超長(zhǎng)滌綸短纖維針刺土工布性能研究*

李素英 張 瑜 范立元 任 煜 顧聞彥 于樹發(fā)

(1.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226007;2.江蘇迎陽(yáng)無(wú)紡機(jī)械有限公司，常熟，215539)

土工布是由合成纖維通過(guò)針刺或編織而成的透水性材料，按加工方式可分為有紡?fù)凉げ己蜔o(wú)紡?fù)凉げ?，按所用原料可分為滌綸土工布、丙綸土工布等［1］。滌綸短纖維針刺土工布具有三維立體結(jié)構(gòu)，其過(guò)濾、反濾、排水、防滲、加固和防護(hù)作用突出［2］，但與滌綸紡黏土工布相比，在力學(xué)性能指標(biāo)方面還存在差距，不能滿足一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域的要求。

為提高滌綸短纖維土工布的力學(xué)性能，本研究使用江蘇迎陽(yáng)無(wú)紡機(jī)械有限公司開發(fā)的高強(qiáng)高效針刺非織造土工布生產(chǎn)線研發(fā)了150 mm超長(zhǎng)滌綸短纖維針刺土工布。與傳統(tǒng)滌綸短纖維土工布相比，該產(chǎn)品性能可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，力學(xué)性能有明顯提升，接近滌綸紡黏土工布水平，拓寬了滌綸短纖維針刺土工布的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

本研究選用三種長(zhǎng)度不同的滌綸短纖維為原料，纖維線密度皆為6 dtex，長(zhǎng)度分別為51、65和150 mm，纖維斷裂強(qiáng)度3.9 cN/dtex。

1.2 設(shè)備

51、65 mm滌綸短纖維采用FZK500開松機(jī)、FZG500給棉機(jī)、FZS1050型梳理機(jī);150 mm超長(zhǎng)滌綸短纖維采用專用開松梳理機(jī);鋪網(wǎng)及加固都采用FZP1000型鋪網(wǎng)機(jī)、FZZ-I1000預(yù)針刺機(jī)和FZZ-Ⅱ1000主針刺機(jī)等。

1.3 表征和測(cè)試

(1)采用USB電子顯微鏡觀察土工布纖維纏結(jié)狀態(tài)。

(2)拉伸斷裂性能測(cè)試按照 FZ/T60005—1991標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，測(cè)試儀器采用YT010-1000型土工布綜合強(qiáng)力機(jī)。

(3)透水性測(cè)試按照GB/T15789—2005標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，測(cè)試儀器采用YT020土工布透水性測(cè)定儀。

(4)厚度測(cè)試參照 GB/T1380—1997標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，測(cè)試儀器采用YG141型織物厚度儀。

1.4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

1.4.1 試樣制備

在不考慮交互作用的前提下，根據(jù)有關(guān)資料［3-5］制定因素水平表(表1)，并采用 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)。將不同長(zhǎng)度的滌綸短纖維按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表進(jìn)行加工，制得9種面密度為(400±20)g/m2的針刺氈試樣。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

1.4.2 性能測(cè)定結(jié)果

按測(cè)試要求裁剪試樣，依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測(cè)定。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表和試樣性能測(cè)定結(jié)果見表2。

1.4.3 表觀結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，針刺形成的“纖維銷釘”在土工布中起著纖維結(jié)合的重要作用。纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，同一根纖維形成的“纖維銷釘”個(gè)數(shù)越多，即纖維纏結(jié)點(diǎn)增多，纖維間結(jié)合的能力越強(qiáng)，針刺土工布強(qiáng)力越大。針刺密度和針刺深度也影響纖維纏結(jié)性能，從而影響土工布性能。

圖1 針刺土工布表觀結(jié)構(gòu)

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表和性能測(cè)定結(jié)果

2 結(jié)果分析

以纖維的長(zhǎng)度、針刺密度和針刺深度為因素，以斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率和透水垂直滲透系數(shù)為考核指標(biāo)，正交試驗(yàn)結(jié)果分析見表3。

2.1 土工布力學(xué)性能與因素之間的關(guān)系

由表3可見：

(1)對(duì)土工布縱橫向斷裂強(qiáng)力影響最大的因素是纖維長(zhǎng)度，其次是針刺深度，針刺密度影響最小。纖維長(zhǎng)度由51 mm增長(zhǎng)到150 mm，土工布平均強(qiáng)度明顯增大。這是因?yàn)闇炀]短纖維長(zhǎng)度增長(zhǎng)，纖維纏結(jié)點(diǎn)增多，摩擦片段增長(zhǎng)，增強(qiáng)了纖維間的纏結(jié)效果，提高了土工布強(qiáng)度，因而可拓展產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

(2)影響土工布縱向斷裂伸長(zhǎng)率的主要因素是針刺深度，其次是纖維長(zhǎng)度和針刺密度;而影響土工布橫向斷裂伸長(zhǎng)率的主要因素是纖維長(zhǎng)度，其次是針刺密度和針刺深度。這是因?yàn)橥凉げ贾欣w維橫向取向度較高，纖維長(zhǎng)度對(duì)橫向斷裂伸長(zhǎng)率的影響顯著。

(3)對(duì)于本文所研究的面密度為400 g/m2的厚型土工布，針刺深度過(guò)淺，纖維纏結(jié)不夠緊固，斷裂伸長(zhǎng)會(huì)相應(yīng)增大。針刺密度對(duì)材料斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率影響都較小，說(shuō)明所選擇的參數(shù)處于工藝合理范圍。

2.2 土工布厚度與因素之間的關(guān)系

根據(jù)表3中極差R大小順序可得出影響土工布厚度的主要因素是針刺深度，針刺密度次之，纖維長(zhǎng)度影響較小。隨著針刺深度的增大，土工布纖維層纏結(jié)更緊，材料厚度有減小趨勢(shì)。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3 土工布透水性能與因素之間的關(guān)系

根據(jù)表3中極差R大小順序可得出影響透水量的主要因素是纖維長(zhǎng)度，針刺深度次之，針刺密度影響最小。這是因?yàn)殚L(zhǎng)的短纖維在針刺纏結(jié)過(guò)程中形成了如長(zhǎng)絲般貫通材料的導(dǎo)引孔，更有利于水流透過(guò)。

2.4 最佳工藝選擇

在土工布的使用中，對(duì)其力學(xué)性能方面的要求是高強(qiáng)低伸、縱橫向強(qiáng)力同一性好，同時(shí)還要兼顧透水性能的要求。綜合考慮上述要求，本試驗(yàn)選取的較好的因素水平搭配為 A3B1C3，即纖維長(zhǎng)度150 mm，針刺密度600刺/cm2，針刺深度10 mm。

3 結(jié)論

(1)纖維長(zhǎng)度對(duì)滌綸短纖維針刺土工布縱橫向斷裂強(qiáng)力影響明顯，長(zhǎng)150 mm纖維制成的土工布力學(xué)性能提高明顯，可以拓寬產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域;針刺深度對(duì)土工布縱向斷裂伸長(zhǎng)率影響較大;針刺密度選擇600、700和800刺/cm2時(shí)，對(duì)材料力學(xué)性能影響較小。

(2)影響土工布厚度的主要因素是針刺深度，針刺密度次之，纖維長(zhǎng)度影響較小;而影響土工布透水性能的主要因素是纖維長(zhǎng)度，針刺深度次之，針刺密度影響最小。

(3)加工滌綸短纖維針刺土工布的最佳工藝組合為 A3B1C3，即纖維長(zhǎng)度150 mm，針刺密度600刺/cm2，針刺深度為10 mm。在該工藝條件下制得的土工布的性能最好，能夠滿足應(yīng)用要求。

［1］方彥忠.土工布的選擇及工藝參數(shù)對(duì)其性能的影響［J］.非織造布，2006，22(5)：23-28.

［2］方青，霍英.對(duì)滌綸針刺土工布強(qiáng)度影響因素的探討［J］.非織造布，2002，8(4)：10-12.

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［5］王睿謙，鮑志洪，王國(guó)明.特寬幅短纖針刺土工布的開發(fā)［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2000，18(10)：22-25.