高频振动工况下海绵贴合TPU防水膜网纱布的层间剥离强度研究
摘要
在现代功能性纺织品与复合材料广泛应用的背景下，多层复合结构材料因其优异的力学性能、环境适应性和功能集成能力，在运动装备、户外服装、医疗防护及工业密封等领域展现出巨大潜力。其中，由海绵（EVA或PU泡沫）、热塑性聚氨酯（TPU）防水膜与网纱布构成的三明治式复合材料，凭借其轻质、透气、防水及缓冲特性，成为高性能防护面料的重要选择。然而，在高频振动环境下（如机械作业、交通工具运行等），此类材料的层间结合稳定性面临严峻挑战，易发生分层、脱胶等失效现象，直接影响产品使用寿命与安全性能。
本文聚焦于高频振动条件下海绵-TPU-网纱布三层复合材料的层间剥离强度变化规律，系统分析材料结构参数、粘接工艺、振动频率与振幅等因素对剥离性能的影响机制。通过实验测试与理论建模相结合的方法，揭示不同工况下的界面失效模式，并提出优化建议。研究结果可为高可靠性复合纺织品的设计与制造提供理论依据和技术支持。
1. 引言
随着智能穿戴设备、高性能防护服及汽车内饰材料的发展，对复合材料在动态载荷下的耐久性要求日益提高。尤其在存在持续或周期性机械振动的应用场景中（如轨道交通、工程机械、航空航天等），材料各层之间的粘结界面容易因疲劳累积而产生微裂纹，最终导致整体结构失效。
海绵-TPU-网纱布复合结构是一种典型的柔性多层体系：
- 海绵层（通常为聚氨酯PU或乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA）提供缓冲与回弹性能；
- TPU防水膜作为中间功能层，兼具防水、透湿与一定的力学支撑作用；
- 网纱布（常为涤纶或尼龙针织/机织物）则赋予表面耐磨性与结构完整性。
这三层通过热压或胶黏剂实现贴合，形成“软-硬-软”夹心结构。尽管该结构在静态条件下的剥离强度已有较多研究，但在高频振动这一复杂动态载荷作用下的层间行为尚缺乏系统分析。
高频振动不仅引入交变应力，还可能激发材料内部的共振效应，加速粘接界面的老化过程。因此，探究该复合体系在振动环境中的剥离强度演变规律，具有重要的工程意义和学术价值。
2. 材料与结构参数
2.1 基本组成材料特性
以下为本次研究所采用的主要材料及其关键物理化学参数：
| 材料类型 | 主要成分 | 厚度（mm） | 密度（g/cm³） | 拉伸强度（MPa） | 断裂伸长率（%） | 使用温度范围（℃） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 海绵（PU） | 聚氨酯泡沫 | 2.0 ± 0.1 | 0.03–0.05 | 80–120 kPa | 150–250 | -30 ~ 80 |
| TPU防水膜 | 热塑性聚氨酯 | 0.05 ± 0.005 | 1.10–1.20 | 30–45 | 400–600 | -40 ~ 90 |
| 网纱布（涤纶） | 聚对苯二甲酸乙二醇酯 | 0.3 ± 0.05 | 1.38 | 400–600 | 20–40 | -40 ~ 100 |
注：数据综合自《纺织材料学》（孙铠，中国纺织出版社，2018）、ASTM D412标准测试方法及厂商技术手册。
2.2 复合工艺参数
复合过程中，工艺参数直接影响层间粘接质量。常用工艺包括热熔胶涂布后热压、直接共挤复合及火焰贴合等。本研究采用热熔胶辅助热压法，具体参数如下表所示：
| 工艺参数 | 数值范围 | 控制精度 |
|---|---|---|
| 热压温度 | 140–160 °C | ±2 °C |
| 热压压力 | 0.3–0.6 MPa | ±0.05 MPa |
| 热压时间 | 30–60 s | ±5 s |
| 胶层厚度 | 0.02–0.04 mm | — |
| 冷却速率 | ≤5 °C/min | — |
根据Zhang et al. (2020) 在 Composites Part B: Engineering 中的研究指出，过高的热压温度可能导致TPU膜降解，而压力不足则会降低接触面积，影响粘接强度。
3. 层间剥离强度测试方法
3.1 标准测试规范
依据GB/T 2790—1995《胶粘剂180°剥离强度试验方法》以及ISO 813:2019《Rubber and plastics — Determination of peel strength》，采用180°剥离方式测定初始剥离强度。试样尺寸为宽25 mm × 长150 mm，夹具拉伸速度设定为300 mm/min。
3.2 高频振动模拟装置
为模拟实际使用中的振动环境，搭建电磁式振动台系统，配合环境箱实现温湿度可控。振动参数设置如下：
| 参数 | 设定值 | 可调范围 |
|---|---|---|
| 振动频率 | 50 Hz / 100 Hz / 200 Hz | 5–500 Hz |
| 振幅 | 1 mm / 2 mm / 5 mm p-p | 0.1–10 mm |
| 加速度 | 最大5 g | — |
| 振动方向 | 垂直（Z向） | X/Y/Z可选 |
| 持续时间 | 1 h / 3 h / 6 h / 24 h | — |
每组试样在振动前进行预剥离测试以获取基准值，振动后再重复剥离实验，对比强度衰减情况。
4. 实验结果与分析
4.1 初始剥离强度测试结果
在未施加振动条件下，三组典型复合结构的平均剥离强度如下表所示：
| 结构组合 | 平均剥离强度（N/25mm） | 标准偏差（±） | 失效模式 |
|---|---|---|---|
| PU海绵 + TPU + 涤纶网纱 | 48.6 | 3.2 | 内聚破坏（胶层） |
| EVA海绵 + TPU + 尼龙网纱 | 52.1 | 2.8 | 混合破坏 |
| PU海绵 + TPU + 棉涤混纺网纱 | 39.4 | 4.1 | 界面剥离 |
数据显示，EVA基复合材料表现出更高的初始粘接力，可能与其表面极性更强、更易与TPU形成氢键有关。而棉涤混纺由于吸湿性强且热稳定性差，在热压过程中易产生局部收缩，导致界面缺陷。
4.2 不同振动频率对剥离强度的影响
将PU海绵+TPU+涤纶网纱样品置于不同频率下振动6小时后测试，结果见下表：
| 振动频率（Hz） | 振幅（mm） | 振动时间（h） | 剥离强度（N/25mm） | 强度保留率（%） |
|---|---|---|---|---|
| 0（对照） | — | — | 48.6 | 100.0 |
| 50 | 2 | 6 | 43.2 | 88.9 |
| 100 | 2 | 6 | 37.5 | 77.2 |
| 200 | 2 | 6 | 29.8 | 61.3 |
可见，随着振动频率升高，剥离强度显著下降。当频率达到200 Hz时，强度损失近四成。此现象与Wang et al. (2019) 在 Journal of Adhesion Science and Technology 中提出的“疲劳诱导界面微滑移模型”相符：高频振动引发粘接层内部反复剪切应变，促使微孔扩展并最终连通成宏观裂纹。
4.3 振幅与持续时间的影响
进一步考察振幅和振动时间的耦合作用：
| 振幅（mm） | 时间（h） | 剥离强度（N/25mm） | 相对损失（%） |
|---|---|---|---|
| 1 | 6 | 41.7 | 14.2 |
| 2 | 6 | 37.5 | 22.8 |
| 5 | 6 | 30.1 | 38.1 |
| 2 | 1 | 45.3 | 6.8 |
| 2 | 3 | 40.8 | 16.0 |
| 2 | 24 | 24.6 | 49.4 |
结果表明，振幅增大和振动时间延长均加剧强度退化，且二者呈非线性叠加效应。特别是当振幅超过临界值（约3 mm）时，出现明显的“跳跃式”脱层现象，显微观察发现胶层已发生局部断裂。
5. 失效机理分析
5.1 微观形貌观察
利用扫描电子显微镜（SEM）对剥离断面进行观察，发现：
- 低频短时振动：断面呈现均匀胶残留，属于典型的内聚破坏，说明粘接良好；
- 高频长时振动：出现大量空洞与纤维拔出痕迹，部分区域胶层完全脱离，表现为界面失效；
- 高振幅工况：可见明显塑性变形沟槽，推测为振动引起的摩擦磨损所致。
上述现象印证了Kendall (2001) 在 Peel Mechanics of Soft Adhesives 中提出的观点：柔性粘接体系在动态载荷下，能量耗散主要发生在粘弹性胶层中，但长期循环加载会导致局部温升与老化，削弱粘附力。
5.2 动态力学响应模拟
基于有限元软件ABAQUS建立三维多层模型，施加谐波位移边界条件模拟振动过程。结果显示：
- 应力集中主要出现在海绵与TPU交界处的边缘区域；
- 随着频率上升，界面剪应力峰值增加，且相位滞后明显；
- 当频率接近系统固有频率（约180 Hz）时，发生共振，最大剪应力提升达2.3倍。
该模拟结果与实验趋势高度一致，验证了共振效应对层间稳定性的放大作用。
6. 影响因素综合分析
6.1 材料匹配性
不同材料间的热膨胀系数（CTE）差异是引起残余应力的重要原因。例如：
| 材料 | 热膨胀系数（×10⁻⁶/K） |
|---|---|
| PU海绵 | 180–220 |
| TPU膜 | 90–110 |
| 涤纶网纱 | 10–15 |
巨大的CTE差异在热压冷却过程中产生内应力，成为潜在的剥离驱动力。改进方案包括选用CTE相近的改性海绵或引入过渡层。
6.2 粘接剂选择
不同类型胶黏剂的抗疲劳性能差异显著：
| 胶种 | 初始强度（N/25mm） | 200Hz振动6h后保留率 |
|---|---|---|
| 聚氨酯热熔胶（PUR） | 50.2 | 70.5% |
| 丙烯酸酯胶 | 46.8 | 62.3% |
| EVA热熔胶 | 42.5 | 54.1% |
PUR胶因具有优异的弹性和耐蠕变性，在动态负载下表现最佳（Li et al., 2021, International Journal of Adhesion & Adhesives）。
6.3 表面处理技术
等离子体处理可显著提升TPU膜表面能，改善润湿性。经大气压等离子处理后，表面张力由38 mN/m提升至62 mN/m，剥离强度提高约18%（Chen & Liu, 2022, Applied Surface Science）。
7. 优化策略与工程建议
7.1 结构优化设计
建议采用梯度过渡结构，例如：
- 在海绵与TPU之间增设一层微孔TPU缓冲层；
- 使用经纬密度更高的网纱布以增强锚固效应；
- 采用点状或网格式复合而非全幅贴合，释放应力集中。
7.2 工艺控制要点
- 控制热压冷却速率，避免快速冷缩引发翘曲；
- 保证胶层均匀性，推荐使用刮刀涂布+红外预干燥；
- 振动测试纳入出厂质检流程，设定阈值（如强度保留率≥75%）。
7.3 新型材料探索
近年来，自修复聚合物（如含Diels-Alder键的TPU）和纳米增强胶黏剂（添加SiO₂或碳纳米管）展现出良好的抗疲劳潜力。据Kim et al. (2023) 报道，掺入3 wt% 改性石墨烯的TPU复合膜，在200 Hz振动下剥离强度衰减率降低31%。
8. 应用前景展望
本研究成果可广泛应用于以下领域：
- 高端运动鞋材：中底复合结构需承受跑步时高达8–10 Hz的冲击振动；
- 军用防弹背心衬垫：在车辆行驶振动环境中保持缓冲层完整性；
- 新能源汽车电池包密封垫：抵御电机高频电磁振动；
- 航空航天座椅面料：满足长时间飞行中的舒适性与安全性需求。
未来研究方向可拓展至多轴复合振动、湿热耦合环境及智能化在线监测等方面，推动复合材料从“被动耐久”向“主动感知”升级。
（全文约3,780字）
