乙烯-四氟乙烯共聚物織物的制備及其性能

孫樂樂， 肖長發(fā)， 趙 健， 趙凱常(天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387)

乙烯-四氟乙烯共聚物織物的制備及其性能

孫樂樂， 肖長發(fā)， 趙 健， 趙凱常
(天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387)

為開發(fā)可用于苛刻環(huán)境下的工業(yè)用織物，以自制乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)長絲為原料，通過加捻、合股工藝制備出織造所需的ETFE紗線，利用半自動織機成功將其織成平紋織物，所得織物幅寬為(300±2)mm，厚度為0.397 mm。利用萬能拉伸機、織物透氣量儀、平板式保溫儀和織物耐磨儀等對紗線及其織物進行性能表征。結果表明：ETFE織物透氣率為562.1 mm/s，保溫率為6.77%；ETFE織物具有優(yōu)異的力學性能，其經向抗拉強度約為29.8 MPa，緯向強度為19.7 MPa，低于經向；熱定型處理后，ETFE織物的熱收縮率明顯改善，150 ℃以下無明顯收縮，在200 ℃僅為6%；在經過90 ℃的濃硫酸和氫氧化鈉溶液處理后斷裂強度均無明顯變化，表現出良好的耐酸堿腐蝕性，有望用作苛刻環(huán)境下的工業(yè)用布。

乙烯-四氟乙烯共聚物織物； 力學性能； 熱收縮； 耐酸堿性能

隨著科技的進步和環(huán)境問題日益突出，人們對產業(yè)用紡織品的要求越來越高，特別是在惡劣環(huán)境條件下，對紡織品的性能及其穩(wěn)定性、耐久性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。乙烯-四氟乙烯(ETFE)在保持了聚四氟乙烯(PTFE)優(yōu)異的耐腐蝕、耐高溫和耐大氣老化性能[1]外，還具有聚乙烯(PE)可熱塑加工特性，是一種理想的耐溫防腐材料。同時，ETFE是最輕的含氟材料[2]，具有良好的耐輻照[3]和高透光性能，其抗蠕變性較PTFE明顯改善[4]，因此，ETFE織物可作為建筑用紡織品、海洋業(yè)紡織品以及安全防護紡織品[5-6]等廣泛應用于各個領域。

目前有關ETFE織物的研究鮮有報道，只有部分專利[7-8]介紹了ETFE紗線的成形工藝。E·W·托卡斯基等[9]還介紹了由ETFE紗線制成的網制品、建筑織物和織物面料等，其主要應用于漁網、足球網及篷布、家具面料等領域，但對其織物制備工藝及性能并未做詳細說明和研究。本文主要通過對ETFE長絲進行紡紗，經織造工藝加工成織物，并對其性能進行了表征。

1 實驗部分

1.1 實驗設備與試劑

DSTw-01型數字式小樣并捻聯(lián)合機，半自動織樣機，天津市嘉城機電設備有限公司；YG020型電子單紗強力儀，武漢國量儀器有限公司；YG(B)461D-Ⅰ型數字式織物透氣量儀，常州第一紡織設備有限公司；YG606型平板式保溫儀，樂清市歐達科技有限公司；YG(B)522型織物耐磨儀，溫州市大榮紡織儀器有限公司；INSTRON型萬能強力儀，廣州理寶實驗室檢測儀器有限公司；JBDL-200N型電子拉力試驗儀，揚州精博實驗機械有限公司。

濃硫酸(98%)、氫氧化鈉溶液(18%)，天津市風船化學試劑科技有限公司。

1.2 ETFE長絲的加捻與合股工藝

1.2.1 加捻工藝

所用ETFE長絲線密度為19.0 tex，設計捻度為43捻/10 cm；出條速度為12 m/min；捻向為Z捻；選取鋼絲圈號數為16.2 mg。加捻后得到紗線線密度為19.2 tex。

1.2.2 合股工藝

為提高強力并保持捻度穩(wěn)定，需要對其進行合股，以便于織造生產，提高織物的性能和美觀。合股工藝的設計捻度為41捻/10 cm；出條速度為10 m/min；捻向為S捻；選取鋼絲圈號數為30.6 mg。合股后得到的紗線線密度為38.9 tex。

1.3 ETFE織物的規(guī)格與參數設計

1.3.1 織物的組織結構設計

為保證經紗張力均勻，本文選用飛穿法穿綜。由于紗線較細，經紗每個循環(huán)4根紗線，因此，選擇每筘4入。采用的組織如圖1所示。

圖1 ETFE織物組織圖Fig.1 Weave diagram of ETFE fabric

1.3.2 織物織造工藝確定

設定織物經密為330根/10 cm，采用分條整經，筘號數為80，綜片頁數為4。所得織物的幅寬為(300±2)mm，厚度為0.397 mm。

1.4 ETFE織物的熱定型處理

在織造得到的ETFE織物上，剪取200 mm×200 mm的試樣，平整地放入夾具內，用夾子固定好夾具邊框，然后放在200 ℃的烘箱內，經干熱處理1 h后拿出，得到熱處理后的布樣。

1.5 性能測試

1.5.1 紗線強力測試

參照GB/T 3916—1997《紡織品 卷裝 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》，采用YG020型電子單紗強力儀測試紗線的拉伸性能，測試夾距為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，預加張力根據(0.5±0.05) cN/dtex計算。

1.5.2 織物透氣性測試

參照GB/T 5453—1997 《紡織品 織物透氣性的測定》，設定參數，實驗面積為20 cm2，試樣壓差為100 Pa。

1.5.3 織物保溫性測試

裁剪3塊尺寸為30 cm×30 cm的試樣，將試樣覆蓋在織物保溫儀的測試板上，設定測試板、底板、保護板的溫度相同，通過測定測試板在一定的時間內保持恒溫所需的時間，得到織物的保溫性能指標：保溫率、傳熱系數、克羅值。

1.5.4 織物耐磨性測試

剪取3塊直徑為70 mm的圓形試樣，并將圓心剪掉一部分，分別稱量，裝好試樣，壓力為本身自重，磨損次數為200，轉速為60 r/min，取下試樣，再次分別稱量，根據下式計算單位面積質量損失(W)，取平均值。

式中：G0為磨前質量，g；G為磨后質量，g；S為試樣受磨面積(20 cm2)。

1.5.5 織物力學性能測試

根據GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能》分別對織物在干態(tài)和濕態(tài)條件下的經向、緯向進行拉伸斷裂測試，試樣大小為10 mm×150 mm；設定夾距為100 mm；速度為50 mm/min。調濕處理：在室溫條件下，將織物在蒸餾水中調濕處理2 h后取出測試。

根據GB/T 3917.2—2009《紡織品 織物撕破性能》采用單舌法進行測試，設定隔距為100 mm，拉伸速度為100 mm/min，剪取經向、緯向250 mm×50 mm試樣若干，并沿長邊的中軸線剪100 mm，得到的試樣兩頭分別夾持在上下夾頭進行測試。

1.5.6 織物拉伸性能測試

剪取10 mm×150 mm的長條試樣，設置拉伸標距為100 mm，拉伸速度為50 mm/min，將試樣放在烘箱內，并將下上兩頭夾持好，做防滑處理，當烘箱內達到所需測試溫度后恒溫30 min，進行經向拉伸斷裂測試。測試溫度分別為：室溫、50、100、150、200 ℃。

1.5.7 織物熱收縮性測試

分別剪取50 mm×50 mm的未熱定型和熱定型織物試樣若干，將2種試樣分別放在50、100、150、200 ℃的烘箱內，待溫度恒定1 h后取出，測量其長度；再選擇未熱定型織物試樣分別在100、150 ℃下進行1、3、5、7、10 h處理，測其長度，根據下式求得織物熱收縮率：

式中：L0為織物試樣處理前長度；L1為織物試樣處理后長度。

1.5.8 織物耐酸堿性測試

剪取10 mm×150 mm試樣，將盛有濃硫酸和氫氧化鈉溶液的燒杯分別放在恒溫水浴鍋中加熱到30、60、90 ℃，將試樣放入各自燒杯中，經過1 h后，將試樣拿出水洗晾干，測試強力。

2 結果與分析

2.1 ETFE紗線強力分析

表1示出加捻后和合股后ETFE紗線的力學性能。由于股線是由2個單紗合股得到，所以股線的斷裂強力約為單紗的2倍，但其斷裂強度基本相同；不論單紗還是股線，其伸長率都在31%左右，相對穩(wěn)定。紗線的力學性能主要與紗線的結構、捻度有關，而由化學長絲得到的紗線主要與長絲的力學性能有關，受紗線的結構、捻度影響較小。但由于加捻后，拉伸使長絲間的滑移減少，且各單絲均勻受力，可減少弱環(huán)造成斷裂的可能性，有效提高織造效率。

表1 加捻后單紗和合股后紗線的力學性能Tab.1 Mechanical properties of twisted yarns and combined yarns

2.2 織物透氣性分析

在平均噴嘴壓差為1 160.7 Pa的條件下，測得ETFE織物的透氣率為562.1 mm/s。在打緯過程中打緯力度的不均勻造成了織物的透氣率差異較大；此外，織物的透氣性主要與織物經緯紗的直徑、密度和厚度有關[10],由于所得織物較薄，且紗線表面較為光滑，基本沒有毛羽，造成氣流通過織物時的阻力較小，透氣率也較大。

2.3 織物保溫性分析

表2示出ETFE織物的保溫性能。根據文獻[11]報道，ETFE膜的導熱系數小于0.23 W/(m2·℃)，遠小于本文實驗條件下ETFE織物的導熱系數，主要是因為織物結構具有較多的孔隙，且長絲織制的織物沒有毛羽，所以其織物間空隙較大，再加上織物比較薄，織物所截留的空氣含量少，而空氣的導熱系數相比纖維要小得多，因此，造成熱量流失較快[12]。

表2 ETFE織物的保溫性Tab.2 Warmth retention properties of ETFE fabrics

2.4 織物耐磨性分析

表3示出ETFE織物的耐磨性能?？煽吹剑珽TFE織物的耐磨性能優(yōu)異，主要是因為ETFE織物的表面較光滑，摩擦因數小，砂輪對織物的磨損比較小，不易產生碎屑。同時，ETFE紗線具有較高的斷裂強力和斷裂伸長率，耐磨性能也較好[13]。

表3 ETFE織物的耐磨性Tab.3 Abrasion resistance of ETFE fabrics

2.5 織物力學性能分析

2.5.1 拉伸性能分析

圖2示出ETFE織物在干態(tài)和濕態(tài)條件下的拉伸性能。 ETFE織物在干態(tài)條件下經向斷裂伸長率在55%左右，最大荷載約為118 N，抗拉強度約為29.8 MPa，表現出優(yōu)異的力學性能。在干態(tài)與濕態(tài)的對比中，織物的強力與伸長率基本相同，表明織物的調濕處理對其拉伸性能影響較小；緯向的抗拉強力相比經向明顯降低，主要原因是由于緯向力度不足，導致緯密不勻，強度降低。

圖2 ETFE織物的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of ETFE fabrics. (a) Dry state; (b) Wet state

2.5.2 撕裂性能分析

通過測試得ETFE織物的經向撕裂強力為25.6 N，緯向撕裂強力為30.1 N。緯向撕裂強力大于經向，這是因為ETFE織物的撕裂是紗線逐根斷裂，當織物的緊度、密度較大時，單位長度撕裂所需破壞的紗線數量就會增加，織物的撕裂強力增大,而本文實驗條件下織制的織物其經密大于緯密，所以沿經向撕裂強力小于沿緯向的撕裂強力。

2.5.3 不同溫度下拉伸性能分析

表4示出ETFE織物在不同溫度下的拉伸性能。隨測試溫度的升高，織物經向斷裂強度逐漸減小，斷裂伸長率先增大后減小，這是因為升高溫度使得ETFE大分子鏈活動性增加，結構不穩(wěn)定，強力降低；同時高溫使得ETFE織物開始軟化，韌性增加，伸長率增大，在150 ℃時達到其玻璃化轉變溫度，伸長率最大。而在200 ℃時，由于ETFE大分子鏈活動性劇烈增加，結晶度迅速下降甚至變?yōu)闊o定形態(tài)，使得紗線中的長絲強力大幅減小，在同樣的拉伸速率下，導致其伸長率有所下降。

表4 ETFE織物在不同溫度下的經向拉伸性能Tab.4 Tensile properties of ETFE fabrics warp-wise at different temperatures

2.6 織物熱收縮性能分析

圖3示出熱定型前后ETFE織物隨溫度變化的熱收縮性能。由圖可知：當溫度≥100 ℃后，無論是沿經向還是緯向，熱定型前織物的熱收縮率均比熱定型后織物的熱收縮率高，且溫度越高，收縮率越大；200 ℃時其經向收縮率為32%，緯向收縮率為20%，而熱定型后織物在150 ℃以下無明顯收縮現象，到200 ℃時其經向熱收縮率僅為6%，而緯向只有1%。這是因為經過熱定型后，紗線內應力得到充分釋放，其收縮率明顯改善。而在相同溫度條件(≥100 ℃)下，熱定型前織物的經向熱收縮率均大于緯向；且熱定型后在200 ℃時其經向熱收縮率也大于緯向，這是因為在織造過程中，經紗受到的牽伸作用較大,儲存了較高的內應力所致。

圖3 ETFE織物熱收縮率隨溫度變化曲線Fig.3 Curves of thermal shrinkage of ETFE fabrics along with temperature changes. (a) Warp-wise; (b) Weft-wise

圖4示出熱定型前ETFE織物的收縮率隨處理時間的變化。由圖可知，當熱處理時間超過1 h后，無論是沿經向還是緯向，織物的收縮率并不會隨處理時間的延長而明顯增大，表明ETFE織物有良好的耐高溫性，可滿足一定溫度下的使用要求。

2.7 織物耐酸堿性能分析

圖5示出ETFE織物在不同溫度濃硫酸和NaOH溶液處理后的拉伸性能。

圖4 ETFE織物熱收縮率隨時間變化曲線Fig.4 Curves of thermal shrinkage of ETFE fabrics along with temperature changes. (a) Warp-wise; (b) Weft-wise

圖5 織物在不同溫度酸堿處理后的力學性能Fig.5 Mechanical properties of ETFE fabrics after soaking in concentrated sulfuric acid (a) and NaOH solution (b) at different temperatures

從圖5可看出，在經過不同溫度的酸堿處理后，ETFE織物的斷裂強度均無明顯變化，表現出良好的耐酸堿性能；其斷裂伸長率隨處理溫度的升高略有增加，可能是因為高溫使ETFE織物的內應力得到釋放，伸長率增大。

3 結 論

1)通過對ETFE長絲的加捻、合股等工序，利用半自動織機成功制備出ETFE平紋織物，幅寬為(300±2)mm，厚度為0.397 mm。

2)ETFE織物經向、緯向的斷裂強度分別為29.8、19.1 MPa，撕裂強力分別是30.1、25.6 N，具有良好的抗拉性能；同時具有良好的耐磨損性能和散熱性能。

3)經過熱定型處理后，ETFE織物的高溫尺寸穩(wěn)定性有效提高，特別是在200 ℃時的熱收縮率由原來的32%下降到6%，而在150 ℃以下熱定型織物無熱收縮。

4) 經過不同溫度濃硫酸和氫氧化鈉溶液浸泡處理后，ETFE織物強力無明顯變化，表現出優(yōu)異的耐酸堿性能，有望用作苛刻環(huán)境下的工業(yè)用布。

FZXB

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Preparation and properties of ethylene-tetrafluoroethylene copolymer fabric

SUN Lele， XIAO Changfa， ZHAO Jian， ZHAO Kaichang
(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to develop industrial fabrics capable of being used under harsh environmental conditions, ethylene-tetrafluoroethlene(ETFE) yarns were prepared from homemade ETFE filaments by twisting and combining folded yarns technologies. Then semi-automatic loom was used to weave plain fabrics. The width and thickness of as-prepared fabrics were (300±2) mm and 0.397 mm, respectively. Universal tensile machine, fabric air permeability tester, flat fabric heat retention tester and abrasion tester were applied to characterize the properties of yarns and fabrics. The results shows that the gas permeability rate of ETFE fabric is 562.1 mm/s and the warmth retention rate is 6.77%. Moreover, 29.8 MPa of warp-wise tensile strength, 19.7 MPa of across-wise tensile strength and the equal level of wet-strength with dry-strength reveal good mechanical properties of ETFE fabric. The thermal shrinkage of ETFE fabric achieves an obvious improvement with no shrink age below 150 ℃ and only 6% shrinkage at the temperature of 200 ℃ after heat setting, showing a good temperature resistance. Moreover, mechanical properties of ETFE fabrics show no any deterioration after soaking in concentrated sulfuric acid and NaOH at 90 ℃, respectively, showing excellent acid or alkali resistance. As-prepared fabric has a great potential to be used under harsh environmental conditions.

ethylene-tetrafluoroethylene fabric； mechanical property； thermal shrinkage； acid and alkaline resistance

2016-07-11

2016-11-02

孫樂樂(1991—)，男，碩士生。主要研究方向為乙烯-四氟乙烯共聚物纖維及其織物制備及性能。肖長發(fā)，

，E-mail：cfxiao@tjpu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160702706

TS 156

A