李文婷，李明鵬，陳季荷，苑之童，程海濤

（國際竹藤中心，北京 100102）

0 前言

隨著全球?qū)Νh(huán)境友好和資源再生利用需求不斷擴(kuò)大，以植物纖維作為增強(qiáng)體制備復(fù)合材料，開發(fā)高性能、高附加值和用途廣泛的產(chǎn)品成為復(fù)合材料綠色生態(tài)發(fā)展的重要方向［1?3］。FPUF材料的泡孔多為開孔結(jié)構(gòu)，具有密度低、彈性好、吸音、透氣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于墊材、隔音材料、防震材料、包裝材料、運(yùn)動裝備等［4?6］。但軟質(zhì)聚氨酯在長期靜態(tài)壓縮下會發(fā)生蠕變等黏彈性行為，從而導(dǎo)致性能失效，出現(xiàn)硬度下降、支撐力不足、塌陷變形等一系列問題，抗沖擊性能、緩沖性能較差限制了其更廣泛的應(yīng)用。研究表明在聚氨酯泡沫中加入納米顆粒、纖維、織物作為增強(qiáng)體可以改善泡沫的力學(xué)性能［7?10］。加強(qiáng)筋作為1種具有可設(shè)計(jì)性的增強(qiáng)體可以提高材料的強(qiáng)度、剛度及使用壽命等，有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，廣泛應(yīng)用于加強(qiáng)金屬、水泥、塑料等各種材料［11?12］。因此選用加捻纖維作為加強(qiáng)筋植入聚氨酯泡沫可針對強(qiáng)度需求、使用頻率高的部分進(jìn)行針對性局部增強(qiáng)。

植物纖維是富含羥基的天然高分子化合物，可以部分代替聚醚或聚酯多元醇與異氰酸酯發(fā)生加成反應(yīng)，且具有較高的比強(qiáng)度和比模量，因此植物纖維的加入可使聚氨酯泡沫在原料構(gòu)成、力學(xué)性能等方面得到較大改善，同時賦予材料一定的生物降解性［13?14］。利用TPF作為加強(qiáng)筋植入聚氨酯泡沫具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，實(shí)現(xiàn)對力學(xué)強(qiáng)度和疲勞性能針對性增強(qiáng)，從而改善聚氨酯長期使用后蠕變產(chǎn)生的一系列問題，如座墊、床墊等墊材根據(jù)人體壓力分布針對易疲勞受損部位進(jìn)行局部耐疲勞性能的提升。充分發(fā)揮植物纖維低密度、高強(qiáng)度的特性，部分代替玻璃纖維、芳綸纖維制備復(fù)合材料可以降低原料成本，提高墊材耐疲勞性能改善使用感，同時可以實(shí)現(xiàn)材料的輕量化，節(jié)能減排，可廣泛應(yīng)用于家用轎車和飛機(jī)、高鐵、公交車等交通領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)聚“碳”成“財(cái)”，帶來綠色發(fā)展新機(jī)遇，符合當(dāng)今綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略［15］。本文使用3種不同TPF，探討不同植物種類、毛羽率對聚氨酯力學(xué)特性及耐疲勞性能的增強(qiáng)效果及對界面的影響，有利于針對FPUF的不同需求進(jìn)行性能的設(shè)計(jì)優(yōu)化，為FPUF/TPF復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐，推動復(fù)合材料領(lǐng)域“雙碳”政策的綠色化和生態(tài)化發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

高回彈聚氨酯，由聚醚多元醇與異氰酸酯混合反應(yīng)而成；其中聚醚多元醇，NJ3630，羥值（34±2）mg KOH/g，酸值≤0.08 mg KOH，水分含量≤0.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），不飽和值≤0.08 mol/kg，黏度（25℃）800～1 000 mPa?s，鎮(zhèn)江市句容寧武新材料股份有限公司；異氰酸酯，2412MDI，黏度（25℃）160 mPa?s，異氰酸酯基（NCO）值26.1%，鎮(zhèn)江市句容寧武新材料股份有限公司；

自制加捻慈竹纖維（NY），慈竹纖維長度160～200mm，直徑100～300μm，加捻后紗線平均線密度504 tex，捻度279捻/m，毛羽率低；

自制加捻綠竹纖維（BY），綠竹纖維長度30～100mm，直徑80～250μm，加捻后紗線平均線密度732 tex，捻度302捻/m，毛羽率中等；

自制加捻黃麻纖維（JY），黃麻纖維長度50～120 mm，直徑100～280μm，加捻后紗線平均線密度801 tex，捻度298捻/m，毛羽率高。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高速攪拌機(jī)，EURO?ST P CV S25，德國IKA公司；

萬能試驗(yàn)機(jī)，CMT6503，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），GeminiSEM 360，德國ZEISS公司；

光學(xué)顯微鏡，INFINITY3?6URC，北京聯(lián)合經(jīng)緯光電科技有限公司；

1.3 樣品制備

將TPF平行排布植入55 mm×55 mm×30 mm的發(fā)泡模具中，其相鄰纖維間隔13.75 mm，植入時分為縱向植筋與橫向植筋，縱向植筋平行于發(fā)泡方向，橫向植筋垂直于發(fā)泡方向；將聚醚多元醇（A料）及異氰酸酯（B料）按照10/4的質(zhì)量比進(jìn)行混合，混合后溶液放入高速攪拌機(jī)中以2 000 r/min高速攪拌7～9 s混合均勻；將攪拌均勻的混合料倒入已植筋的發(fā)泡模具中常溫常壓發(fā)泡，30 min后發(fā)泡完全，脫模得到FPUF/TPF復(fù)合材料（圖1）；生產(chǎn)72 h后，將復(fù)合材料在（23±2）℃、相對濕度（50±5）%環(huán)境下穩(wěn)定16 h，切割成規(guī)格為50 mm×50 mm×25 mm的樣品去除其表皮，進(jìn)行性能測試。

圖1 植筋示意圖Fig.1 Schematic diagram of planting reinforcement

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

密度測試：按照GB/T 6343—2009進(jìn)行測試；

光學(xué)顯微鏡觀察：將樣品放置于光學(xué)顯微鏡鏡頭下，利用INFINITY ANALYZE圖像采集軟件，調(diào)節(jié)光源為熒光，選擇區(qū)域白平衡，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)與聚焦焦點(diǎn)以清晰觀察樣品特征，采集樣品圖像；

SEM觀察：試樣經(jīng)真空鍍膜（鉑金膜）后，采用SEM觀察植筋后試樣的泡孔及界面結(jié)合形態(tài)；

壓陷硬度測試：采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)壓縮模式，參考GB/T 10807—2006進(jìn)行測試，加載速率100 mm/min，分別壓入試樣厚度的25%及65%；

壓陷比測試：采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)壓縮模式，參考GB/T 10807—2006進(jìn)行測試，加載速率100 mm/min；

滯后損失率測試：采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)壓縮模式，參考GB/T 33609—2017進(jìn)行測試，加載速率100 mm/min；

抗蠕變測試：采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)壓縮模式，以100 mm/min速率將55 N的載荷施加到試件上，達(dá)到設(shè)定載荷時保持載荷1 h，記錄應(yīng)變增長；

40%壓陷硬度損失率測試：采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)壓縮模式，以500 mm/min速率壓縮入試樣厚度40%后瞬間回到原位；按上述方法進(jìn)行壓縮循環(huán)，每循環(huán)50次記錄1次40%壓陷硬度值，共循環(huán)1 500次；

壓縮永久變形測試：參考GB/T 6669—2008測試，保持壓入試樣厚度50%，將試樣放入（70±1）℃烘箱內(nèi)并保持（22±0.2）h；

各項(xiàng)力學(xué)測試及耐疲勞測試皆平行于發(fā)泡方向進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

FPUF本身具有開孔結(jié)構(gòu)，制備過程中會產(chǎn)生不同泡孔，為了解植物纖維的加入、不同植筋方向?qū)ε菘捉Y(jié)構(gòu)形態(tài)的影響以及TPF與FPUF的界面結(jié)合情況，對經(jīng)過耐疲勞測試的樣品進(jìn)行形貌分析，并用軟件IN?FINITY ANALYZE對泡孔直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測量。首先觀察縱向與橫向植筋樣的加捻纖維橫截面照片，由圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)，縱向植筋即TPF植入方向與發(fā)泡方向平行時，TPF與FPUF結(jié)合界面較差，聚氨酯附著較少，泡孔支柱出現(xiàn)斷裂，泡孔變形變大，泡孔直徑大多分布在300～450μm，有聚氨酯缺料空洞的情況。圖2（b）、（c）中纖維端部有部分裸露在外，沒有被聚氨酯包覆，結(jié)合不夠緊密。而圖3（a）中，橫向植筋時雖然泡孔有部分變形情況，但經(jīng)過多次耐疲勞壓縮測試后纖維與聚氨酯結(jié)合界面依舊較好，泡孔形態(tài)較小較規(guī)則、尺寸均一，泡孔直徑大多分布在200～300μm，泡孔間支柱骨架較為完整，沒有出現(xiàn)聚氨酯缺料空洞的情況。圖3（b）、（c）中可以看到聚氨酯緊密附著在纖維表面，纖維端部被聚氨酯緊密包圍，說明橫向植筋界面結(jié)合更好，即TPF植入方向與發(fā)泡方向垂直時與聚氨酯結(jié)合更緊密，且多次壓縮后界面沒有遭到破壞。

圖2 縱向植筋樣品的橫截面照片（BY）Fig.2 Cross?sectional images of longitudinally planted rebar sample（BY）

圖3 橫向植筋樣品的橫截面照片（BY）Fig.3 Cross?sectional images of transversely planted rebar sample（BY）

通過觀察橫向植筋樣不同毛羽量樣品的加捻纖維縱截面，可觀察不同毛羽量對復(fù)合材料界面及FPUF的泡孔影響。由圖4（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，毛羽較少時雖然TPF周圍有部分泡孔會出現(xiàn)變形變大的情況，但總體泡孔形狀規(guī)則、支柱完整，泡孔直徑大多分布在180～220μm。圖4（c）中可以發(fā)現(xiàn)TPF被較好地包覆在聚氨酯內(nèi)。毛羽較多時（圖5），毛羽會對泡孔產(chǎn)生影響，進(jìn)一步擴(kuò)大泡孔，TPF周圍泡孔率減小，泡孔出現(xiàn)大量變形，均勻性降低，泡孔直徑大多分布在200～270μm，可以發(fā)現(xiàn)有細(xì)小的毛羽纖維穿插于聚氨酯基體，導(dǎo)致泡孔支柱出現(xiàn)扭曲變形。過多的毛羽還可能造成聚氨酯基體中空［圖6（a）］，聚氨酯向上發(fā)泡時，由于毛羽的阻礙聚氨酯無法有效結(jié)合與反應(yīng)，在毛羽上方形成井洞式的泡孔缺陷，影響復(fù)合材料后期的性能。

圖4 樣品的縱截面照片（少毛羽JY）Fig.4 Longitudinal?section images of the sample（less hairy JY）

圖5 樣品的縱截面照片（多毛羽JY）Fig.5 Longitudinal?section images of the sample（hairy JY）

圖6 泡孔缺陷Fig.6 Cell defects

綜上可發(fā)現(xiàn)，橫向植筋對泡孔的影響小于縱向植筋，橫向上的界面結(jié)合更緊密，即植筋方向與發(fā)泡方向垂直時界面更優(yōu)，此時泡孔形態(tài)更規(guī)則，泡孔支柱更完整，這主要是由于向上發(fā)泡時，不同植筋方向纖維與聚氨酯泡孔的結(jié)合形式不同。毛羽對FPUF的影響較大，會影響泡孔的大小、形態(tài)、開孔率、均勻性等，同時可能導(dǎo)致產(chǎn)生泡孔缺陷，進(jìn)而影響后期材料的各項(xiàng)性能。進(jìn)行植筋原料選擇時應(yīng)選擇毛羽較少的材料，或在復(fù)合前嘗試對材料進(jìn)行改性，如加入SiO2作為成核劑提高聚氨酯泡沫的開孔率［16］；將纖維充分干燥，避免纖維上有水分導(dǎo)致泡孔塌陷［17?18］；將植筋原料預(yù)先浸泡聚氨酯A/B料，采用纖維處理劑KH550、堿處理等方式對纖維進(jìn)行表面改性處理，使TPF與聚氨酯更好地結(jié)合，減少毛羽對泡孔的影響。

2.2 表觀密度

表1為不同植筋條件下樣品的平均密度，由顯著性分析可知，植筋方向?qū)?fù)合材料密度的影響不大。植入體積分?jǐn)?shù)在0.35%～0.7%之間時，復(fù)合材料密度較接近原始材料密度；隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，密度略有上升。雖然TPF密度明顯大于泡沫，但由于纖維加入的體積分?jǐn)?shù)很小，因此密度上升幅度較小，沒有受到太大的影響，在保證原本輕質(zhì)的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)性能增強(qiáng)。

表1 不同植筋條件下復(fù)合材料的密度Tab.1 Density of composites under different planting conditions

2.3 壓陷硬度

壓陷硬度是在確定的條件下，對標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣進(jìn)行規(guī)定厚度的壓陷，此時FPUF將產(chǎn)生抗壓陷力，該力與FPUF的性能有關(guān)且與施加的力大小相等，記錄此力值得到壓陷硬度，如25%壓陷硬度是指壓縮試樣厚度25%的時候所承受的力值。不同植筋體積分?jǐn)?shù)及植筋方向復(fù)合材料的壓陷硬度如圖7所示，由圖可以發(fā)現(xiàn)隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，25%、65%的壓陷硬度都在不斷提升，縱向植筋樣品25%、65%壓陷硬度最高分別提升了87.05%、89.69%，橫向植筋樣品25%、65%壓陷硬度最高分別提升了25.16%、61.96%?？v向植筋樣品強(qiáng)度提升幅度明顯大于橫向，65%壓陷硬度的提升幅度稍大于25%，主要是由于受壓時縱向植筋的TPF完全隨著聚氨酯一起變形，TPF變形量大于橫向植筋，因此提供的支撐力也較大，在65%厚度處縱橫向變形都較大，因此強(qiáng)度提升幅度也較大。也有研究表明當(dāng)載荷平行于主要纖維取向施加時，纖維在增強(qiáng)復(fù)合泡沫的強(qiáng)度方面更有效［19］。

圖7 不同植筋體積分?jǐn)?shù)FPUF/TPF復(fù)合材料的壓陷硬度Fig.7 Indentation hardness of FPUF/TPF composites with different implants volume fractions

對比3種TPF，JY與BY植入體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%時，壓陷硬度都出現(xiàn)了逐漸平緩的趨勢，而NY一直呈現(xiàn)遞增的趨勢。由圖5可以發(fā)現(xiàn)聚氨酯和毛羽結(jié)合時會產(chǎn)生較多較大的泡孔，影響泡孔均勻性，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能。JY和BY由短纖維加捻而成，細(xì)小毛羽較多，因此當(dāng)這兩者體積分?jǐn)?shù)較小時，毛羽的影響大于加強(qiáng)筋的加強(qiáng)效果，出現(xiàn)了植筋后壓陷硬度反而小于空白樣的情況。隨著植筋體積分?jǐn)?shù)的增加，TPF帶來的增強(qiáng)效果抵消了毛羽導(dǎo)致的泡孔缺陷帶來的影響，提升了FPUF的硬度，但隨著植筋體積分?jǐn)?shù)不斷增加，毛羽過多時增強(qiáng)的效果開始逐漸平緩。NY由長纖維加捻而成，細(xì)小毛羽較少，對FPUF泡孔的影響較小，因此硬度一直呈現(xiàn)上升趨勢。

以FPUF/JY為例，觀察植筋對復(fù)合材料密度和硬度的影響，從圖8中可以看出隨著植筋體積分?jǐn)?shù)的增加，材料密度變化不大，但硬度不斷增加，這表明通過合理的空間設(shè)計(jì)，將纖維植入聚氨酯可以在不大幅影響密度的前提下，有效提高復(fù)合材料強(qiáng)度。

圖8 FPUF/JY復(fù)合材料密度及硬度隨植筋體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.8 Variation of density and hardness of FPUF/JY composites with different implants volume fractions

2.4 壓陷比

壓陷比是壓縮試樣厚度的65%時所承受的力值與壓縮試樣厚度的25%時所承受力值的比值。壓陷比是坐感的重要指標(biāo)，F(xiàn)PUF作為墊材使用時要有一定的支撐力，不至于使用時瞬間塌陷壓至底部。由圖9可以發(fā)現(xiàn)植筋可以提升復(fù)合材料的壓陷比，表明纖維的植入可以提高FPUF/TPF的支撐力，使其在深度壓陷時依舊可以提供較充足的支撐力，但橫向縱向植筋樣品的變化趨勢不同，3種TPF植筋樣品趨勢相同，影響程度略微不同。橫向植筋時，3種FPUF/TPF復(fù)合材料隨著植筋體積分?jǐn)?shù)的增加，壓陷比都呈現(xiàn)上升的趨勢，最高可達(dá)到3.56，相較空白樣品提升了37.98%。而縱向植筋時，3種FPUF/TPF復(fù)合材料壓陷比呈現(xiàn)下降趨勢，但少量植筋時有一定增強(qiáng)效果。橫縱植筋時壓陷比變化趨勢不同，一是由于不同植筋方向?qū)?5%、65%壓縮硬度的增強(qiáng)幅度不同，二是植物纖維在橫向上與縱向上的不同結(jié)構(gòu)會影響其力學(xué)性能。

圖9 不同植筋條件下復(fù)合材料的壓陷比Fig.9 Indentation ratio of composites under different bar planting conditions

橫向植筋時，壓縮至25%位置時TPF變形小，提供的支撐力小，而壓縮至65%位置時，纖維充分發(fā)揮橫向上的韌性作用以提供支撐力，且在壓縮量較大時，可以通過將壓力施加于植物纖維自身的細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及中腔結(jié)構(gòu)來抵抗壓縮［20］，因此橫向植筋既能在小變形時提供柔軟的舒適體感，又能在大變形時提供較大支撐力，在優(yōu)化支撐感上有較大的優(yōu)勢。且由于復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，可以在部分易塌陷或支撐性能要求較高的部分進(jìn)行局部植筋，在保證整體舒適性的前提下局部優(yōu)化增強(qiáng)，通過調(diào)整體積分?jǐn)?shù)調(diào)整壓陷比，滿足不同的應(yīng)用需求?？v向植筋時，在壓縮至25%位置時TPF變形小，與聚氨酯結(jié)合后硬度變大的TPF可以提供一定的支撐力，增強(qiáng)效果明顯。而隨著力的增加，在壓縮至65%位置時，由于竹、麻纖維縱向上有橫節(jié)導(dǎo)致纖維可能失穩(wěn)［21］，從中間直接彎曲或斷裂，纖維無法提供足夠的支撐力，增強(qiáng)幅度不如壓縮至25%時的大，壓陷比減小。

3種TPF橫向植筋的差別不大，縱向植筋BY表現(xiàn)較好，雖然壓陷比呈現(xiàn)下降趨勢，但總體高于空白樣品。而NY表現(xiàn)較弱，植筋體積分?jǐn)?shù)增加后，壓陷比降低較明顯。這是由于NY的纖維剛度較大、質(zhì)地較脆，且是長纖維加捻而成，縱向上可能包含更多橫節(jié)，更易彎曲斷裂失穩(wěn)，無法提供足夠的支撐力，導(dǎo)致壓陷比大大降低。而BY質(zhì)地較柔軟，且相較JY毛羽較少，彈性與泡孔上表現(xiàn)都較好，因此壓陷比較空白樣品有所提升。

2.5 滯后損失率

滯后損失率可以作為評價泡沫恢復(fù)性能、緩沖性能、舒適性的1項(xiàng)重要指標(biāo)，它反應(yīng)泡沫吸收能量的能力［22］。滯后損失高時防震、隔音和消音性能好，可用于諸如頭枕和耳塞等產(chǎn)品；滯后損失低時舒適性好，可應(yīng)用于汽車和家具等的墊材，如坐墊、靠背等［23］。由圖10可知，橫向植筋纖維可以降低滯后損失率，最低為28.30%，相較空白樣品降低17.54%，表明纖維的植入可以幫助泡沫回彈恢復(fù)，提高其使用時的舒適感；縱向植筋后滯后損失率呈上升趨勢，最高為42.86%，較空白樣品提升了24.88%，表明其纖維的植入可以提升其吸收能量的能力。

由圖10（a）可知，橫向植筋時隨著植筋體積分?jǐn)?shù)的增加，F(xiàn)PUF/BY與FPUF/NY滯后損失率總體呈現(xiàn)遞減趨勢，而FPUF/JY呈現(xiàn)遞增趨勢。這是由于JY的細(xì)小毛羽較多，毛羽附近的泡孔受到影響，泡孔變大、變稀疏（見圖5），導(dǎo)致其下降拐點(diǎn)后移，即需要植入更多纖維才能抵消毛羽帶來的影響，起到降低滯后損失率的作用。而NY毛羽較少，表面較光滑，泡孔及泡孔支柱受影響較小，滯后率降低明顯，隨著植筋體積分?jǐn)?shù)的增加，纖維充分發(fā)揮橫向上的韌性及柔韌性優(yōu)勢［24］，壓縮后能夠及時回彈，幫助FPUF回彈恢復(fù)，更適用于墊材。

圖10 不同植筋條件下FPUF/TPF復(fù)合材料的滯后損失率Fig.10 Hysteresis rates of FPUF/TPF composites under different bar planting conditions

由圖10（b）可知，縱向植筋時隨著植筋體積分?jǐn)?shù)的增加滯后損失率普遍不斷升高。由于縱向植筋壓縮時纖維沒有回彈性，容易斷裂，需要FPUF自身回彈帶動纖維回彈，阻礙了FPUF的回彈，導(dǎo)致滯后損失率不斷升高。但縱向植筋纖維產(chǎn)生的變形較大，壓縮過程中可將大量功以纖維變形的形式散耗，從而有效吸收外界的沖擊能量，提升緩沖吸能性能［25］，更適用于緩沖吸能材料。

2.6 抗蠕變性能測試

FPUF在長時間的使用過程中，通常承受反復(fù)荷載和長期靜態(tài)壓縮，會產(chǎn)生一定的蠕變，泡沫的結(jié)構(gòu)、尺寸及形狀會發(fā)生一定變化。聚氨酯材料出現(xiàn)凹陷、支撐力不足、緩沖性不佳等問題時，墊材會失去其舒適性，緩沖材料會失去其保護(hù)性，耐疲勞性能有待提升。為了驗(yàn)證TPF植筋對聚氨酯耐疲勞性能的提升效果，對復(fù)合材料進(jìn)行抗蠕變測試。由圖11可知，壓縮過程中分為2個階段，線性變化區(qū)和蠕變區(qū)。當(dāng)載荷開始施加給試樣時，試樣的應(yīng)變隨時間的推移而呈線性增長，此時試樣主要是彈性形變，達(dá)到某一值后增速變慢，之后蠕變速率逐漸減少，直到達(dá)到1個穩(wěn)定值。這是因?yàn)镕PUF剛受到外部載荷時，內(nèi)部還存在許多未壓實(shí)的空隙，而隨著時間的延長，這些空隙逐步壓實(shí)［26］，應(yīng)變增長量也逐漸減小，這也驗(yàn)證了毛羽影響泡孔后會對力學(xué)性能有一定影響。

圖11 FPUF/TPF復(fù)合材料的形變量?時間曲線Fig.11 Deformation?time curves of FPUF/TPF composites

不同植筋條件下復(fù)合材料壓縮1 h的應(yīng)變增長量如圖12所示。泡沫在受到壓縮載荷的時候，TPF同樣會發(fā)生形變，TPF的存在會抵抗FPUF發(fā)生形變，從而使FPUF受到的載荷變小，使應(yīng)變增長量減小，最小為5.09%，相較空白樣品降低了23.69%，表明TPF植入后抗蠕變性能得到提升，在長期的靜態(tài)壓縮下產(chǎn)生的變形將更小，耐疲勞性能提升。從應(yīng)變增長量數(shù)據(jù)來看，橫向植筋的效果優(yōu)于縱向植筋，整體應(yīng)變增長基本符合JY>BY>NY，NY植筋抗蠕變效果最好，與毛羽量相匹配。橫向植筋時，F(xiàn)PUF/NY和FPUF/BY應(yīng)變增長量呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，但毛羽最少的NY下降比BY更明顯，毛羽最少的NY隨植入體積分?jǐn)?shù)的增加，毛羽的影響逐漸被TPF的增強(qiáng)效果替代；毛羽相對較多的BY增強(qiáng)效果明顯受毛羽影響變緩，而FPUF/JY呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，TPF的增強(qiáng)效果逐漸小于毛羽的影響。隨縱向植筋體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料應(yīng)變增長都不斷增大。這主要是由于TPF在縱向上壓縮量過大時，容易直接從中間失穩(wěn)彎曲，導(dǎo)致無法有效提供支撐力，且縱向植筋泡孔受影響也較大，結(jié)合界面差（圖2）。

2.7 40%壓陷硬度損失率

40%壓陷硬度損失率從循環(huán)次數(shù)來體現(xiàn)耐疲勞性能，采用植筋JY的FPUF材料為代表，將各樣品循環(huán)壓縮1 500次，發(fā)現(xiàn)橫向和縱向植筋后的復(fù)合材料40%壓陷硬度減少變平緩的切點(diǎn)都有所提前，循環(huán)壓縮次數(shù)較少時，硬度損失已經(jīng)開始平緩。即為了保持一定硬度，可以循環(huán)壓縮使用的次數(shù)變多，可以間接說明植筋后材料的使用壽命增長。對比空白樣品，橫向植筋樣的硬度損失量相對減少，縱向植筋樣雖然硬度損失量相對較多，但植筋提高的硬度相對損失量更高，總體硬度有所提升。循環(huán)壓縮1 500次后空白樣硬度損失17.93%，橫向植筋樣損失11.01%，縱向植筋損失15.04%，損失最高降低了38.59%。橫向植筋與空白樣品初始硬度相近，同樣衰減11%時，橫向植筋后循環(huán)次數(shù)最高可達(dá)空白樣品的4.1倍。

圖13 樣品的40%壓陷硬度變化趨勢Fig.13 40% indentation hardness variation trend of the samples

2.8 壓縮永久變形

壓縮永久變形也是體現(xiàn)FPUF使用壽命的重要數(shù)據(jù)指標(biāo)，不同植筋條件下的壓縮永久變形情況如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)橫向植筋后，壓縮永久變形率有所減少，最低20.83%，較空白樣降低了29.63%；而縱向植筋后略有增加。這一是由于縱向植筋后泡孔率減小，泡孔及泡孔支柱變形，導(dǎo)致通過壓縮泡孔提供的支撐力減少［27］，二是纖維縱向上大量壓縮后易斷裂失穩(wěn)，導(dǎo)致纖維無法提供充足的支撐力，保持泡沫的原始形態(tài)。

表2 植筋前后樣品的壓縮永久變形Tab.2 Comparison of compression permanent deformation before and after planting reinforcement

3 結(jié)論

（1）對于力學(xué)特性，毛羽率低的NY表現(xiàn)最好，對壓陷硬度及壓陷比在縱向植筋時效果優(yōu)于橫向植筋，壓陷硬度最高可提升89.69%，壓陷比最高3.56，提升37.98%，可有效提升復(fù)合材料的支撐力；復(fù)合材料的滯后損失率在橫向植筋后降低，適用于墊材，可使舒適性提升；縱向植筋后滯后損失率升高，適用于緩沖材料，使緩沖吸能性能提升；

（2）對于耐疲勞性能，橫向植筋的提升效果普遍優(yōu)于縱向植筋，毛羽率低的NY植筋樣品表現(xiàn)較好，抗蠕變測試下的應(yīng)變增長最低較空白樣品降低23.69%，抗變形能力提升，長時間使用后變形更??；40%壓陷硬度率損失最低11.01%，相較空白樣品降低38.59%，循環(huán)次數(shù)最高可達(dá)空白樣品的4.1倍；壓縮永久變形率最低為20.83%，較空白樣降低29.63%；這3種性能測試結(jié)果可以表明復(fù)合材料的耐疲勞性能得到了有效改善提升，使用壽命增加；

（3）植筋體積分?jǐn)?shù)在0.35%～0.7%之間時，能在保證輕質(zhì)的前提下使性能得到較好的增強(qiáng)，植筋過多會影響FPUF本身輕質(zhì)的優(yōu)勢，且可能導(dǎo)致過硬，因此需要根據(jù)實(shí)際性能需求綜合考慮植入量；橫向植筋對泡孔的影響小于縱向植筋，SEM照片表明毛羽較少的TPF對聚氨酯的泡孔大小、形態(tài)及均勻性影響更小，此時界面結(jié)合更好，制備的復(fù)合材料性能更優(yōu)。