目前整体的应用仍十分有限。相比来看，玻璃纤维增强复合材料在各类产业中的运用则更加广泛。例如SMC与GMT（玻璃纤维毡增强热塑性片材）模压汽车零部件、高压玻璃钢管、CNG（压缩天然气）瓶等产品已有长足发展[4]。然而玻璃纤维复合材料在生产制造中污染较大，在注重环保的今天其大规模应用也有一定的局限性。

目前对于两种不同增强材料的力学性能的比较研究尚不深入。由于材料的拉伸性能是反映材料力学性能的重要指标，同时材料拉伸性能与材料其他力学性能之间有一定正相关关系，一般可以用材料拉伸性能的优劣来大致表征材料力学性能的高低[4-5]，故本文对苎麻布与玻璃纤维布的力学性能进行了深入的研究，以此比较二者的力学性能。

1试验

1.1材料

三种不同规格的苎麻布（湖南岳阳洞庭集团生产）：经纬密不同的苎麻布1（28tex×28tex）和苎麻布2（28tex×28tex），苎麻布3（42tex×42tex）。

两种玻璃纤维布的规格是：玻璃纤维布1的经纬密度16×14，玻璃纤维布2的经纬密度是30×25。

1.2方法和仪器

1.2.1苎麻布及玻璃纤维布经纬密度测试试验

本试验参照ASTM D 3375―2003a 机织物经纬密度的标准试样方法。

试验仪器：Y511B型织物密度镜。

试验步骤：1）将苎麻布平展地铺开在实验台上，并用重物固定四角。2）确定对角线。在织物中确定一条对角线，并在对角线上任意取5个点。3）通过织物密度镜，在指定点观察并统计宽度为25 mm、长度为25 mm的经纬纱根数。

1.2.2苎麻布及玻璃纤维布织物单位面积重量测量试样试验

本试验参考ASTM D 3776―1996(2002)中织物单位面积质量（重量）的测量方法，目的是求出每种织物的密度，从而结合断裂的应力计算出每种织物的比模量。

试验仪器：主要采用JA3003电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）。

试样准备：根据标准的要求，在每种试样中剪下120mm×120 mm的样品，并将其分为60 mm×60 mm的4块样品，要求剪裁准确。

试验方法：1）将准备好的小样分别称量，并记录试验数据。2）通过计算公式计算单位面积重量。

通过计算得出苎麻布的平均密度1.5 g/cm3，玻璃纤维布密度取2.5 g/cm3。

1.2.3苎麻布及玻璃纤维布的断裂强力伸长测试

本试验参考ASTM D 5035―1995(2003) 纺织织物断裂强力和伸长的标准 [Standard Test Method for Breaking Force and Elongation of Textile Fabrics(Strip Method)]。

试验仪器：采用美国INSTRON公司生产的万能强力测试机（system ID number 3369P9522），使用配套的1kN钳口。

试样准备：1）剪裁宽35 mm、长150 mm的样品经纬向各5个。2）两边扯去数量基本相等的纱线，使样品宽度为25 mm。

试验方法：1）设置仪器的跨距 （75±1）mm，拉伸速度（300±10）mm/min，预张力调整为2 N。为了达到试验标准的要求，将气泵调整到90 PSI（PSI英文全称为Pounds per square inch，表示磅/平方英寸，是一个压强的单位，90PSI指的是钳口对材料的夹持压力的大小），并要保证样品在两钳口夹持状态下的垂直度。

试验结束后，各试样的断裂情况如图1所示。

(a)

(b)

图1苎麻布（a）与玻璃纤维布（b）拉伸断裂情况比较

2结果与分析

2.1苎麻布经纬密度和纱线支数对力学性能的影响

三种苎麻织物及玻璃纤维布的经纬密度测试结果见表1。表2 是苎麻织物的拉伸测试结果。

为了了解织物的经纬密度对织物力学性能的影响，在强力试验之前测试了各个织物的经纬密度。结合苎麻布1、苎麻布2在万能强力测试机拉伸测试的结果（见表2），总体来说，对于同样的材质，采用同种纱支纱线织造的织物，不同的经纬密度对织物的力学影响不是很大。经纬密度较大的苎麻织物只是其断裂伸长率稍大于经纬密度较小的一组，在其他方面的差距并不是很明显。

而对比经纬密度较为接近的苎麻布1与3，则苎麻布3的力学性能优于苎麻布1。所以，在同种经纬密度下，纱支较细的织物，其拉伸应力更大。

2.2玻璃纤维布经纬密度、织物厚度对力学性能的影响

比较两种不同规格的玻璃纤维布，得到了以下的结果（见表3）。

由表1可知，两种玻璃纤维布的经纬密度是存在差异的，玻璃纤维布2的经纬密度都大于玻璃纤维布1，而分析拉伸结果可知，2号玻璃纤维布的断裂伸长率高于1号玻璃纤维布，就拉伸应力来看二者的经纬向表现各不相同，而且差距并不是很大，通过比较最大值载荷可知，1号玻璃纤维布的力学性能略强于2号。所以，经纬密度并不是影响玻璃纤维布力学性能的主要因素。

进一步探索可知，玻璃纤维布1号的厚度为0.18 mm，玻璃纤维布2号的厚度为0.14 mm，可知玻璃纤维织物的力学性能与其厚度有着很密切的联系，厚度越大，其力学性能越好，与经纬密度关系不大。

2.3苎麻织物与玻璃纤维织物力学性能的对比

为了试验试样的可比性提高，选取同种纱支不同经纬密度的苎麻布与玻璃纤维布力学性能进行对比。对比主要在断裂强力、断裂伸长率、模量、比模量、比强度5个方面进行。结果见表4。

表4显示，两种苎麻布在断裂伸长率、拉伸应力方面与玻璃纤维布差距较大，二者应力峰值分别为45.080 MPa和157.302 MPa，有明显差距（见图2）。这主要是由于二者纤维本身断裂强力存在明显差距，资料显示，苎麻纤维的杨氏模量为178 cN/dtex[6]，而玻璃纤维的单纤拉伸断裂应力则为3.7 MPa[7]。所以在后期的纺纱织造过程中，如果没有特殊的工艺处理，苎麻织物的强力自然不如玻璃纤维。这也是阻碍苎麻布作为纺织复合材料增强材料的主要原因之一。

苎麻织物与玻璃纤维织物的断裂伸长率也存在着较大的差距。玻璃纤维布的断裂伸长率高于苎麻布46.26%~61.75%，其值越大，表示玻璃纤维织物在断裂时的变形程度越大。表中的数据显示，苎麻布2的经向和纬向的模量变化较大，但根据之前的测试结果，苎麻布2无论是经纬密度还是经纬纱的细度都是相等的，所以，经纬向模量的差异可能是由于制造过程中对经纬纱不同的处理，或其他因素造成。这一点还有待继续研究。

比较二者的模量，苎麻布的模量相比玻璃纤维布低51.83%~80.09%，由于模量表示的是材料在拉伸时的弹性，所以可以判断的是，玻璃纤维织物的弹性强于苎麻纤维织物。

比模量表示的是材料的承载能力，值越大，表示材料的力学性能越优越。就比模量来说，玻璃纤维织物优势并不是十分明显。苎麻布2的纬向比模量已经接近玻璃纤维布1的纬向比模量。

在比强度方面，苎麻织物也显示了它的优势。特别是苎麻布2纬向比强度，已经超过了玻璃纤维布纬向比强度的15.35%。如果通过适当的方法将苎麻布加以改性处理，其比强度完全可以超过玻璃纤维布。这一优势在纺织复合材料中将有很大的发展空间。因为在复合材料领域，如果利用苎麻布来取代玻璃纤维布作为纺织复合材料的增强材料，取代后材料的重量会显著降低。

鉴于以上分析，可以通过纺织工艺的调整，化学改性等多种方法来提高苎麻织物的比强度，改善其阻燃性、导热性等化学性能，进而进一步缩小苎麻织物与玻璃纤维织物间的力学性能差异，提高苎麻织物在纺织复合材料等领域应用的可行性。

3结论

通过对相同纱支数、不同经纬密度的苎麻布进行力学测试发现：苎麻织物的力学性能与经纬密度关系不大，而与纱线支数有关。苎麻织物的拉伸应力不及玻璃纤维织物，但苎麻织物的比模量已经接近玻璃纤维织物，比强度也接近甚至超越玻璃纤维织物。由于苎麻纤维织物本身材质的限制，其力学性能与玻璃纤维织物还有差距，但苎麻织物会以其独具的优势在未来有更为广阔的应用前景。

参考文献：

[1] V. Cyras , S. Iannace, J. Kenny, A. Vazquez. pos[J] .Natural fiber eco-composites.2011(22):104.

[2] M.A. Khan, M.M. Hassan, L.T. Drzal, Compos[J] Sustainable Bio-Based Structure Materals. 2005(1):36.

[3]Herrer Franco P.Development and characterization of a HDPECsand natural fiber composite[J].Composite Part B.1997,28:330-335.

[4]张贵学,陈博,张凤翻,等.我国复合材料工业的发展概况[J].玻璃纤维，2009,6(33):10-13.

[5]S. Goutianos, T.Peijs, B. Nystrom, Development of flax fiber based textile reinforcements for composite applications[J]. Applied Composite Material, 2006,13: 199C215.

[6]张萍，许兰杰，张夏.纺织材料学[M].北京：中国轻工业出版社，2008.

[7]姚穆.纺织材料学 [M]. 北京: 中国纺织出版社，2009.

（作者单位：天津工业大学）

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