一種橢圓形截面非織造用刺針的試作及應(yīng)用

吳海波，郭衛(wèi)昂

（東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620）

1 刺針對(duì)經(jīng)緯紗的損傷

刺針是針刺機(jī)的重要器材，其上有彎柄、針桿；中間段、漸變段、針身、刺鉤、針尖，針身為刺針的功能段。已有研究表明，生產(chǎn)襯有加筋層機(jī)織基布非織造材料，須考慮刺針對(duì)襯基布的損傷，且不同截面的刺針，均會(huì)造成襯基布經(jīng)緯紗不同程度的損傷。不同結(jié)構(gòu)刺針及其排列角度對(duì)機(jī)織基布經(jīng)緯紗的損傷見圖1，單棱鉤刺針開鉤刺棱與纖網(wǎng)喂入方向夾角為40°左右時(shí)，針刺后機(jī)織基布的經(jīng)緯向強(qiáng)力約剩余50%。

圖1 不同結(jié)構(gòu)刺針及其排列角度對(duì)機(jī)織基布經(jīng)緯紗的損傷

目前，典型的刺針針身截面形狀有圓形、三角形、正方形、菱形等（見圖2），在一個(gè)或多個(gè)棱上開有刺鉤。其中：圖2a）為三角形截面，在各個(gè)方向上具有均勻良好的抗彎強(qiáng)度；b）為三葉形截面，有利于刺鉤帶更多的纖維；c）為十字星形截面，四個(gè)棱邊均可開刺鉤，利于提高沖帶纖維的效率；d）為水滴形截面，單棱邊開刺鉤，常用于織造加筋層機(jī)織基布的造紙毛毯、過濾材料等，可減輕對(duì)機(jī)織基布的損傷［1］。

圖2 刺針針身截面

常用的刺針類型為三角形截面，其3條棱邊上通常開有2～3個(gè)沖帶纖維的刺鉤，在穿刺含加筋層的纖網(wǎng)時(shí)，將不可避免地導(dǎo)致1條或2條棱邊上的刺鉤鉤住加筋層機(jī)織基布經(jīng)、緯紗交織的纖維，當(dāng)刺鉤鉤住纖維且處于高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，極易造成這些纖維斷裂，導(dǎo)致加筋層機(jī)織基布的強(qiáng)力下降。

筆者設(shè)計(jì)的橢圓形截面針身刺針，在插針時(shí)，需設(shè)定其刺針橫截面的長徑與纖網(wǎng)喂入（經(jīng)紗）方向的夾角為40°～50°；針刺時(shí)，長徑側(cè)面可將加筋層的經(jīng)紗、緯紗撐開，使刺鉤不易接觸到經(jīng)紗或緯紗，從而大大減輕加筋層經(jīng)、緯紗線的損傷，使最終制品中的加筋層的強(qiáng)力得到保持。該刺針解決了市場(chǎng)上常見三角形刺針的缺陷，且加工工藝簡單、基布強(qiáng)力得到保持、產(chǎn)品使用壽命增長、節(jié)約成本。

2 非織造布用橢圓形截面針身刺針的設(shè)計(jì)

在針刺機(jī)上刺針直接與纖維接觸，并將纖維柔性纏結(jié)，刺針的品質(zhì)及其型號(hào)的選擇，直接決定了針刺產(chǎn)品的品質(zhì)［2］。生產(chǎn)針刺非織造材料時(shí)，刺針不可避免地造成纖維網(wǎng)纖維或者加筋層基布的損傷，特別是生產(chǎn)含加筋層機(jī)織基布的厚型非織造材料，如過濾材料、造紙毛毯等，就必須考慮刺針對(duì)基布的損傷。為了降低刺針對(duì)纖維或基布的損傷，設(shè)計(jì)了一種橢圓形截面針身的新型非織造材料用刺針，具體規(guī)格如下。

a） 長度為76.2mm～88.9mm，針尖、漸變段與彎柄的基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)與常規(guī)刺針相同，針身為橢圓形橫截面，與針身成一體的兩個(gè)橫截面為等腰三角形的棱脊構(gòu)成。棱脊線上各開有2～3個(gè)刺鉤，針身長度為20mm～25mm。

b） 刺針針身橢圓形橫截面的長徑為0.65 mm～0.95mm，短徑為0.32mm～0.50mm，棱脊位于針身的橢圓柱狀針身的短徑兩側(cè)，且棱脊的頂角棱邊與針身的中心軸線平行，棱脊兩個(gè)側(cè)邊的底部與橢圓柱狀針身之間采用圓弧過渡相連，所述棱脊的高度為0.075mm～0.125mm，其棱脊的截面頂角為55°，彎柄中心線平行于針身橢圓柱狀針身橫截面的長徑。結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 橢圓形刺針的結(jié)構(gòu)

圖4 橢圓形截面針身刺針的工作狀態(tài)

刺針針刺的理論分析如圖4所示，其左上部分表明：刺針上下穿刺厚型非織造材料的坯體時(shí)，其針身未接觸加筋層的經(jīng)紗和緯紗，因此不會(huì)損傷其強(qiáng)力；左下部分表明：刺針穿刺坯體時(shí)，針身未接觸緯紗，僅接觸經(jīng)紗，并且針身的橢圓形柱狀基體的長徑側(cè)面將張緊伸直的經(jīng)紗撐開，避免了棱脊上的刺鉤鉤取經(jīng)紗上的纖維，因此不會(huì)損傷其強(qiáng)力；右下部分表明：刺針穿刺坯體時(shí)，針身未接觸經(jīng)紗，僅接觸了緯紗，且針身的橢圓形柱狀基體將張緊伸直的緯紗撐開，避免了棱脊上的刺鉤鉤取緯紗上的纖維，因此不會(huì)損傷其強(qiáng)力；右上部分表明：刺針穿刺坯體時(shí)，針身既接觸經(jīng)紗，又接觸緯紗，但針身的橢圓柱狀基體的長徑側(cè)面同時(shí)將張緊伸直的經(jīng)紗和緯紗撐開，避免了棱脊上的刺鉤鉤取經(jīng)紗和緯紗上的纖維，因此不會(huì)損傷其強(qiáng)力。

3 試驗(yàn)部分

3.1 試驗(yàn)室試作

為了驗(yàn)證上述理論分析是否在實(shí)際運(yùn)行中奏效，我們先在試驗(yàn)室針刺機(jī)上進(jìn)行針刺試驗(yàn)。將該刺針與纖網(wǎng)喂入方向成40°～50°角插入針刺機(jī)針板，見圖5。刺針型號(hào)為15×18×38×3M2020（由上海豐威織針制造有限公司提供）。

圖5 橢圓形截面針身刺針的插針針板示意

3.1.1 試機(jī)運(yùn)作前準(zhǔn)備

a） PVA纖維網(wǎng)：PVA（6.98D×38.3mm）經(jīng)過開松、梳理、鋪網(wǎng)和預(yù)針刺后形成具有一定強(qiáng)力的纖維網(wǎng)，其克重為120.62g／m2。預(yù)針刺的針刺頻率為436次／min，植針密度為3 000枚／m，纖維網(wǎng)輸出速度為2.31m／min，經(jīng)計(jì)算可得預(yù)刺PVA纖維網(wǎng)的針刺密度為37.9刺／cm2。

b） PTFE纖維基布：熔紡PTFE長絲，克重為160g／m2，厚度為0.316mm，經(jīng)紗密度為76.5根／（10cm），緯紗密度為72根／（10cm）。經(jīng)向強(qiáng)力為986.39N，伸長率為14.88%；緯向強(qiáng)力為972.83N，伸長率為24.5%。PTFE基布由上海靈氟隆膜技術(shù)有限公司提供。

c） 針刺機(jī)型號(hào)：WFC－100型，幅寬為1.20m，植針密度為1 716枚／m，下刺式，直線型刺針運(yùn)動(dòng)軌跡。

表1 針刺試驗(yàn)工藝參數(shù)

d） 實(shí)驗(yàn)工具與設(shè)備：剪刀，刻度尺，天平，記號(hào)筆，高溫染樣機(jī)等。

3.1.2 試驗(yàn)過程

將經(jīng)過預(yù)針刺PVA纖維網(wǎng)平鋪于PTFE基布的上下兩側(cè)，喂入上述針刺機(jī)，進(jìn)行針刺試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的針刺工藝參數(shù)：針刺頻率為306次／min，針刺深度為11mm，針刺道數(shù)為正反4道，輸出速度為1.11mm／min，換算成針刺密度為420刺／cm2，得到針刺濾料，放置到99℃高溫染樣機(jī)進(jìn)行水浴加熱，溶解PVA纖維，得到1號(hào)PTFE基布［3］。

為增強(qiáng)對(duì)比性，采用15×18×38×3R222，相同的工藝參數(shù)、流程，得到2號(hào)PTFE基布。分別測(cè)試PTFE基布、1號(hào)PTFE基布、2號(hào)PTFE基布的強(qiáng)力。

3.2 企業(yè)試機(jī)運(yùn)作

為進(jìn)一步驗(yàn)證刺針的實(shí)際生產(chǎn)效果，在企業(yè)進(jìn)行了試機(jī)運(yùn)作，插針方式同上。刺針型號(hào)仍為15×18×38×3M2020（由上海豐威織針制造有限公司提供）。

3.2.1 試機(jī)運(yùn)作前準(zhǔn)備

a） 汕頭三輝無紡機(jī)械廠有限公司生產(chǎn)的SPN－250型針刺機(jī)，工作寬度為2 500mm，針刺動(dòng)程為60mm，植針密度約為3 937枚／m（剝網(wǎng)板孔徑為4.5mm，托網(wǎng)板孔加工成上直徑4.5mm、下直徑4.5mm的錐度孔）。針刺頻率最大為1 000次／min，生產(chǎn)速度為1.5m／min～7.5m／min。

b） PET纖維網(wǎng)：PET（2.2D×52mm）纖維，經(jīng)過開松、梳理、交叉鋪網(wǎng)和預(yù)針刺后形成具有一定強(qiáng)力的纖維網(wǎng)，克重為208g／m2～211g／m2。

c） PET機(jī)織布：克重為85g／m2的滌綸機(jī)織布，PET基布由江蘇東方濾袋有限公司提供。

3.2.2 試驗(yàn)過程

將經(jīng)過預(yù)針刺PET纖維網(wǎng)母卷、PET機(jī)織基布母卷、PET纖維網(wǎng)母卷依次退卷，按“上—中—下”的方式疊合，喂入針刺機(jī)，進(jìn)行針刺試驗(yàn)。試驗(yàn)采用針刺工藝參數(shù)見表1。經(jīng)過正反2道針刺，每道針刺均保留試樣以備檢測(cè)，得到最終針刺濾料（克重約為500g／m2），測(cè)試各試樣的強(qiáng)力，與常規(guī)針刺的產(chǎn)品對(duì)比，分析結(jié)果（企業(yè)使用普通三角形刺針）。

表1中針刺頻率逐漸降低，針刺深度逐漸減少，這主要是由于在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)行第2道針刺后，產(chǎn)品厚度已迅速下降，接近了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)范圍，故降低了針刺頻率與針刺深度，4道針刺后產(chǎn)品質(zhì)量符合企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)與要求。

4 結(jié)果與討論

經(jīng)（緯）向斷裂強(qiáng)力保持率、濾料基材強(qiáng)力保持率的計(jì)算方法為：經(jīng)（緯）向斷裂強(qiáng)力保持率＝（針刺后經(jīng)（緯）向斷裂強(qiáng)力／針刺前經(jīng)（緯）向斷裂強(qiáng)力）×100%；濾料基材強(qiáng)力保持率＝（經(jīng)向斷裂強(qiáng)力保持率＋緯向斷裂強(qiáng)力保持率）／2，根據(jù)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ／T 60005—1991 測(cè)定［4］，拉伸速度為100mm／min，夾持距離為200mm，試樣寬度為50mm。

表2為試驗(yàn)室試機(jī)運(yùn)作PTFE基布的強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果看出，1號(hào)PTFE基布的強(qiáng)力明顯高于2號(hào)PTFE基布的強(qiáng)力。經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力保持率也高于2號(hào)PTFE基布的經(jīng)緯斷裂強(qiáng)力保持率。這一點(diǎn)驗(yàn)證了刺針設(shè)計(jì)的理論分析，符合最初設(shè)計(jì)的目的與要求。

表2 PTFE基布的強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果

表3為企業(yè)試機(jī)針刺PET基布的強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果。依次進(jìn)行1、2、3、4道針刺時(shí)，纖維網(wǎng)中纖維與纖維、纖維與基布之間的纏結(jié)越來越牢固，經(jīng)向強(qiáng)力增大，但是緯向強(qiáng)力依舊損傷較為嚴(yán)重，這必將成為刺針以后研究的重點(diǎn)。針刺2道時(shí)，經(jīng)向強(qiáng)力最低值為1 271.5N，緯向強(qiáng)力最低值為445N，此時(shí)纖維、基布并未完全纏結(jié)，纖維網(wǎng)提供強(qiáng)力不夠，強(qiáng)力大部分由PET基布提供，強(qiáng)力保持率為80.48%、60.71%；針刺3、4道后，經(jīng)、緯向強(qiáng)力均有明顯回升，纖維、基布之間纏結(jié)加劇，強(qiáng)力由充分纏結(jié)的纖維層與基布共同提供，因而出現(xiàn)較大回升，此時(shí)產(chǎn)品克重為460g／m2、厚度為2mm，已符合企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的基本要求。常規(guī)針刺濾料的工藝經(jīng)過5至7道正、倒交替，才能達(dá)到上述要求，由此可見，該刺針在一定程度上提高了工作效率，簡化了工藝流程，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

表3 針刺濾料的強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

筆者設(shè)計(jì)的橢圓形橫截面的非織造材料用刺針并進(jìn)行試作分析：新型刺針針身的橢圓形橫截面的長徑與纖網(wǎng)喂入（經(jīng)紗）方向的夾角為40°～50°時(shí)，長徑側(cè)面可將加筋層的經(jīng)紗、緯紗撐開，使刺鉤不易接觸到經(jīng)紗或緯紗，從而大大減輕加筋層經(jīng)、緯紗線的損傷，使最終制品（含加筋層）強(qiáng)力保持率高。

新型刺針在針刺過程中對(duì)加筋層機(jī)織基布的損傷較低，強(qiáng)力保持率約為70%，優(yōu)于常規(guī)刺針的針刺效果，但是，基布緯向的強(qiáng)力損傷依舊較為嚴(yán)重，成為以后刺針研究的重點(diǎn)。

［1］柯勤飛，靳向煜.非織造學(xué)［M］.上海：東華大學(xué)出版社，2004：106－114.

［2］馮學(xué)本.針刺法非織造布工藝技術(shù)與質(zhì)量控制［M］.北京：中國紡織出版社，2008：189－214.

［3］陳明剛，李善義.100%PTFE針刺過濾材料的生產(chǎn)與應(yīng)用實(shí)踐［C］／／2009中國過濾用紡織品創(chuàng)新發(fā)展論壇，2009：98－100.

［4］FZ／T 60005—1991，非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長的測(cè)定［S］.