滌綸織物/PVC復合材料的動態機械性能及其在界面評價中的應用

普丹丹 張富豪

摘要： 為探究織物表面處理對滌綸織物/聚氯乙烯（PVC）復合材料界面黏結性能的影響，文章采用不同處理方法得到了三種不同表面性質的滌綸織物，通過接觸成型技術制備了滌綸織物/PVC復合材料，并對復合材料的動態機械性能和剝離強度進行分析。研究發現，滌綸織物的表面性質對滌綸織物/PVC復合材料界面性能有顯著影響，三種復合材料的阻尼因子的峰值分別為0.53、0.49、0.40，剝離強度的的平均值分別為0.408、0.537、0.663 N/mm。復合材料動態機械性能的分析結果與剝離強度具有很好的一致性。

關鍵詞：

滌綸織物;PVC復合材料;動態機械性能;界面黏結;阻尼因子;剝離強度

中圖分類號： TS101.8;TQ342.2

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2021）10-0018-05

引用頁碼： 101104

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.10.004（篇序）

Dynamic mechanical properties of polyester fabric/PVC composites and theirapplications in interface evaluation

PU Dandan， ZHANG Fuhao

（School of Textiles， Henan University of Engineering， Zhengzhou 450007， China）

Abstract：

In order to investigate the effect of surface treatment on the interfacial bonding properties of polyester fabric/PVC composites， three kinds of polyester fabrics with different surface properties were obtained by using different treatment methods. The contact molding technology was used to prepare polyester fabric/PVC composites， and the dynamic mechanical properties and peeling strength of composites were analyzed. It was found that the surface properties of polyester fabric had a significant impact on the interfacial properties of polyester fabric/PVC composites. The peaks of damping factors of the three composites were 0.53， 0.49 and 0.40， respectively. The average peeling strength of the three composites were 0.408， 0.537， 0.663 N/mm， respectively. The analysis results of dynamic mechanical properties of the composites were in good agreement with the peeling strength.

Key words：

polyester fabric; PVC composites; dynamic mechanical properties; interfacial bond; damping factor; peeling strength

收稿日期： 2021-03-02;

修回日期： 2021-09-09

基金項目： 河南省科技攻關計劃項目（162102210100）

作者簡介： 普丹丹（1982），女，講師，博士，主要從事紡織復合材料的研究。

滌綸織物/聚氯乙烯（PVC）柔性復合材料是20世紀中后期出現的一種新型結構復合材料。它具有質量輕、強度高、施工速度快等優點，被譽為“21世紀現代綠色建筑材料”[1-2]。滌綸織物/PVC柔性復合材料在實際應用中經常會受到很多因素的影響，比如季節輪回引起環境溫度的變化，風力作用引起載荷大小的變化，從而發生疲勞、破壞。因此，為了更加合理和實用的設計，研究滌綸織物/PVC柔性復合材料的機械性能十分必要。

當前研究人員對滌綸織物/PVC柔性復合材料的機械性能方面取得了重大進展，包括基本力學性能、界面黏結性能、耐久性能等。許珊珊等[3]對涂層織物膜材料進行了不同溫度下的單軸拉伸試驗和循環拉伸試驗，對涂層織物膜材料的拉伸強度、剪切強度和撕裂強度進行了統計分析，提出了涂層織物膜材料的本構模型。侯佳佳等[4]對滌綸高密雙軸向經編增強PVC膜材黏彈性本構關系進行了研究，提出滌綸高密雙軸向經編增強PVC膜材具有典型的黏彈性行為，而且應力水平對PVC膜材的靜態黏彈性有顯著影響。蘭竹等[5]對機織層壓類柔性復合材料界面黏結性能開展了研究，指出環境溫度對機織層壓類柔性復合材料界面黏結效果也有不同程度的影響。但目前的研究主要集中在靜態力學性能方面，對滌綸織物/PVC柔性復合材料的動態力學性能的研究相對較少，難以反映在實際應用中環境變化對滌綸織物/PVC柔性復合材料性能的影響。因此，研究滌綸織物/PVC柔性復合材料的動態機械性能對其長期服役行為具有重要意義。

動態機械性能分析（DMA）是一種非常有用的基于黏彈性研究材料力學行為的技術，被廣泛應用于評價各種材料的動態力學行為，還可以應用于非均相聚合物體系界面特性的測定[6-7]。本文主要采用DMA對滌綸織物/PVC復合材料在低溫環境下的動態黏彈性進行分析，并通過Cole-Cole曲線對織物表面改性處理改善滌綸織物/PVC復合材料的界面黏結在低溫環境下的有效性進行了驗證，以期將DMA研究應用于復合材料的界面結合性能評價中，為滌綸織物/PVC復合材料界面性能的評價提供一種新的方法。

1 試 驗

1.1 材 料

滌綸織物（平紋組織，經緯絲線規格均為55.56 tex/96 f，經緯向密度均為120 根/10 cm）（浙江金匯特材料有限公司），聚氯乙糊烯樹脂（PVC，牌號P450，聚合度1 000±150）（上海氯堿化工股份有限公司），氫氧化鈉（NaOH，分析純）（杭州高晶精細化工有限公司），表面活性劑1227（工業級）（杭州科峰化工有限公司），抗靜電劑SN（工業級）（江蘇省安海石油化工廠），檸檬酸三丁酯（TBC，98%）、環氧大豆油（ESO，化學純）（阿拉丁試劑有限公司），SiO2/TBC上漿劑（自制）。

1.2 方 法

1.2.1 滌綸織物/PVC復合材料的制備

1） 將滌綸織物放入NaOH質量濃度為3 g/L、抗靜電劑SN質量濃度為2 g/L的混合溶液中，浴比1︰100，在50 ℃條件下超聲清洗30 min，然后用去離子水多次沖洗，放入60 ℃的鼓風烘箱中處理3 h，冷卻后儲存備用，命名為PF織物。

2） 將PF織物放入NaOH質量濃度為10 g/L、表面活性劑1227質量濃度為1 g/L的混合溶液中，處理溫度90 ℃，浴比1︰100，時間50 min。再經過熱水、冷水反復洗滌，直至pH值小于8。然后放入烘箱60 ℃下干燥3 h，冷卻后儲存備用，命名為PF-1織物。

3） 將PF-1織物放入實驗室自制的SiO2/TBC上漿劑中密封，浸漬30 min后取出，在潔凈的空氣中干燥48 h，該樣品命名為PF-2織物。

4） 采用接觸成型法制備滌綸織物/PVC復合材料。先將PVC、TBC和ESO按照質量比100︰130︰7混合為均勻的樹脂糊混合物。然后將制備的樹脂糊混合物澆注在滌綸織物上面，在165 ℃的烘箱中烘燥6 min，冷卻后反復進行接觸成型工藝，保證所有復合材料試樣的厚度在0.85～0.88 mm。

1.2.2 動態機械性能測試

動態力學試驗是測量材料在受到正弦或其他周期性應力而變形時的響應[8]。材料的動態特性由儲能模量（E′）、損耗模量（E″）和阻尼因子（tan δ）表示，它們與溫度、時間和頻率有關[9]。

采用Q800型動態力學分析儀（美國TA儀器公司）對滌綸織物/PVC復合材料的儲能模量（E′）、損耗模量（E″）和阻尼因子（tan δ）進行測試。測試在拉伸模式下進行，測試溫度為-100 ℃～0 ℃，升溫速率為10 ℃/min，預加張力為0.1 N，測試頻率為1 Hz。測試樣品的寬度為12 mm，每種復合材料準備5個樣品進行測試，取平均值。

1.2.3 剝離強度測試

滌綸織物/PVC復合材料的界面黏結性能可采用剝離強度進行表征。根據FZ/T 01010—2012《涂層織物涂層剝離強度的測定》，利用美國英斯特朗Instron 3367萬能材料試驗機對滌綸織物/PVC復合材料的剝離強度進行測試。測試在溫度為（21±2） ℃和相對濕度為（65±5）%的條件下進行，夾持隔距為30 mm，速率為100 mm/min。測試結束后計算剝離區域后80%的中值作為測試結果。每種樣品測試5次，計算平均值及標準偏差。

2 結果與分析

2.1 儲能模量

儲能模量（E′）表示復合材料黏彈性中的彈性成分，與復合材料的承載能力有關。它反映了復合材料的黏彈性剛度，并與每個變形周期后所儲存的能量成正比。三種滌綸織物/PVC復合材料在1 Hz頻率下的儲能模量隨溫度的變化如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著溫度的升高，三種滌綸織物/PVC復合材料均呈現儲能模量逐漸下降的過程。復合材料的DMA曲線呈現出兩個不同的區域：玻璃態區域和橡膠態區域。玻璃態區域低于玻璃化轉變溫度（Tg），橡膠態區域高于Tg。在玻璃態區域，聚合物分子鏈各種運動單元不能自由運動，分子鏈段呈緊密、有序的排列狀態，導致高儲能模量。隨著溫度的升高，聚合物分子鏈段變得自由，分子鏈段失去了緊密、有序的排列結構，導致材料剛度和儲能模量的損失[10]。在玻璃態，三種復合材料的儲能模量相差不大，但在橡膠態，經過處理的PF-1織物/PVC復合材料和PF-2織物/PVC復合材料的儲能模量均比未經過表面改性的PF織物/PVC復合材料的儲能模量高。儲能模量高表明材料的彈性好，材料存儲彈性變形能量的能力強，應力去除后回復原來形變的能力強[11]。分析認為這是由于經過織物表面改性處理后，滌綸織物/PVC復合材料界面上纖維/基體的相互作用更好，材料的分子遷移率降低造成的。

2.2 損耗模量

損耗模量（E″）表示材料的黏滯響應，與材料內部黏滯運動耗散的能量有關。損耗模量的最大值對應的溫度可以反映復合材料體系的玻璃化轉變溫度（Tg）[12]。圖2為三種滌綸織物/PVC復合材料的損耗模量隨溫度的變化曲線。從圖2可以看出，復合材料的損耗模量差異不大，均隨溫度的升高先增大后減小。

2.3 阻尼因子

阻尼是研究纖維增強聚合物復合材料動力性能的一個重要參數，定義為損耗模量（E″）與儲能模量（E′）之比。在一個動態加載循環中，它是消耗的能量與儲存的能量之比。影響復合材料阻尼的因素包括基體和纖維的性質、基體與纖維間界面的性質、由于纖維/基體界面滑移或分層引起的摩擦阻尼、基體裂紋和損傷部位的能量耗散阻尼、黏塑性阻尼和熱彈性阻尼[7]。三種滌綸織物/PVC復合材料的阻尼因子隨溫度變化的典型曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，與處理后的滌綸織物/PVC復合材料相比，未處理的滌綸織物/PVC復合材料具有更高的tan δ峰值。這是由于在較弱的未經處理的纖維/基體界面摩擦阻尼引起的能量耗散較大。當由纖維（本質上是彈性的）、聚合物基體（黏彈性的）和纖維與基體界面組成的復合材料受到變形時，變形能主要耗散在基體和界面中。如果復合材料中基體、纖維體積分數和纖維取向是相同的，則tan δ可用于評價纖維與基體的界面性能。纖維/基體界面黏結較差的復合材料比界面黏結良好的復合材料耗散更多的能量，即界面黏結不良導致阻尼較大[13-14]。PF織物/PVC復合材料、PF-1織物/PVC復合材料、PF-2織物/PVC復合材料阻尼因子的平均峰值分別為0.53、0.49、0.40。在α=0.05水平下，分別對PF織物/PVC復合材料與PF-1織物/PVC復合材料的兩組數據及PF-1織物/PVC復合材料與PF-2織物/PVC復合材料的兩組數據進行T檢驗，得知任兩組數據均具有顯著性差異。三種復合材料中，PF-2織物/PVC復合材料阻尼因子的峰值最小，表明PF-2織物/PVC復合材料具有最好的界面黏結，良好的界面結合性能降低了界面處能量的損耗，有利于增強復合材料的機械性能和剝離強度。這主要是由于上漿處理改善了滌綸織物與PVC基體的浸潤性，增大了基體浸潤纖維的表面積，同時也增加了滌綸織物表面與PVC基體之間的相互作用點，增強了織物與基體之間的機械鎖合。此外，阻尼因子峰值的降低也代表復合材料具有良好的承載能力[15]。

從圖3還可以看到，與PF織物/PVC復合材料、PF-1織物/PVC復合材料相比，PF-2織物/PVC復合材料的tan δ峰更寬，這表明PF-2織物/PVC復合材料在界面區域發生了分子弛豫。

2.4 黏結因子

利用纖維/基體界面的黏結因子（A）可以驗證表面改性對滌綸織物/PVC復合材料界面黏結性能的影響，較低的黏結因子表明纖維與基體之間存在較大的相互作用[15]。黏結因子（A）可通過下式計算得到。

A=11-Vftan δc（T）tan δm（T）-1（1）

式中：Vf為復合材料中纖維的體積分數，%;tan δc（T）為復合材料在溫度T時的tan δ的值;tan δm（T）為基體在溫度T時的tan δ的值。

本文中的三種復合材料PF織物/PVC復合材料、PF-1織物/PVC復合材料和PF-2織物/PVC復合材料，Vf相同，tan δm（T）相同，根據式（1）可知，tan δc（T）越小，黏結因子（A）越小。PF-2織物/PVC復合材料的tan δc（T）最小，所以PF-2織物/PVC復合材料的黏結因子最低，表明PF-2織物/PVC復合材料中纖維與基體的相互作用最大。

由于纖維與聚合物樹脂復合后，會導致聚合物網絡交聯，從而引起材料的結構發生變化[16]。為了進一步探究滌綸織物/PVC復合材料體系的微觀結構與界面黏結性能的關系，還可以通過Cole-Cole法來進行分析。Cole-Cole法是通過把材料的損耗模量（E″）數據繪制成儲能模量（E′）的函數，從而得到Cole-Cole曲線。Cole-Cole曲線是一種通過動態機械性能的數據來表征聚合物材料黏彈性特性的好方法，其反映復合體系在熔體狀態下的松弛狀態和相分離程度。對于不相容的復合體系而言，由于不同相材料的松弛過程不同，復合體系的Cole-Cole曲線通常是兩個半圓或不規則的半圓[17]。Devid等[18]報道了一個均相聚合物體系，給出了一個規則的半圓Cole-Cole曲線。Aziz等[19]、Cai等[20]得到了聚合物復合材料的不規則半圓Cole-Cole曲線，這表明體系的非均質性與不同相材料的松弛過程的差異有關。

本文中三種復合材料的Cole-Cole曲線如圖4所示。從圖4可以看出，三種滌綸織物/PVC復合材料試樣的Cole-Cole曲線均為不規則半圓，表示三種滌綸織物/PVC復合材料體系均具有非均質性。非均質體系的松弛過程差異越大，表明纖維/基體體系的相容性越差，界面黏結越差[21]。從圖4還可以看出，PF織物/PVC復合材料、PF-1織物/PVC復合材料、PF-2織物/PVC復合材料的Cole-Cole曲線的寬度依次減小，表明復合體系中不同相間松弛過程的差異依次減小，復合體系的界面黏結依次增強。同時，這一結果也表明表面改性有效改善了滌綸織物/PVC復合材料的界面黏結。

2.5 剝離強度

三種滌綸織物/PVC復合材料試樣的典型剝離曲線如圖5所示。從圖5可以看出，PF-2織物/PVC復合材料的剝離曲線的上下波動比其他兩種復合材料的劇烈。這表明PF-2織物/PVC復合材料的剝離強度的均勻性比其他兩種復合材料的差。分析認為這種現象是由于PF-2織物/PVC復合材料界面交聯點分布不均勻造成的。

滌綸織物/PVC復合材料的剝離強度測試結果如表1所示。

從表1可以看到，改性后PF-2織物/PVC復合材料的剝離強度達到了0.663 N/mm，高于PF-1織物/PVC復合材料的剝離強度0.537 N/mm，并且對兩組數據在α=0.05水平下進行T檢驗，得知該兩組數據具有顯著性差異，這充分說明了上漿處理明顯提高了滌綸織物/PVC復合材料的剝離強度。PF織物經堿減量處理后，纖維表面呈現點式凹坑，使得纖維的比表面積增大，即與PVC接觸面積增大，增大了復合界面，經復合后材料的黏結性能相應提高。較經過去油處理的PF織物/PVC復合材料的剝離強度0.408 N/mm，PF-2織物/PVC復合材料的剝離強力提高了62.50%。滌綸織物/PVC復合材料基體中的增塑劑TBC與增強體滌綸織物上漿劑中的TBC，具有很好的浸潤性或混溶性，導致滌綸織物與PVC樹脂的緊密接觸，分子間的界面具有相當大的范德華力，提高了界面的結合力。同時，由于PF-2織物表面的納米顆粒存在于界面層，纖維表面粗糙度進一步提高，增加了界面間的摩擦效應，且纖維表面的極性基團增多，這些因素有效地提高了復合材料的界面黏結性能。這一結果很好地吻合了上文黏結因子的研究結果。

3 結 論

滌綸織物/PVC復合材料用作建筑篷蓋材料時，應考慮到多變的外部環境和載荷，提高其機械性能和延長復合材料使用壽命的關鍵在于增強其界面黏結性能。本文采用動態機械性能分析了滌綸織物/PVC復合材料動態黏彈特性，并結合損耗因子（阻尼因子）和黏結因子評價了其界面性能，結論如下：

1） 未經過表面改性的PF織物/PVC復合材料、經過堿處理的PF-1織物/PVC復合材料、經過堿處理與上漿聯合處理的PF-2織物/PVC復合材料三種復合材料的阻尼因子的峰值分別為0.53、0.49、0.40。良好的界面結合性能降低了界面處能量的損耗，有利于增強復合材料的機械性能和剝離強度。

2） PF織物/PVC復合材料、PF-1織物/PVC復合材料、PF-2織物/PVC復合材料三種復合材料剝離強度的平均值分別為0.408、0.537、0.663 N/mm，表明滌綸織物的表面改性有效改善了滌綸織物/PVC復合材料的界面黏結，這一結果與動態黏彈性的評價結果一致。

參考文獻：

[1]ZHANG Y Y， WU M， XU J H， et al. Dynamic mechanical properties of architectural coated fabrics under different temperature and excitation frequency[J]. Polymer Composites， 2020， 41（12）： 5156-5166.

[2]楊濤， 丁辛， 楊旭東， 等. 建筑用膜結構材料的發展現狀和趨勢[J]. 紡織導報， 2019（S1）： 95-97.

YANG Tao， DING Xin， YANG Xudong， et al. Development status and trend of membrane structural materials for construction[J]. China Textile Leader， 2019（S1）： 95-97.

[3]許珊珊， 張營營， 徐俊豪， 等. PVC涂層織物膜材的非線性各向異性本構關系模型[J]. 建筑材料學報， 2020， 23（5）： 1098-1103.

XU Shanshan， ZHANG Yingying， XU Junhao， et al. Nonlinear anisotropic constitutive model of PVC coated fabric membrane[J]. Journal of Building Materials， 2020， 23（5）： 1098-1103.

[4]侯佳佳， 陳南梁， 蔣金華， 等. 滌綸高密雙軸向經編增強PVC膜材粘彈性本構關系[J]. 玻璃鋼/復合材料， 2019（12）： 11-17.

HOU Jiajia， CHEN Nanliang， JIANG Jinhua， et al. Vicoelasitic constitutive relations of high stitch density biaxial warp knitted fabric reinforced PVC[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites， 2019（12）： 11-17.

[5]蘭竹， 陳南梁. 正交試驗優化柔性復合材料的底涂粘接工藝[J]. 中國膠粘劑， 2009， 18（5）： 25-27.

LAN Zhu， CHEN Nanliang. Optimization basecoat bonding process of flexible composites by orthogonal test[J]. China Adhesives， 2009， 18（5）： 25-27.

[6]NIU P， LIU B， WEI X， et al. Study on mechanical properties and thermal stability of polypropylene/hemp fiber composites[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites， 2011， 30（1）： 36-44.

[7]RATHS D. Dynamic mechanical and thermal analysis of vinylester-resin-matrix composites reinforced with untreated and alkali-treated jute fibres[J]. Composites Science and Technology， 2002， 62（7）： 911-917.

[8]JOHN M J， ANANDJIWALA R D. Chemical modification of flax reinforced polypropylene composites[J]. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2009， 40（4）： 442-448.

[9]SREENIVASAN V S， RAJINI N， ALAVUDEEN A， et al. Dynamic mechanical and thermo-gravimetric analysis of Sansevieria cylindrica/

polyester composite： effect of fiber length， fiber loading and chemical treatment[J]. Composites Part B： Engineering， 2015， 69： 76-86.

[10]JACOB M， FRANCIS B， THOMAS S， et al. Dynamical mechanical analysis of sisal/oil palm hybrid fiber-reinforced natural rubber composites[J]. Polymer Composites， 2010， 27（6）： 671-680.

[11]黃文益， 江鴻杰， 王一博， 等. 6061鋁顆粒層增強7075鋁基復合材料的微觀結構及阻尼性能[J]. 復合材料學報， DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20210309.004.

HUANG Wenyi， JIANG Hongjie， WANG Yibo， et al. Microstructure and damping capacity of 7075 aluminum matrix composite enhanced by 6061 aluminum particles layer[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20210309.004.

[12]SAW S K， SARKHEL G， CHOUDHURY A. Dynamic mechanical analysis of randomly oriented short bagasse/coir hybrid fibre-reinforced epoxy novolac composites[J]. Fibers and Polymers， 2011， 12（4）： 506-513.

[13]POTHAN L A， OOMMEN Z， THOMAS S. Dynamic mechanical analysis of banana fiber reinforced polyester composites[J]. Composites Science and Technology， 2003， 63（2）： 283-293.

[14]AFAGHI-KHATIBI A， MAI Y W. Characterisation of fibre/matrix interfacial degradation under cyclic fatigue loading using dynamic mechanical analysis[J]. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2002， 33（11）： 1583-1592.

[15]JAWAID M， KHALIL H P S A， HASSAN A， et al. Effect of jute fibre loading on tensile and dynamic mechanical properties of oil palm epoxy composites[J]. Composites Part B： Engineering， 2013， 45（1）： 619-624.

[16]JABBAR A， MILITKY J， WIENER J， et al. Static and dynamic mechanical properties of novel treated jute/green epoxy composites[J]. Textile Research Journal， 2016， 86（9）： 960-974.

[17]BING M， DENG J， LIU Q， et al. Transparent and ductile poly （lactic acid）/poly （butyl acrylate） （PBA） blends： structure and properties[J]. European Polymer Journal， 2012， 48（1）： 127-135.

[18]DEVID L U， BHAGAWAN S S， THOMAS S. Dynamic mechanical analysis of pineapple leaf/glass hybrid fiber reinforced polyester composites[J]. Polymer Composites， 2010， 31（6）： 956-965.

[19]AZIZ S H， ANSELL M P. The effect of alkalization and fibre alignment on the mechanical and thermal properties of kenaf and hemp bast fibre composites： part 1-polyester resin matrix[J]. Composites Science and Technology， 2004， 64（9）： 1219-1230.

[20]CAI Y， DAVID S K， PAILTHORPE M T. Dyeing of jute and jute/cotton blend fabrics with 2︰1 pre-metallised dyes[J]. Dyes and Pigments， 2000， 45（2）： 161-168.

[21]IDICULA M， MALHOTRA S K， JOSEPH K， et al. Dynamic mechanical analysis of randomly oriented intimately mixed short banana/sisal hybrid fibre reinforced polyester composites[J]. Composites Science and Technology， 2005， 65（7）： 1077-1087.