水刺多層復(fù)合建筑覆蓋材料的制備及性能*

韓 旭 張寅江 陳銀青 靳向煜

(1.浙江和中非織造股份有限公司，紹興，312000;2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，紹興，312000;3.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑工業(yè)、房屋質(zhì)量及相關(guān)公共活動(dòng)設(shè)施等提出了越來越高的要求［1］，對(duì)建筑工地的施工安全和相應(yīng)工程的合理科學(xué)化提出了要求，同時(shí)還必須考慮到實(shí)際的建設(shè)成本。在工地施工時(shí)，為保護(hù)鋼或木結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場，避免雨水對(duì)基建材料的腐蝕，提升建筑物的質(zhì)量，需要使用建筑覆蓋材料來保護(hù)施工現(xiàn)場。相應(yīng)的建筑覆蓋物要有較大的強(qiáng)力，防水、防滲、耐腐蝕性好，同時(shí)對(duì)耐劃破強(qiáng)力也有一定要求［2］。本文采用100%疏水性滌綸經(jīng)六層交叉鋪網(wǎng)和兩層直鋪網(wǎng)復(fù)合，再經(jīng)水刺加固纏結(jié)，所制成的建筑工地用多層覆蓋柔性纖網(wǎng)體能達(dá)到工地施工要求且成本低。目前該覆蓋柔性材料在美國等發(fā)達(dá)國家建筑工地上已被普遍應(yīng)用，在我國未來的施工工地上定有較大的應(yīng)用前景。

1 水刺多層復(fù)合建筑覆蓋材料的制備

1.1 建筑覆蓋材料規(guī)格

采用兩種100%疏水性滌綸，其中纖維A規(guī)格為2.2 dtex×51 mm，纖維 B 規(guī)格為 1.67 dtex×38 mm，通過相同工藝制備兩種建筑覆蓋材料。所制復(fù)合纖網(wǎng)產(chǎn)品面密度均為100 g/m2，幅寬均為3 500 mm。

1.2 技術(shù)工藝路線

兩種原料均采用六層交叉鋪網(wǎng)和兩層梳理直接成網(wǎng)相結(jié)合，形成上、下兩種結(jié)構(gòu)的纖網(wǎng)復(fù)合層，并經(jīng)水針沖擊作用使纖網(wǎng)中纖維相互間穿插纏結(jié)，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的纖網(wǎng)。在纖網(wǎng)面密度一定的情況下，進(jìn)行多層纖網(wǎng)纏結(jié)疊加，可保證具有各向同性面層和各向異性面層良好結(jié)合的建筑覆蓋材料的性能。該建筑覆蓋材料的制備工藝見圖1。

圖1 工藝技術(shù)路線

成網(wǎng)梳理機(jī)后配置雙道夫，道夫后配置凝聚羅拉，通過調(diào)節(jié)道夫與凝聚羅拉的線速度比值可有效調(diào)節(jié)該層纖網(wǎng)中纖維的縱橫向比例［3］。為使纖網(wǎng)上、下面層具有兩種不同的性能，同時(shí)增加纖網(wǎng)與纖網(wǎng)間的抱合力，以達(dá)到纖網(wǎng)所需的力學(xué)性能要求，采用兩臺(tái)梳理機(jī)并進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)來制作纖網(wǎng)。第一臺(tái)梳理機(jī)的每只道夫產(chǎn)出小面密度纖網(wǎng)(＜35 g/m2)，經(jīng)過交叉鋪網(wǎng)機(jī)進(jìn)行三層纖網(wǎng)疊加，使纖維由縱向排列向橫向排列轉(zhuǎn)變;纖網(wǎng)再經(jīng)雜亂牽伸機(jī)對(duì)其進(jìn)行多級(jí)小倍數(shù)牽伸，以使纖網(wǎng)達(dá)到設(shè)定的面密度;雙道夫致使六層纖網(wǎng)疊加，交叉鋪網(wǎng)角為35°～45°。第二臺(tái)梳理機(jī)輸出直鋪纖網(wǎng)，配置凝聚羅拉，可通過調(diào)節(jié)其與道夫的速比來調(diào)節(jié)纖維的雜亂程度，橫鋪直取，鋪網(wǎng)角度為90°。第二臺(tái)梳理機(jī)輸出的兩層纖網(wǎng)與第一臺(tái)梳理機(jī)產(chǎn)出的纖網(wǎng)進(jìn)行疊合，得到最終所要的復(fù)合結(jié)構(gòu)覆蓋材料。由于采用兩臺(tái)梳理機(jī)梳理成網(wǎng)，所以可通過改變兩臺(tái)梳理機(jī)纖網(wǎng)鋪設(shè)參數(shù)來達(dá)到產(chǎn)品不同的性能要求。

1.3 主要工藝參數(shù)

(1)梳理。梳理機(jī)一各輥速度：主錫林工作輥70 m/min，主錫林剝?nèi)≥?40 m/min，主錫林1 100 m/min;梳理機(jī)二各輥速度：主錫林工作輥60 m/min，主錫林剝?nèi)≥?120 m/min，主錫林1 200 m/min。梳理機(jī)喂入纖網(wǎng)面密度為30 g/m2。

(2)鋪網(wǎng)。交叉鋪網(wǎng)能改變纖維縱橫向排列，均衡縱橫向強(qiáng)力;直鋪纖網(wǎng)中的纖維大體呈縱向排列。交叉鋪網(wǎng)機(jī)原理示意見圖2。

(3)牽伸。總牽伸比達(dá)到2.447。

圖2 交叉鋪網(wǎng)機(jī)原理示意

(4)水刺。7個(gè)水刺頭水刺壓力依次設(shè)定為：3.5、9.0、12.0、15.0、14.0、10.0 和 3.0 MPa。

(5)烘干。烘干機(jī)溫度控制在(110±10)℃。

2 性能測試與儀器

(1)用TM3000掃描電鏡對(duì)材料進(jìn)行表面形態(tài)觀察。

(2)按照GB/T24218.2—2009 標(biāo)準(zhǔn)，在YG141N型數(shù)字式織物厚度儀上進(jìn)行材料厚度測試。

(3)按照GB/T24218.2—2009標(biāo)準(zhǔn)，用圓盤取樣機(jī)進(jìn)行面密度的測試。

(4)按照 FZ/T60005—1991標(biāo)準(zhǔn)，采用HD026N型電子織物強(qiáng)力儀進(jìn)行斷裂強(qiáng)力的測定。拉伸速度100 m/min，隔距20 cm，試樣寬度50 mm。

(5)按照 GB/T3917.3—1997 標(biāo)準(zhǔn)，采用HD026N型電子織物強(qiáng)力儀進(jìn)行梯形法撕裂強(qiáng)力的測定。拉伸速度100 m/min，隔距10 cm。

3 性能測試結(jié)果與分析

3.1 表面形態(tài)

圖3是覆蓋材料兩面表面形態(tài)的掃描電鏡照片。

在圖3(a)覆蓋材料纖維直鋪纖網(wǎng)面中，兩層纖網(wǎng)經(jīng)水針的沖擊，水刺孔附近纖維上下交纏顯著，局部纖網(wǎng)區(qū)域有纏結(jié)現(xiàn)象，但纖維總體仍呈各向異性。因?yàn)橹变伬w網(wǎng)中纖維排列趨于機(jī)器輸出方向，盡管經(jīng)過強(qiáng)烈的水針沖擊，纖維間有所纏繞，但總體纖維排列取向變化不大。而在圖3(b)覆蓋材料的六層交叉鋪網(wǎng)面中，纖維交纏顯著，纖網(wǎng)各向同性明顯，且由水針沖擊形成的水刺孔附近，纖維上下交纏程度更加復(fù)雜。因?yàn)榻徊驿伨W(wǎng)經(jīng)雜亂牽伸所形成的纖網(wǎng)本身呈各向同性，水針作用使纖維上下間的纏繞更加明顯。

圖3 覆蓋材料兩面的纖維排列

3.2 力學(xué)性能

圖4為分別由纖維A和纖維B制得的兩種建筑覆蓋材料樣品(樣品A和樣品B)的基本力學(xué)性能。兩種材料的面密度均為100 g/m2，厚度均為0.6 mm。

圖4 兩種樣品的力學(xué)性能

由圖4可見，樣品A的縱橫向基本力學(xué)性能均優(yōu)于樣品B，兩種樣品的斷裂強(qiáng)力均為縱向大于橫向，斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)力均為橫向大于縱向。這是因?yàn)楸M管纖維A較纖維B略粗，但纖維A較纖維B長，且長徑比略大，纖維A相互間接觸的概率較大，在同等水針強(qiáng)力沖擊作用下，纖維A之間更易纏繞，其所形成的纖網(wǎng)總體纏結(jié)效果會(huì)更加明顯。兩種建筑覆蓋材料纖網(wǎng)中，均有六層交叉鋪網(wǎng)層與兩層直鋪層纖維緊密纏結(jié)組成，直鋪層沿設(shè)備輸出方向(縱向)排列，交叉鋪網(wǎng)層呈各向同性。在縱向拉伸時(shí)，纖網(wǎng)中纖維交纏結(jié)構(gòu)可提供一定的拉伸張力，同時(shí)縱向排列的纖維可承受較大的拉伸張力，而橫向拉伸僅由交叉纏結(jié)的纖維提供張力，故纖網(wǎng)斷裂強(qiáng)力縱向大于橫向?？v向拉伸時(shí)，主要是纖網(wǎng)中縱向排列的纖維徑向受力，使纖網(wǎng)的伸長較小;而橫向拉伸時(shí)，主要是破壞纖維的纏結(jié)點(diǎn)，使纖網(wǎng)的伸長較大，故斷裂伸長率橫向大于縱向。同理，在撕裂強(qiáng)力測試中，沿縱向撕裂強(qiáng)力僅由交鋪層纖網(wǎng)來提供，直鋪層纖維幾乎不起作用，而橫向撕裂不僅要考慮到交鋪層纖網(wǎng)的作用，也涉及到直鋪層纖維的作用，故撕裂強(qiáng)力橫向大于縱向。比較圖4(a)和圖4(c)，兩種樣品的縱橫向的斷裂強(qiáng)力均明顯高于撕裂強(qiáng)力。斷裂強(qiáng)力由直鋪縱向排列的纖維徑向張力和交叉鋪網(wǎng)纏結(jié)解體來承擔(dān)，且前者承擔(dān)主要的作用力;而撕裂強(qiáng)力主要由交鋪層纖網(wǎng)中纖維纏結(jié)的破壞來提供。因此，纖網(wǎng)層的結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂強(qiáng)力和撕裂強(qiáng)力均有較大影響。

3.3 耐劃破性

由于當(dāng)前國內(nèi)還沒有具體測量耐劃破強(qiáng)力的儀器設(shè)備，根據(jù)耐劃破強(qiáng)力特性自行設(shè)計(jì)了測試方法。該測試方法是在電子強(qiáng)力測試儀上增加劃破裝置(圖5)，其他方法均與國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24218.3—2010《紡織品非織造布試驗(yàn)方法》一致。改進(jìn)的測試方法如下：

(1)試樣在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)大氣依據(jù)GB/T6529—2008的規(guī)定;

(2)設(shè)定拉伸試驗(yàn)儀的夾持距離為(200±1)mm，在上夾持器中間位置夾持試樣，下夾持器中間位置夾持圖5所示劃破裝置的下端，試樣末端放入劃破裝置上面的狹縫內(nèi)，試樣平直，將放入試樣后的劃破裝置上端兩鐵片握緊并在小孔中插入與圓孔大小相似的鐵釘，穿過試樣;

(3)開動(dòng)機(jī)器，以100 mm/min的恒定伸長速度劃破試樣直至試樣劃裂;

(4)記錄試樣劃裂過程中最大的力值，作為耐劃破強(qiáng)力，單位為N。

圖5 劃破裝置的正面圖和側(cè)視圖

從圖6可以看出，樣品A縱橫向耐劃破強(qiáng)力明顯大于樣品B，且兩者縱向和橫向的耐劃破強(qiáng)力差別不大。按照建筑工地的相關(guān)要求，國際上規(guī)定建筑覆蓋材料相關(guān)耐劃破強(qiáng)力必須大于80 N。上述兩種材料中，只有樣品A的縱橫向耐劃破強(qiáng)力達(dá)到要求。主要因?yàn)樵谀蛣澠菩阅艿臏y試中，耐劃破強(qiáng)力是由纖網(wǎng)中纖維的纏結(jié)破壞的張力來提供，纖維A和纖維B同為滌綸，而纖維A長度較長、纖維長徑比較大、比表面積大，在水針作用下纖維間的相互纏繞度高，緊密性好，故樣品A的耐劃破性能較樣品B好。另外，盡管兩種樣品均為多層纖網(wǎng)復(fù)合，但縱橫向纖維纏結(jié)效果所能提供的破壞機(jī)理張力接近，故縱橫向的耐劃破強(qiáng)力相近。比較圖6和圖4(c)，即進(jìn)行耐劃破強(qiáng)力和撕裂強(qiáng)力比較，可以發(fā)現(xiàn)不管縱橫向前者均大于后者。從力學(xué)測試要求與測試中材料形態(tài)變化關(guān)系來分析，耐劃破強(qiáng)力是對(duì)纏結(jié)面上的纖維纏結(jié)體進(jìn)行拉伸劃破，所涉及到纖網(wǎng)中的纖維纏結(jié)體量大，而撕裂強(qiáng)力是對(duì)類似線上(一維)的纏結(jié)纖維進(jìn)行破壞所提供的張力，故耐劃破測試時(shí)對(duì)纖維纏結(jié)的破壞所需要的力明顯高于撕裂強(qiáng)力。

圖6 兩種纖網(wǎng)層縱橫向耐劃破強(qiáng)力的對(duì)比

4 覆蓋材料相關(guān)性能及應(yīng)用機(jī)理分析

所設(shè)計(jì)的用六層交叉鋪網(wǎng)層與兩層直鋪層制備的水刺加固覆蓋材料，在水針的沖擊作用下，纖維緊密纏結(jié)，很難把兩種結(jié)構(gòu)相互分開。交叉鋪網(wǎng)層總體顯各向同性;直鋪層纖維總體沿設(shè)備輸出方向排列，各向異性明顯。在風(fēng)吹雨打的環(huán)境中以及人為因素的作用下，建筑工地中的木或鋼筋機(jī)架機(jī)構(gòu)與覆蓋材料的交叉鋪網(wǎng)層的接觸部位間一定會(huì)有滑動(dòng)，機(jī)架結(jié)構(gòu)局部區(qū)域會(huì)對(duì)建筑覆蓋材料產(chǎn)生劃破力，而與機(jī)架結(jié)構(gòu)的接觸層為交叉鋪網(wǎng)層，其各向同性可滿足小范圍劃破力的不同方向性的要求，大范圍劃破力則需要兩種纖維結(jié)構(gòu)層共同來承受，故對(duì)建筑覆蓋材料最大耐劃破強(qiáng)力有相應(yīng)的要求。與交叉鋪網(wǎng)層結(jié)合的是直鋪層纖網(wǎng)，兩層纖網(wǎng)通過水針進(jìn)行加固形成良好的纖維結(jié)合體，直鋪層各向異性明顯，作為覆蓋材料外層直接與環(huán)境接觸，在該層上雨水風(fēng)沙可沿纖網(wǎng)中纖維的排列走向順流而下，同時(shí)纖維間交纏致密，纖網(wǎng)拉伸強(qiáng)力大，具有良好的防水、防滲透的性能，可有效保護(hù)所覆蓋的工地的木或鋼筋機(jī)架機(jī)構(gòu)。同時(shí)，覆蓋材料的原料是滌綸，耐腐性、抗老化能力強(qiáng)，可作為能長時(shí)間使用的建筑工地覆蓋材料。

5 結(jié)論

(1)采用100%疏水性滌綸經(jīng)六層交叉鋪網(wǎng)和兩層直鋪網(wǎng)的復(fù)合，再經(jīng)水刺加固纏結(jié)所制成的建筑工地水刺多層覆蓋材料，兼有兩種鋪網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，纖維相互交纏致密。

(2)分別以規(guī)格為2.2 dtex×5 1 mm和1.67 dtex×38 mm的滌綸(纖維A和纖維B)制備建筑覆蓋材料(樣品A和樣品B)，樣品A的縱橫向基本力學(xué)性能均優(yōu)于樣品B，且兩種樣品的斷裂強(qiáng)力均為縱向大于橫向，斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)力均為橫向大于縱向。

(3)樣品A的拉伸強(qiáng)力大，且防水、防潮、防滲性強(qiáng)，低面密度高強(qiáng)度覆蓋材料耐劃破強(qiáng)力已超過80 N的國際施工要求，且使用壽命長，成本低，是當(dāng)今理想的建筑工地覆蓋材料。

［1］蔡倩.建筑用非織造材料更新的超前考量［J］.非織造布，2013(5)：82-83.

［2］中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).建筑現(xiàn)場安全標(biāo)準(zhǔn)［J］.中國標(biāo)準(zhǔn)化，2000(3)：57.

［3］柯勤飛，靳向煜.非織造學(xué)［M］.上海：東華大學(xué)出版社，2004：59-60.