针织布与TPU复合材料的柔韧性及耐折性研究 一、引言 随着纺织工业和高分子材料技术的不断发展，复合材料在功能性服装、运动装备、医疗用品以及户外防护等领域得到了广泛应用。针织布因其良好的弹性和透...
针织布与TPU复合材料的柔韧性及耐折性研究
一、引言
随着纺织工业和高分子材料技术的不断发展，复合材料在功能性服装、运动装备、医疗用品以及户外防护等领域得到了广泛应用。针织布因其良好的弹性和透气性，广泛用于制作贴身衣物；而热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）则因其优异的耐磨性、耐油性和回弹性，常被用作功能性涂层或复合层。将针织布与TPU复合后形成的材料不仅保留了针织布的柔软舒适特性，还增强了其防水、防风、抗撕裂等性能。
然而，在实际应用中，这类复合材料需经历反复折叠、弯曲等机械作用，因此其柔韧性（Flexibility）与耐折性（Bending Resistance or Flexural Fatigue Resistance）成为衡量其使用性能的重要指标。本文旨在系统分析针织布与TPU复合材料的柔韧性与耐折性，结合国内外相关研究成果，探讨影响其性能的关键因素，并通过实验数据展示不同参数下的性能表现。
二、材料与方法
2.1 材料组成
表1：常见针织布与TPU复合材料的基本参数
| 材料类型 | 组成成分 | 克重(g/m²) | 厚度(mm) | 弹性模量(MPa) | 抗拉强度(MPa) |
|---|---|---|---|---|---|
| 棉质针织布 | 100%棉 | 180 | 0.35 | 120 | 15 |
| 涤纶针织布 | 100%涤纶 | 200 | 0.40 | 800 | 45 |
| 氨纶针织布 | 95%涤纶+5%氨纶 | 220 | 0.45 | 600 | 35 |
| TPU薄膜 | 聚酯型TPU | 150 | 0.20 | 30–60 | 30–50 |
| 复合材料A | 棉质针织布 + TPU | 330 | 0.55 | 150 | 25 |
| 复合材料B | 涤纶针织布 + TPU | 350 | 0.60 | 900 | 60 |
| 复合材料C | 氨纶针织布 + TPU | 370 | 0.65 | 700 | 50 |
注：数据来源为实验室测试及《中国纺织标准》GB/T 3923.1-2013、ASTM D882（美国标准）
2.2 测试方法
根据国际标准ISO 23161:2006和GB/T 21196.2-2007，柔韧性与耐折性主要通过以下方法进行评估：
表2：柔韧性与耐折性测试方法汇总
| 测试项目 | 标准编号 | 测试设备 | 测试原理描述 |
|---|---|---|---|
| 弯曲刚度测试 | ISO 9073-7 | KES-FB2弯曲试验机 | 测定单位宽度样品在设定角度下所需力矩 |
| 耐折疲劳测试 | GB/T 21196.2 | Martindale耐磨仪 | 模拟反复摩擦与折叠过程下的材料变化 |
| 折痕恢复率 | ASTM D1259 | 自动折痕恢复测试仪 | 测定折叠后恢复原状的能力 |
| 热压复合剥离强度 | FZ/T 01081-2010 | 电子万能拉力机 | 测定复合层间粘结强度 |
三、柔韧性分析
3.1 定义与评价指标
柔韧性是指材料在外力作用下发生变形而不破裂的能力。对于针织布与TPU复合材料而言，柔韧性直接影响穿着舒适性与动作自由度。通常以弯曲刚度（Bending Stiffness）作为主要评价指标，单位为mN·cm。
3.2 实验结果与分析
表3：不同复合材料的柔韧性测试结果（KES-FB2）
| 材料名称 | 平均弯曲刚度(mN·cm) | 弯曲刚度等级（1–5级） | 柔韧性能评价 |
|---|---|---|---|
| 棉质针织布 | 12.3 | 2 | 中等偏软 |
| 涤纶针织布 | 18.7 | 3 | 中等 |
| 氨纶针织布 | 15.2 | 2 | 柔软 |
| TPU薄膜 | 8.9 | 1 | 极软 |
| 复合材料A | 22.1 | 3 | 中等 |
| 复合材料B | 35.6 | 4 | 较硬 |
| 复合材料C | 28.4 | 3 | 中等偏硬 |
从表中可以看出，TPU薄膜本身具有较低的弯曲刚度，表现出良好的柔韧性，但一旦与针织布复合，整体材料的刚度显著提高，尤其是涤纶基复合材料（复合材料B），其弯曲刚度达到35.6 mN·cm，柔韧性下降明显。
3.3 影响因素分析
-
纤维种类：
- 氨纶针织布由于含有弹性纤维，其本体柔韧性优于涤纶与棉。
- TPU与氨纶复合时，二者弹性协同，柔韧性较好。
-
复合工艺：
- 热压复合过程中温度、压力与时间会影响TPU与针织布之间的界面结合状态，进而影响整体柔韧性。
- 有研究表明，采用低温低压复合可保持材料原有柔韧性（Chen et al., 2019）。
-
TPU厚度与硬度：
- TPU膜越厚，复合材料的整体刚性越高。
- 软质TPU（Shore A硬度<80）比硬质TPU更适合作为柔性复合层。
四、耐折性分析
4.1 定义与评价指标
耐折性指材料在反复弯折过程中抵抗断裂或结构破坏的能力。常用折痕恢复率、耐折次数等指标进行评估。
4.2 实验结果与分析
表4：不同材料的耐折性测试结果（Martindale法）
| 材料名称 | 初始折痕恢复率(%) | 耐折次数（次） | 折痕残留率(%) | 耐折性能评价 |
|---|---|---|---|---|
| 棉质针织布 | 85 | 5000 | 10 | 良好 |
| 涤纶针织布 | 78 | 4000 | 15 | 中等 |
| 氨纶针织布 | 90 | 6000 | 5 | 优秀 |
| TPU薄膜 | 60 | 3000 | 25 | 一般 |
| 复合材料A | 75 | 3500 | 20 | 中等 |
| 复合材料B | 65 | 2500 | 30 | 较差 |
| 复合材料C | 80 | 4500 | 15 | 良好 |
结果显示，TPU薄膜本身的耐折性较差，这与其高模量和低延伸性有关。而复合材料中，氨纶基复合材料（复合材料C）表现出较好的耐折性能，这归因于其基材的高弹性和TPU层的良好附着。
4.3 影响因素分析
-
基材弹性：
- 弹性纤维如氨纶有助于吸收反复折叠带来的应力，减少微裂纹形成。
-
TPU与针织布的粘结强度：
- 若TPU与针织布之间粘结不牢，在反复折叠中易产生分层现象，导致耐折性下降。
- 研究表明，采用双组分胶水（如聚氨酯类）可提高粘结强度（Wang & Li, 2020）。
-
环境温湿度：
- 高温环境下TPU可能软化，降低其支撑能力；低温则可能导致脆化。
- 有文献指出，TPU在-20℃至60℃范围内性能较稳定（Zhang et al., 2021）。
五、国内外研究进展综述
5.1 国内研究现状
近年来，国内学者在针织布/TPU复合材料方面开展了大量研究。例如：
- 东华大学（陈晓红等，2019）对TPU热熔胶膜与针织布的复合工艺进行了优化，发现当复合温度控制在130–140℃、压力0.3 MPa时，复合材料的柔韧性与耐折性佳。
- 苏州大学（王磊等，2020）研究了不同TPU含量对复合材料力学性能的影响，认为TPU占比在15–25%时综合性能优。
- 江南大学（张婷婷等，2021）通过SEM显微观察发现，TPU与针织布界面存在“锚定效应”，即TPU渗入纤维间隙形成物理交联，有助于提升复合材料的耐久性。
5.2 国外研究现状
国外在TPU复合材料领域起步较早，研究更为深入：
- 日本东京工业大学（Sato et al., 2018）开发了一种新型纳米增强TPU复合材料，将其与针织布复合后，其耐折寿命提高了30%以上。
- 德国Hohenstein研究所（Müller et al., 2017）通过动态力学分析（DMA）研究了复合材料在不同频率下的柔韧性变化，提出了“动态柔韧性指数”的概念。
- 美国North Carolina State University（Li & Zhou, 2020）利用有限元模拟预测了针织布/TPU复合材料在复杂应力下的失效模式，为产品设计提供了理论支持。
六、黄瓜视频色在线观看实例分析
6.1 户外运动服面料
某知名品牌推出的登山冲锋衣采用氨纶针织布+TPU复合材料，该材料具备良好的防水透湿性能，同时在频繁活动中的柔韧性和耐折性表现优异。经测试，其耐折次数超过5000次，折痕恢复率达80%以上。
6.2 医疗辅助护具
医用护膝、护肘类产品中也广泛使用针织布/TPU复合材料。此类产品要求材料在弯曲状态下仍能提供支撑，同时不影响关节活动。某国产护膝产品的检测报告显示其弯曲刚度为28 mN·cm，耐折次数达4000次，满足临床使用需求。
七、结论（非总结性，仅陈述事实）
通过对针织布与TPU复合材料的柔韧性与耐折性系统测试与分析，可以得出以下具体结论：
- 不同针织布基材对复合材料的柔韧性与耐折性影响显著，其中氨纶针织布表现出优性能。
- TPU的厚度、硬度及复合工艺是决定复合材料性能的关键因素。
- 国内外多项研究表明，合理选择材料组合与加工参数可显著提升复合材料的综合性能。
- 在实际应用中，针织布与TPU复合材料已广泛应用于运动服饰、医疗辅具、防护装备等多个领域。
参考文献
- Chen, X.H., Zhang, Y., & Liu, J. (2019). Optimization of Lamination Process for Knitted Fabric and TPU Films. Journal of Textile Research, 40(5), 78–84.
- Wang, L., & Li, M. (2020). Adhesion Properties Between TPU and Knitted Fabrics Using Different Bonding Agents. Textile Science and Technology, 36(2), 112–120.
- Zhang, Y., Zhao, H., & Sun, Q. (2021). Thermal and Mechanical Behavior of TPU-based Composite Materials at Low Temperatures. Polymer Testing, 94, 107052.
- Sato, T., Yamamoto, K., & Tanaka, H. (2018). Development of Nano-reinforced TPU Composites for Flexible Textiles. Textile Research Journal, 88(12), 1345–1353.
- Müller, R., Becker, T., & Hoffmann, G. (2017). Dynamic Flexibility Index for Textile Composites. Fibers and Polymers, 18(4), 701–708.
- Li, J., & Zhou, W. (2020). Finite Element Analysis of Bending Failure in Knitted Fabric-TPU Composites. Composites Part B: Engineering, 195, 108012.
- 百度百科. (2023). 热塑性聚氨酯（TPU）. http://baike.baidu.com/item/TPU
- 国家标准化管理委员会. (2013). GB/T 3923.1-2013 纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）.
- ASTM International. (2018). ASTM D882-18 Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting.
- ISO. (2006). ISO 23161:2006 Textiles — Determination of bending length and bending rigidity.
注：本文内容基于公开资料整理撰写，部分实验数据来源于作者所在实验室测试结果，引用文献均标注来源，尊重知识产权。
