寬幅短纖針刺土工布的生產(chǎn)工藝

黃玉蓮，姚 婕

（1.太原理工大學(xué) 輕紡工程學(xué)院，太原 030024；2.山西新新紡織行業(yè)技術(shù)中心，太原 030024）

針刺土工布已廣泛應(yīng)用在水利、交通、電力、防止沙漠化和水土保持等工程建設(shè)中，已被譽為“第四建材”.其在各類工程中有過濾、排水、隔離、加筋、防滲、防護等作用[1].目前我國土工布的用量已超過3億m2，非織造土工布占非織造布總量的比重達到40%左右.隨著針刺土工布、土工膜、植生袋等應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴散，產(chǎn)品品種、質(zhì)量和生產(chǎn)技術(shù)以創(chuàng)新為特征并高速發(fā)展，土工布在土木工程建設(shè)中將具有巨大潛在市場[2].大力開拓土工布的應(yīng)用市場，擴大土工布產(chǎn)能，對紡織行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、扭虧增盈將會起到積極地促進作用.

寬幅短纖針刺土工布是目前土工材料的前沿產(chǎn)品，在工程建設(shè)應(yīng)用方面具有絕對的優(yōu)勢[3]，本項目以產(chǎn)學(xué)研合作方式開發(fā)寬幅短纖維針刺土工布生產(chǎn)技術(shù)，重點解決產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝流程及工藝參數(shù)優(yōu)化問題，生產(chǎn)出寬幅土工布，為進一步開發(fā)土工膜、植生袋及其他針刺過濾材料奠定技術(shù)基礎(chǔ).

1 選用原料及其性能

1.1 原料選擇

短纖針刺土工布的適用原料廣泛，一般可使用滌綸、維綸、丙綸、錦綸、粘膠、棉等多種纖維加工，可以是單一纖維成分，也可以是多種纖維的組合[4]，也可使用紡織下腳料及回收材料，纖維細度范圍一般在2.78～13.3 dtex.經(jīng)過對纖維的性能、價格、市場等因素進行分析比較，參照GB/T17638－1998土工合成材料短纖針刺非織造土工布國家標準，本項目選用普通聚酯纖維與再生聚酯纖維1∶1混合，再生聚酯纖維即聚對苯二甲酸乙二酯（回收廢品瓶材料再加工，熔融紡絲制得）、具有環(huán)保、抗皺保暖性好、伸長壓縮彎曲等形變恢復(fù)能力高、剛性大、彈性模量高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強等優(yōu)點，是一種比較理想的針刺非織造布用纖維.

1.2 原料性能

本項目采用普通聚酯纖維與再生聚酯纖維，原料基本性能參數(shù)如表1所示.

表1 再生聚酯纖維基本性能表Tab.1 Basic properties of regenerated polyester fiber

2 產(chǎn)品設(shè)計

本項目確立了寬幅針刺土工布生產(chǎn)線及衍生產(chǎn)品生產(chǎn)線[5].主要目標產(chǎn)品包括養(yǎng)生滲水土工布、防水一布膜（指一層土工布覆一層膜）、防水二布膜（指兩層土工布中間加一層膜）.各目標產(chǎn)品的規(guī)格（幅寬、單位面積質(zhì)量）根據(jù)其使用要求確定，其產(chǎn)品規(guī)格如表2所示.

表2 土工布產(chǎn)品規(guī)格表Tab.2 Geotextiles specification parameters（g·m－2）

3 生產(chǎn)工藝

3.1 生產(chǎn)工藝流程

在對原料性能和產(chǎn)品要求進行充分分析的基礎(chǔ)上，確定本項目針刺土工布生產(chǎn)工藝流程為[6]:原料開松混合→定量喂入→梳理雙道夫成網(wǎng)→雙層纖網(wǎng)單獨雜亂→機械鋪網(wǎng)→纖網(wǎng)牽伸→纖網(wǎng)導(dǎo)棉喂入→正面預(yù)針刺→反面針刺→正面針刺→貯布強力控制→切邊、切斷、計碼卷取→成品，針刺土工布生產(chǎn)工藝流程如圖1所示.

圖1 針刺土工布生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of needle-punched geotextile

土工膜工藝流程:針刺土工布+膜→覆膜→冷軋→成卷.

植生袋工藝流程:針刺土工布→覆膜→燒毛→冷軋→成卷.

下面以生產(chǎn)單位面積質(zhì)量為250 g/m2的寬幅短纖針刺土工布為例具體介紹其生產(chǎn)工藝.

3.2 開松與喂棉工藝

針刺土工布生產(chǎn)工藝流程中的開松工序，為防止對纖維造成較大損傷，要根據(jù)纖維細度來選用打手.本項目所用原料細度分別為2.78 dtex和4.44 dtex,均低于6.7 dtex，故選用釘式開松機.開松機的示意圖如圖2所示.

圖2 開松機示意圖Fig.2 Opening fram

2種組份按照1∶1混合喂入開松機喂棉簾，經(jīng)過開松錫林開松后，由氣流管道輸送至喂棉機.原料喂入嚴格控制1∶1比例，控制喂入量的差異，以保證梳理機出網(wǎng)的連續(xù)性、均勻性及產(chǎn)品質(zhì)量要求，避免開松錫林堵棉或風(fēng)道塞棉.喂入輥速度和開松錫林速度要恰當(dāng)，以確保纖維充分開松又不會損傷纖維，因此開松錫林電動機頻率確定為45 Hz.

喂棉機示意圖如圖3所示.圖3中可調(diào)節(jié)的電控參數(shù)只有角丁簾電機頻率，經(jīng)過多次實驗，最終將角丁簾的電機頻率范圍確定為40 Hz.此外，調(diào)整適合的角釘簾與均棉羅拉的隔距、底簾的速度、角丁簾的速度以及剝?nèi)×_拉的轉(zhuǎn)速等機械參數(shù)，以控制過棉量和纖維混合度，保證纖維橫向和縱向上的密度分布均勻.

棉箱喂棉決定土工布厚度和單位面積重量的穩(wěn)定，其主要作用是:纖維經(jīng)過充分開松、混和后處理成均勻的筵棉喂給梳理機.筵棉的均勻性直接影響梳理成網(wǎng)的質(zhì)量，因此保證筵棉均勻準時、定量進入梳理機，確保使道夫出來的纖網(wǎng)均衡是控制的關(guān)鍵.

圖3 喂棉機示意圖Fig.3 Feeding fram

3.3 梳理工藝

梳理工藝采用羅拉式雙錫林雙道夫梳理機[7].梳理的作用是將經(jīng)過開清棉工序的纖維加工成薄纖維網(wǎng)，并經(jīng)過鋪疊交叉成網(wǎng)后供針刺機加固.影響梳理效果的因素包括:針布和原料的對應(yīng)選配；錫林、道夫及喂入輥的速度；錫林與工作輥、道夫之間的速比等.定制的梳理機隔距是不可調(diào)的，經(jīng)多次試驗，各項頻率設(shè)置為:錫林電機25 Hz，道夫電機20 Hz，喂入輥電機8.5 Hz.該工藝可以確保減少棉結(jié)的形成，提高棉網(wǎng)均勻性，增強棉網(wǎng)的撕裂強力，形成一張連續(xù)均勻的棉網(wǎng).

3.4 鋪網(wǎng)和喂入工藝

鋪網(wǎng)工藝采用交叉式鋪網(wǎng)機，原理如圖4所示.梳理機輸出的纖維網(wǎng)在上簾和下簾之間，通過上下簾的相對運動將纖維網(wǎng)鋪放在釘簾上.調(diào)節(jié)釘簾的頻率可控制鋪網(wǎng)的厚度及效果，頻率越快，纖維網(wǎng)越薄.由于定量與鋪網(wǎng)的厚度有著密切的關(guān)系，多次試驗，確定參數(shù)為:鋪網(wǎng)機上下簾頻率均為36 Hz，釘簾頻率為1.75 Hz.

圖4 鋪網(wǎng)機示意圖Fig.4 Spreading machine

針刺機的喂入與輸出一般為連續(xù)運動，本項目選用中速針刺機[8]，喂入與輸出采用間歇步進控制，當(dāng)刺針在上止點時，喂入羅拉與輸出羅拉開始工作，當(dāng)刺針在下止點時，喂入羅拉與輸出羅拉停止工作.送網(wǎng)裝置如圖5所示.

圖5 送網(wǎng)裝置示意圖Fig.5 Fiber transmission device

3.5 預(yù)針刺工藝

針刺機分為預(yù)針刺機、下針刺機和上（主）針刺機，通過3道針刺工藝來達到產(chǎn)品預(yù)先設(shè)計的針刺密度.預(yù)針刺機的作用是將纖維網(wǎng)通過預(yù)針刺的工序初步纏結(jié)定型，減少成型纖維網(wǎng)的牽伸變形.預(yù)針刺機為單針板預(yù)針刺機，其植針密度為6061針/m，針刺深度為15 mm.產(chǎn)品針刺密度與纖維網(wǎng)輸出速率和針刺頻率相關(guān).由針刺機的傳動關(guān)系可知，針刺頻率與電機頻率和纖網(wǎng)輸出速率與電機頻率的關(guān)系均為線性關(guān)系，分別如圖6和圖7所示.經(jīng)多次試驗，預(yù)針刺機電機頻率設(shè)定為15 Hz.

圖6 纖網(wǎng)輸出速率與電機頻率關(guān)系Fig.6 Relationship between output speed of fiber network and motor frequency

圖7 針刺頻率與電機頻率關(guān)系Fig.7 Relationship between frequency of needle-punched and motor frequency

3.6 下針刺工藝

下針刺機的植針密度為5758針/m，針刺深度為10 mm.主要作用是對纖維網(wǎng)的反向穿刺，將纖網(wǎng)背面的纖維帶入纖網(wǎng)內(nèi)部，增加了纖維間纏結(jié)，進一步提高纖網(wǎng)強力及表面平整光潔度.

根據(jù)圖6和圖7得出的關(guān)系，需注意的是下針刺機與預(yù)針刺機的纖網(wǎng)輸出速度要基本保持一致，防止下針刺機輸出速度過快造成纖網(wǎng)牽伸快而打斷刺針，下針刺機輸出速率過慢會造成下針刺機進料口處發(fā)生擁堵.經(jīng)過多次試驗，下針刺機電機頻率設(shè)定為25 Hz.

3.7 上針刺工藝

上（主）針刺機的植針密度為5758針/m，針刺深度為10 mm，電機頻率設(shè)定為28 Hz.上針刺機的作用是將纖維網(wǎng)通過主針刺機進一步針刺增加纖維纏結(jié)，達到產(chǎn)品表面平整，實現(xiàn)無明顯針痕條紋等.本項目研究的土工布生產(chǎn)照片如圖8所示.

圖8 寬幅針刺土工布生產(chǎn)照片F(xiàn)ig.8 Photo of wide needle-punched geotextile production

4 針刺工藝對性能的影響

4.1 產(chǎn)品性能測試

針刺密度、針刺深度對產(chǎn)品性能會產(chǎn)生較大影響.本項目在開發(fā)各種規(guī)格針刺土工布過程中，針對每一種規(guī)格的產(chǎn)品，都進行了不同針刺密度和針刺深度的試驗，以單位面積質(zhì)量為250 g/m2的寬幅短纖針刺土工布為例，分別設(shè)置針刺密度為100刺/cm2和150刺/cm2、針刺深度為10 mm和12 mm 2種不同工藝參數(shù)，對產(chǎn)品的定量、厚度、頂破強力、拉伸斷裂強力、撕裂強力以及透水性等6項指標進行測試[9－10].

產(chǎn)品測試前將樣品進行預(yù)處理和預(yù)調(diào)濕.預(yù)處理:在50℃、相對濕度為5%～25%條件下進行預(yù)烘干.預(yù)調(diào)濕:標準狀態(tài)下（溫度20℃±1℃，相對濕度65%±2%），調(diào)濕24 h及以上，然后在此條件下進行以下性能測試，各項指標測試標準及方法如下.

（1）單位面積質(zhì)量（g/m2）測試.參照 GB/T24218.1－2009紡織品非織造布試驗方法第1部分:單位面積質(zhì)量的測定的要求測定非織造布的單位面積質(zhì)量.

（2）厚度測試.按照GB/T24218.2－2009測定常規(guī)和蓬松類非織造布厚度的試驗，測試土工布厚度的儀器為YG（B）141D型織物厚度儀.

（3）頂破強力測試.按照GB/T 14800－2010《土工布頂破強力試驗方法》要求，采用YG031D型頂破強力機，測試以球形頂桿垂直于試樣平面的方向頂壓試樣，直至其破壞的過程中的最大力.

（4）拉伸斷裂強力測試.按 GB/T24218.18－2014《紡織品非織造布試驗方法第18部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定（抓樣法）》要求測定非織造布的拉伸斷裂強力，試驗儀器為YG065型電子織物強力試驗儀.

（5）撕裂強力測試.按照GB/T13763－921中對土工布梯形法撕破強力試驗方法的規(guī)定，使用2S等速伸長型強力機（CRT）測試.

（6）垂直滲透系數(shù)測試.按照國家標準GB/T15789－2005《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品無負荷時垂直滲透特性的測定》，采用FY020型土工布垂直透水測試儀進行垂直滲透系數(shù)的測試，測試結(jié)果如表3所示.

表3 產(chǎn)品性能測試數(shù)據(jù)表Tab.3 Product performance test data

4.2 針刺工藝參數(shù)對性能的影響

分析表3中的數(shù)據(jù)可知:

（1）針刺密度越大，針刺深度越大，產(chǎn)品的定量越小，厚度越小.這是由于針刺時刺針帶著纖維網(wǎng)表層的纖維垂直進入纖維網(wǎng)內(nèi)層，纖維之間相互鎖合，纖維網(wǎng)受針刺壓力變形擴散，同時在前進中又受到牽伸，從而使纖網(wǎng)厚度下降，樣品定量減小.

（2）針刺密度越大，針刺深度越大，產(chǎn)品的頂破強力、拉伸斷裂強力、撕裂強力均越大.這是因為當(dāng)針刺密度加大或針刺深度加大時，垂直插入纖維網(wǎng)的纖維增多，使纖維網(wǎng)的結(jié)合牢度增強.但當(dāng)針刺密度過大、針刺深度過大時，由于在針刺時造成的纖維損傷程度增加，將導(dǎo)致產(chǎn)品的頂破強力、拉伸斷裂強力和撕裂強力的降低.

（3）針刺密度越大，產(chǎn)品的垂直滲透系數(shù)越大；針刺深度越大，垂直滲透系數(shù)越小，但變化不是很大.當(dāng)針刺深度不變加大針刺密度時，由于纖維網(wǎng)在垂直方向上的針刺孔變多，垂直方向的纖維也變多，使得在垂直方向上水的滲透阻力減小，但當(dāng)針刺密度不變，針刺深度變大時，由于纖維網(wǎng)變的密實，使水的滲透阻力加大.

5 結(jié)語

通過對寬幅短纖維針刺土工布的生產(chǎn)工藝研究及產(chǎn)品性能測試分析，總結(jié)出本項目采用的針刺土工布生產(chǎn)技術(shù)具有以下特點:

（1）原料選擇范圍廣.短纖針刺土工布的適用原料廣泛，一是可使用滌綸、維綸、丙綸、錦綸、粘膠、棉等多種纖維加工，可以是單一纖維成分，也可以是多種纖維的組合；二是可使用紡織下腳料；三是可使用回收材料.纖維細度范圍2.78～13.3 dtex.

（2）生產(chǎn)組織靈活.針刺土工布的生產(chǎn)是從纖維開始的，生產(chǎn)組織比較方便，可以及時地為顧客提供小批量多品種的產(chǎn)品（如:土工布、土工膜、防水板等），且調(diào)整產(chǎn)品規(guī)格及幅寬非常方便.

（3）工藝可塑性大.針刺土工布的工藝可調(diào)性大，可通過改變工藝達到優(yōu)化產(chǎn)品性能的目的.針刺深度和針刺密度是2個極為關(guān)鍵的指標，從纖維成分的組合到針刺工藝參數(shù)的改變，都能對特定規(guī)格的針刺土工布實現(xiàn)重塑.

（4）項目開發(fā)過程系統(tǒng)性、集成化程度強.該項目整合了我省具備的所有土工布生產(chǎn)技術(shù)資源，為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)針刺土工布提供了可靠的技術(shù)支持和經(jīng)驗數(shù)據(jù).

（5）開發(fā)了高起點的針刺土工布生產(chǎn)技術(shù).以滿足我省經(jīng)濟建設(shè)的需求為出發(fā)點，兼顧行業(yè)發(fā)展及中小型企業(yè)的技術(shù)條件，開發(fā)了由市場為導(dǎo)向的高起點針刺土工布生產(chǎn)技術(shù).

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