玻璃纖維膨體花式紗的性能研究

劉元軍，趙曉明，李衛(wèi)斌，拓 曉，Anja Huber

(1.天津工業(yè)大學 紡織學部，天津 300387; 2.下萊茵應用科學大學 紡織與服裝技術學院， 德國 門興格拉德巴赫 47805)

研究與技術

玻璃纖維膨體花式紗的性能研究

劉元軍1，趙曉明1，李衛(wèi)斌1，拓 曉1，Anja Huber2

(1.天津工業(yè)大學 紡織學部，天津 300387; 2.下萊茵應用科學大學 紡織與服裝技術學院， 德國 門興格拉德巴赫 47805)

為了改善玻璃纖維膨體紗的織造性能，將玻璃纖維膨體紗加工成玻璃纖維膨體花式紗。以斷裂強力、斷裂伸長率和條干均勻率為評價指標，優(yōu)化出最佳的玻璃纖維膨體花式紗制備工藝。然后，研究了玻璃纖維膨體花式紗的形態(tài)結構、導熱系數(shù)及熱防護性能。結果表明：速比為1.0，捻度為80捻/m時，玻璃纖維膨體花式紗的性能最佳；膨體花式紗具備良好的蓬松性及熱防護性能，其導熱系數(shù)為0.1 W/(m·K)，是一種性能良好的保溫材料。

玻璃纖維；花式紗；性能；熱防護

玻璃纖維是現(xiàn)代無機非金屬材料中具有獨特功能的材料，其來源豐富，價格便宜，具有強度高、耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)異性能，使其在熱防護領域發(fā)揮不可比擬的作用，同時還可以作為復合材料的增強體[1-8]。玻璃纖維膨體紗屬于空氣變形紗的一種，是把待加工的一股或幾股連續(xù)纖維紗線以一定的超喂量送入特殊的變形噴嘴中，并連續(xù)向噴嘴通入高壓氣流，使之吹入紗線內(nèi)部，把纖維彼此引開，進而在氣流的紊流狀態(tài)下使開啟的單絲互相纏繞，纖維在無張力狀態(tài)下射出噴嘴的瞬間，由于速度的急劇變化，使得超喂部分形成無規(guī)則的毛圈、結節(jié)而形成變形紗。由于玻璃纖維膨體紗自身較為蓬松，給織造過程帶來極大不便，膨體紗穿綜較為困難，且與鋼筘的磨損較為嚴重，為了改善玻璃纖維膨體紗的織造性能，將玻璃纖維膨體紗加工成玻璃纖維膨體花式紗[9-11]。本文以斷裂強力、斷裂伸長率和條干均勻率為評價指標，優(yōu)選最佳的玻璃纖維膨體花式紗制備工藝，并研究玻璃纖維膨體花式紗的形態(tài)結構、固定樹脂能力、導熱系數(shù)及熱防護性能。

1 試 驗

1.1 材 料

兩種規(guī)格的玻璃纖維無捻粗紗(400、1 250 tex，淄博思創(chuàng)玻璃纖維有限公司)，苯甲基硅樹脂(含固量50 %，上海市樹脂廠)。

1.2 儀 器

PC-PH-Ⅱ型玻璃纖維專用膨體紗機(杭州蕭山天成機械有限公司)，HN32-04型花式捻線機(北京卓川電子科技有限公司)，DWL5016型半自動織樣機(天津市隆達機電科技發(fā)展有限公司)，YG136型條干均勻度儀(陜西長嶺紡織機電科技有限公司)，YG004E型電子單纖維強力儀(天祥紡儀器有限公司)，TPP701D型熱防護性能儀(美國精密制造公司)，TPS2500S型熱常數(shù)分析儀(Hot Disk儀器公司)等。

1.3 玻璃纖維膨體紗的制備

利用課題組擁有自主專利的連續(xù)功能纖維束氣流分散法，制備玻璃纖維膨體紗[12]。該方法生產(chǎn)出來的膨體紗蓬松性和單絲分離狀態(tài)良好，同時避免了化學方法處理纖維造成的表面損傷。膨化過程如圖1所示。

圖1 紗線膨化過程示意Fig.1 Process schematic diagram of yarn bulking

紡紗工藝及參數(shù)：在開動設備前，首先選擇合適的噴嘴，然后將玻璃纖維粗紗退繞下一段長度，手動將紗線依次經(jīng)過梳型張力器、送紗羅拉、膨化器密封氣室、輸出羅拉、張力自停裝置、卷取輥，其繞紗路徑如圖2所示。紗線在送紗羅拉和輸出羅拉上纏繞兩圈，防止紗線打滑，羅拉空轉，造成紗線堆積。連接氣體過濾排放裝置，以免排出的氣流中帶有纖維，污染工作環(huán)境并對人體造成損傷。關閉膨化器密封氣室，防止氣流噴出造成傷害。準備工作完成后，開啟膨體紗機，通過調(diào)節(jié)空氣壓力和機速來控制成紗的質(zhì)量。根據(jù)文獻[10-11]選擇空氣壓力大小為0.7 MPa，機速為105 m/min，此時生產(chǎn)出來的玻璃纖維膨體紗強力和性能最好。

圖2 繞紗路徑Fig.2 Winding path

紡膨體紗注意事項：1)對于不同粗細的紗線，選擇合適的噴嘴，以保證紗線的蓬松效果；2)玻璃纖維無捻粗紗退繞過程中，將紗管與喂入羅拉置于同一平面內(nèi)，保證粗紗在退繞過程中不會產(chǎn)生捻度變化；3)由于玻璃纖維表面較為光滑，紗線在經(jīng)過喂入羅拉和輸出羅拉時，應在喂入羅拉和輸出羅拉上纏繞兩圈，以防止發(fā)生紗線打滑，影響設備正常工作；4)設備工作時，確保膨化器氣室關畢，排風管道和氣體過濾裝置正常工作，無玻璃纖維排放到工作環(huán)境中。

1.4 玻璃纖維膨體花式紗的制備

玻璃纖維膨體花式紗由芯紗、飾紗和固結紗組成，主要通過調(diào)節(jié)捻度和速比來控制成紗質(zhì)量。膨體花式紗的結構如圖3所示，玻璃纖維膨體花式紗的實物如圖4所示。

圖3 膨體花式紗結構示意Fig.3 Structure schematic diagram of fancy bulk yarn

圖4 玻璃纖維膨體花式紗實物Fig.4 Real photo of fancy bulk yarn of glass fiber

紡膨體花式紗注意事項：1)在花式紗線機上，固結紗的喂入端盡量靠近芯紗和飾紗喂入羅拉，以保證較好的固結效果；2)膨體紗作為飾紗在進入喂入羅拉前需經(jīng)過導紗鉤，為防止膨體紗與導紗鉤發(fā)生纏繞，應及時進行疏導，以免影響設備正常運行；3)紗線從輸出羅拉出來后，應經(jīng)過張力調(diào)節(jié)裝置，以保證正常卷繞。

1.5 測試指標和方法

1.5.1 形態(tài)結構測試

參照JB/T 6842—1993《掃描電子顯微鏡實驗方法》，采用Quamta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡測試。

1.5.2 條干均勻度測試

參照GB/T 3292.1—2008《紡織品 紗線條干不勻試驗方法》，采用YG136型條干均勻度儀對玻璃纖維膨體花式紗進行條干均勻度測試。

1.5.3 拉伸性能測試

采用YG004E型電子單纖維強力儀，參照GB/T 7690.3—2013《玻璃纖維斷裂強力和斷裂伸長的測定》進行測試。

1.5.4 熱常數(shù)測試

采用德國產(chǎn)熱常數(shù)分析儀對織物進行導熱系數(shù)測試。每種織物測試5個試樣，最后取平均值。

1.5.5 熱防護性能測試

采用熱防護性能儀對織物進行隔熱性能測試，通過測試獲得織物傳感響應曲線與二度燒傷曲線交叉時間，從而判斷織物的隔熱性能優(yōu)劣。測試方法參照ISO 17492—2003《隔熱和防火服曝露于火和輻射熱時防護服的熱傳遞的測定》。

2 結果與討論

2.1 玻璃纖維膨體花式紗制備工藝

2.1.1 捻度對玻璃纖維膨體花式紗斷裂強力的影響

當飾紗與芯紗喂入速比為1.0，400 tex玻璃纖維膨體花式紗斷裂強力隨捻度變化如圖5所示。

圖5 捻度對400 tex玻璃纖維膨體花式紗斷裂強力的影響Fig.5 Effect of twist degree on breaking strength of 400 tex fancy bulk yarn of glass fiber

由圖5可以看出，在一定范圍內(nèi)玻璃纖維膨體花式紗斷裂強力隨著捻度的增加而增加。當捻度為80 捻/m時，玻璃纖維膨體花式紗的斷裂強力最大。當捻度超過80 捻/m時，隨著捻度增加斷裂強力逐漸減小。

當飾紗與芯紗喂入速比為1.0，1 250 tex玻璃纖維膨體花式紗斷裂強力隨捻度變化如圖6所示。

圖6 捻度對1 250 tex玻璃纖維膨體花式紗斷裂強力的影響Fig.6 Effect of twist degree on breaking strength of 1 250 tex fancy bulk yarn of glass fiber

由圖6可以看出，在一定范圍內(nèi)玻璃纖維膨體花式紗斷裂強力隨著捻度的增加而增加。當捻度為70 捻/m時，玻璃纖維膨體花式紗的斷裂強力最大。當捻度超過70 捻/m時，隨著捻度增加斷裂強力逐漸減小。

2.1.2 全因子試驗

制備玻璃纖維膨體花式紗過程中，影響成紗質(zhì)量的因素主要是捻度和速比，為此本課題設計了2因素(以速比A和捻度B為因素)3水平全因子試驗，如表1、表2所示。參考單因子試驗結果，捻度范圍選擇在60～100 捻/m。

表1 (芯紗64 tex+固結紗32 tex+膨體紗400 tex)全因子試驗Tab.1 Full-factor experiments of (core yarn 64 tex+binder yarn 32 tex+bulk yarn 400 tex) yarn

根據(jù)表1和表2中極差計算結果可以看出，400 tex玻璃纖維膨體花式紗的斷裂強力、斷裂伸長、條干不勻受速比的影響大于捻度。當速比為1.1時，飾紗出現(xiàn)起圈現(xiàn)象，紗線的質(zhì)量不穩(wěn)定，并且不能正常卷繞。當速比為0.9時，飾紗呈現(xiàn)繃緊狀態(tài)。試驗數(shù)據(jù)表明方案5速比選擇1.0，捻度為80 捻/m時，玻璃纖維膨體花式紗的斷裂強力、斷裂伸長和條干均勻性較好。

表2 對全因子試驗的處理Tab.2 Treatment of full-factor experiments

2.2 玻璃纖維膨體花式紗結構性能

2.2.1 玻璃纖維膨體花式紗的形態(tài)結構

由圖7(a)(b)可以看出，玻璃纖維橫截面近似不規(guī)則圓形，表面帶有一層浸潤劑構成的薄膜，纖維表面光滑，縱向呈直線狀態(tài)，因此玻璃纖維間抱合力小。由圖7(c)(d)可以看出，玻璃纖維膨體紗雖然經(jīng)過高速氣流的吹噴，但是表面沒有明顯的損傷，其形態(tài)結構與玻璃纖維無捻粗紗相似。

圖7 玻璃纖維無捻粗紗和膨體紗的形態(tài)結構Fig.7 Morphological structure of roving and bulk yarn of glass fiber

2.2.2 玻璃纖維膨體花式紗織物的導熱系數(shù)

采用DWL5016型半自動織樣機制備了2種不同規(guī)格的玻璃纖維織物，分別為玻璃纖維無捻粗紗織物(經(jīng)紗：玻璃纖維無捻粗紗；緯紗：玻璃纖維無捻粗紗；平紋；平方米質(zhì)量535 g/m2；厚度0.33 mm)，玻璃纖維膨體花式紗織物(經(jīng)紗：玻璃纖維膨體花式紗；緯紗：玻璃纖維膨體花式紗；平紋；平方米質(zhì)量515 g/m2；厚度0.98 mm)。測試其導熱系數(shù)，結果如表3所示。

表3 織物導熱系數(shù)值Tab.3 Coefficient of fabric thermal conductivity

導熱系數(shù)反應材料傳導熱量的能力，導熱系數(shù)越低，材料的保溫性能越好，通常把導熱系數(shù)低于0.12 W/(m·K)的材料稱為保溫材料。由表3可以看出，玻璃纖維膨體花式紗織物的導熱系數(shù)小于0.12 W/(m·K)，其保溫性明顯優(yōu)于玻璃纖維無捻粗紗織物。這是由于保溫性能好的織物中空隙較多，其中所含靜止空氣多，空氣的導熱系數(shù)為0.023 W/(m·K)，小于玻璃纖維無捻粗紗導熱系數(shù)，所以膨體紗織物的保溫性能優(yōu)于普通無捻粗紗織物。

2.2.3 玻璃纖維膨體花式紗織物的熱防護性能

TPP值反應織物熱防護性能用，相同測試條件下，織物傳感響應曲線與二度燒傷曲線交叉的時間越長，TPP值越高，織物耐熱性越好，熱防護性能越好。織物的TPP值如表4所示，從表4可以看出，玻璃纖維膨體花式紗織物的熱防護性能明顯優(yōu)于玻璃纖維無捻粗紗織物。玻璃纖維膨體花式紗織物的TPP值約是玻璃纖維無捻粗紗織物的2倍多。

表4 織物的TPP值Tab.4 TPP values of fabrics

3 結 論

1)速比為1.0，捻度為80 捻/m時，玻璃纖維膨體花式紗的斷裂強力、斷裂伸長率和條干均勻率最佳；

2)玻璃纖維膨體花式紗織物的導熱系數(shù)小于0.12 W/(m·K)，其保溫性明顯優(yōu)于玻璃纖維無捻粗紗織物。另外，膨體花式紗具備良好的蓬松性及熱防護性能。

[1]劉新年,張紅林,賀禎,等.玻璃纖維新的應用領域及發(fā)展[J].陜西科技大學學報:自然科學版,2009,27(5):169-171. LIU Xinnian, ZHANG Honglin, HE Zhen, et al. Application in new fields and development of glass fiber[J]. Journal of Shanxi University of Science & Technology,2009,27(5):169-171.

[2]王震,姜亞明,劉良森,等.常用高性能紗線彎曲剛度的測量和表征[J].紡織學報,2014,35(5):30-33. WANG Zhen, JIANG Yaming, LIU Liangsen, et al. Measurement and characterization of bending rigidity of common high-performance yarns[J]. Journal of Textile Research,2014,35(5):30-33.

[3]羅興,何敏,郭建兵,等.EG/IFR對長玻璃纖維增強PP的協(xié)同阻燃作用[J].塑料科技,2014,42(2):38-41. LUO Xing, HE Min, GUO Jianbing, et al. Synergistic flame retardant effect of EG/IFR on long-glass-reinforced PP[J]. Plastics Science and Technology,2014,42(2):38-41.

[4]鄭振榮,趙曉明,魯濟龍,等.隔熱耐燒蝕玻璃纖維織物的制備[J].紡織學報,2014,35(3):32-36. ZHENG Zhenrong, ZHAO Xiaoming, LU Jilong, et al. Preparation of glass fiber fabrics with properties of heat insulation and ablative resistance[J]. Journal of Textile Research,2014,35(3):32-36.

[5]邵水才,石程程,王知,等.短切玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂膠粘劑的耐溫性能研究[J].中國膠粘劑,2014,23(7):17-20. SHAO Shuicai, SHI Chengcheng, WANG Zhi, et al. Study on temperature resistance of short glass fiber reinforced EP adhesive[J]. China Adhesives,2014,23(7):17-20.

[6]曾小亮,于淑會,孫蓉,等.聚乙二醇改性雙馬來酰亞胺-三嗪樹脂/玻璃纖維布復合材料的熱性能[J].化工進展,2014,33(1):150-154. ZENG Xiaoliang, YU Shuhui, SUN Rong, et al. Thermal properties of bismaleimide-triazine/glass fiber composites modified by polyethylene glycol[J]. Chemical Industry and Engineering Progress,2014,33(1):150-154.

[7]陽燦,周洪飛.石英玻璃纖維布增強BMP350聚酰亞胺樹脂基復合材料性能研究[J].航空制造技術,2014(15):56-57,62. YANG Can, ZHOU Hongfei. Study on properties of polyimide matrix composites reinforced by quartz fibre cyanate[J]. Aeronautical Manufacturing Technology,2014(15):56-57,62.

[8]張林,周莉,張建中.短切玻璃纖維氈增強不飽和聚酯樹脂復合材料的性能研究[J].當代化工,2010,39(6):622-624.ZHANG Lin, ZHOU Li, ZHANG Jianzhong. Study on performance of a short cut glass fiber felt reiforced unsaturated polyester resin composite material[J]. Contemporary Chemical Industry,2010,39(6):622-624.

[9]姜巖,姜麗,王善元.長絲變形紗成紗熵變對抗彎剛度的影響[J].紡織學報,2012,33(3):18-21. JIANG Yan, JIANG Li, WANG Shanyuan. Effects of texturing entropy change on bending stiffness of textured filament yarns[J]. Journal of Textile Research,2012,33(3):18-21.

[10]姜巖,張相宇,姜麗,等.空氣變形工藝對成紗熵變的影響[J].紡織學報,2012,33(9):26-29. JIANG Yan, ZHANG Xiangyu, JIANG Li, et al. Effects of air-texturing process on texturing entropy change[J]. Journal of Textile Research,2012,33(9):26-29.

[11]姜巖.空氣變形紗拉伸性能探討[J].紡織學報,2013,34(3):31-34. JIANG Yan. Study on tensile properties of ATY[J]. Journal of Textile Research,2013,34(3):31-34.

[12]趙曉明,楊朝坤.一種連續(xù)功能纖維束氣流分散和成型方法及其設備：中國,CN103614833A[P].2014-03-05. ZHAO Xiaoming, YANG Chaokun. Air dispersion and forming method and its equipment about fiber bundle of a continuous function:China, CN103614833A[P].2014-03-05.

A Study on the Performance of Fancy Bulk Yarn of Glass Fiber

LIU Yuanjun1, ZHAO Xiaoming1, LI Weibin1, TUO Xiao1, ANJA Huber2

(1.College of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2. Faculty of Textile and Clothing Technology,Hochschule Niederrhein-University of Applied Sciences, M?nchengladbath 47805， Germany)

In order to improve the weaving performance of bulk yarn, the bulk yarn of glass fiber was processed into fancy bulk yarn of glass fiber. Breaking strength, elongation at break, and yarn evenness were used as the evaluation index to optimize the best preparation technology of fancy bulk yarn. Then, morphological structure, coefficient of thermal conductivity and thermal protection performance of the fancy bulk yarn of glass fiber were studied. The results show that when the speed ratio is 1.0 and twist is 80 T/m, fancy bulk yarn can reach the best properties. The fancy bulk yarn owns favorable fluffy property and thermal protection performance. Its coefficient of thermal conductivity is 0.1 W/(m·K), and it is a kind of thermal insulation material with good insulation performance.

glass fiber; fancy yarn; performance; thermal protection

2015-05-05;

2015-11-04

國家自然科學

基金項目(51206122)；天津應用基礎與前沿技術研究計劃項目(13JCQNJC03000);天津工業(yè)大學研究生科技創(chuàng)新活動計劃資助項目(15101)

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.12.004

TQ171.77

A

1001-7003(2015)12-0016-05 引用頁碼: 121104