玄武巖纖維濕法氈的制備工藝

劉可欣,張得昆

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展的階段,以資源、能源消耗性為主的工業(yè)發(fā)展迅速,然而,高耗能、高污染產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題[1].因此,人們?cè)絹?lái)越關(guān)注于解決工業(yè)化生產(chǎn)所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題,而原料使用不僅是工業(yè)化生產(chǎn)中極其重要的一環(huán),也是導(dǎo)致工業(yè)化生產(chǎn)中環(huán)境污染的一個(gè)重要因素,所以通過(guò)選取新的產(chǎn)品原料成為了人們解決污染問(wèn)題的新途徑.玄武巖纖維是一種新型的無(wú)機(jī)纖維,是用火山爆發(fā)形成的玄武巖礦石在1 450 ℃～1 500 ℃高溫熔融后,通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維[2].它作為一種新型無(wú)機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料,不僅強(qiáng)度高,而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐久性、彈性棤大，化學(xué)穩(wěn)定性好，可在600 ℃甚至更高溫度下使用等多種優(yōu)異性能[3-4],但目前玄武巖纖維及其制品的研制仍處于探索和小規(guī)模生產(chǎn)狀態(tài)[5].

玄武巖纖維具有的優(yōu)良特性,使其完全具備產(chǎn)業(yè)用紡織品開(kāi)發(fā)的條件[6].但玄武巖纖維是脆性材料,纖維密度較大,耐磨性差,傳統(tǒng)織造性能不理想[7].楊莉等[8]研究了玄武巖纖維針刺氈對(duì)復(fù)合材料工藝及力學(xué)性能的影響.肖同亮等[9]研究了玄武巖纖維的改性方法.劉志軍[10]對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行改性,改善了玄武巖在針刺成網(wǎng)過(guò)程中的諸多弊端,提高了針刺氈的綜合性能.王萍等[11]等利用水刺工藝替代針刺工藝開(kāi)發(fā)玄武巖纖維過(guò)濾材料,討論了水刺壓強(qiáng)、輸網(wǎng)簾速度與水刺道數(shù)等工藝參數(shù)對(duì)水刺氈性能的影響.賈芳等[12]研究了改善玻璃纖維濕法氈的性能方法,擴(kuò)展了濕法加工技術(shù)的運(yùn)用范圍.而利用非織造濕法技術(shù)開(kāi)發(fā)玄武巖濕法氈的研究報(bào)道卻寥寥無(wú)幾.因此本文利用濕法成網(wǎng)技術(shù)研究玄武巖纖維濕法氈,分析在選擇相同實(shí)驗(yàn)助劑的條件下,玄武巖纖維的不同質(zhì)量梯度對(duì)懸浮液中纖維分散效果以及不同的烘干溫度和烘干時(shí)間對(duì)濕法氈性能的影響,并得出優(yōu)化工藝.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑及儀器

1.1.1 材料 玄武巖纖維(長(zhǎng)度51 mm,直徑12 μm，浙江石金玄武巖纖維股份有限公司).

1.1.2 試劑 分散劑(聚氧化乙烯,分子量為200×104,質(zhì)量濃度1.25%,30 mL)；粘合劑(聚乙烯醇,質(zhì)量濃度2%,10 mL)；增稠劑(羥甲基纖維素,質(zhì)量濃度1%,30 mL).

1.1.3 儀器 濕法纖網(wǎng)快速成型儀(902201型，德國(guó)HG公司)；烘箱(202-3A型，中國(guó)萊州市電子儀器有限公司).

1.2 方法

玄武巖纖維在水中的分散效果直接影響到濕法氈的物理性能,為了得到理想的濕法氈,先對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行簡(jiǎn)單的開(kāi)松梳理,再對(duì)纖維進(jìn)行酸處理,最后利用濕法成網(wǎng)設(shè)備和烘箱制備玄武巖纖維濕法氈.

1.2.1 玄武巖纖維預(yù)處理 玄武巖纖維的主要成分是SiO2和一系列金屬氧化物,表面十分光滑,整體呈化學(xué)惰性,玄武巖纖維在懸浮液中的分散和聚合物基體間的黏合效果很差,因此要對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性處理[13].酸堿刻蝕法是一種常見(jiàn)的纖維表面改性方法,將纖維泡在酸堿液中使纖維表面產(chǎn)生溝槽或凹陷,增加纖維的比表面積[14],以達(dá)到提高纖維表面活性基團(tuán)含量和纖維在懸浮液中分散效果的目的.

首先使用小型梳毛機(jī)對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行開(kāi)松梳理,然后將濃鹽酸稀釋到pH值2～3左右,再將開(kāi)松梳理好的玄武巖纖維放入鹽酸中,常溫下密封浸泡12 h.隨后再?gòu)柠}酸中取出,用清水沖洗3～5次后再放到烘箱中，在140 ℃條件下烘干后取出備用.

1.2.2 玄武巖纖維懸浮液的制備 濕法成網(wǎng)技術(shù)中最為關(guān)鍵的一步就是纖維懸浮液的制備,針對(duì)不同類型纖維會(huì)有不同工藝參數(shù),因此決定懸浮液纖維分散效果的因素有很多.對(duì)于玄武巖纖維懸浮液來(lái)說(shuō),纖維投放的質(zhì)量就是一個(gè)很重要的影響因素.

在制備纖維懸浮液時(shí),預(yù)先在1 000 mL的水中加入分散劑、增稠劑、稀鹽酸等實(shí)驗(yàn)助劑,將纖維按照5 mm的長(zhǎng)度規(guī)格剪斷,將不同質(zhì)量的纖維分別加入配好的溶液中,質(zhì)量梯度為1.00 g,1.50 g,2.00 g,2.50 g,3.00 g,3.50g,4.00 g,4.50 g,制得的產(chǎn)品相應(yīng)編號(hào)依次為1,2,3,4,5,6,7,8.分別就纖維酸處理和未經(jīng)酸處理設(shè)置對(duì)照組.從表1可以看出,在不同纖維質(zhì)量梯度下懸浮液的纖維分散效果不同.通過(guò)對(duì)比,當(dāng)纖維質(zhì)量梯度在3～3.5 g時(shí),懸浮液的纖維分散均勻,纖維密度合適,效果最好.同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,經(jīng)過(guò)酸處理后的纖維懸浮液分散效果要明顯優(yōu)于未經(jīng)過(guò)酸處理的纖維懸浮液分散效果.

表 1 不同纖維質(zhì)量梯度下纖維懸浮液分散效果

1.2.3 玄武巖纖維濕法氈的制備 使用濕法成型工藝設(shè)備制備纖維網(wǎng),經(jīng)過(guò)攪拌、沉降、濾水和抽真空等流程,然后對(duì)所形成的纖維網(wǎng)進(jìn)行黏合,最后在不同的設(shè)定溫度下進(jìn)行烘干成型,烘干條件設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2.

表 2 實(shí)驗(yàn)方案

1.3 相關(guān)性能測(cè)試

1.3.1 面密度測(cè)定 根據(jù)GB/T24218.1—2009《紡織品 非織造布實(shí)驗(yàn)方法第一部分:單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試.由于設(shè)備生產(chǎn)試樣大小限制,實(shí)驗(yàn)制備的樣品均為直徑200 mm的圓形樣品,每組實(shí)驗(yàn)選取10塊試樣,經(jīng)調(diào)濕后利用電子天平對(duì)試樣進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試,求得每個(gè)試樣的面密度,然后計(jì)算10塊試樣的平均面密度.

1.3.2 力學(xué)性能測(cè)試 參考GB/T24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法第三部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn),在YG(B)026N500型電子織物強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行測(cè)試.設(shè)置強(qiáng)力機(jī)的夾持距離為100 mm,試樣大小為50 mm×190 mm.每組實(shí)驗(yàn)各測(cè)10塊試樣,然后計(jì)算試樣的測(cè)試數(shù)據(jù)平均值.

1.3.3 透氣性測(cè)試 根據(jù)GB/T5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置壓強(qiáng)為200 Pa,用YG461L型數(shù)字織物透氣量?jī)x對(duì)試樣進(jìn)行透氣性能的測(cè)試. 每組實(shí)驗(yàn)各取試樣10塊,每個(gè)試樣隨機(jī)選5個(gè)部位進(jìn)行測(cè)試,最后計(jì)算出試樣的平均透氣率．

2 結(jié)果與討論

2.1 不同面密度下濕法氈的外觀表征

玄武巖纖維濕法薄氈表面較為平整,彈性較小,具有一定的硬度.在光線充足的條件下,觀察到產(chǎn)品表面為褐色,有些似金色,與纖維原料的色澤區(qū)別較小.纖維分布比較均勻,有極少的纖維長(zhǎng)絲存在,且有少數(shù)纖維脫落跡象,紋路呈不規(guī)則分布.

不同質(zhì)量梯度下的產(chǎn)品面密度如圖1所示,在成網(wǎng)過(guò)程中的排水、濾水等過(guò)程會(huì)造成的纖維損失,所以實(shí)際產(chǎn)品面密度會(huì)比理想設(shè)計(jì)的略低.酸處理后的纖維產(chǎn)品面密度會(huì)隨著纖維質(zhì)量的增加而增加,并且在等梯度纖維質(zhì)量變化下,產(chǎn)品面密度且呈線性增加趨勢(shì).相比較于未經(jīng)過(guò)纖維酸處理的產(chǎn)品,纖維酸處理后的產(chǎn)品面密度會(huì)比較低.因?yàn)槔w維經(jīng)過(guò)酸處理后,纖維懸浮液的纖維分散效果更優(yōu)異,從成型網(wǎng)的孔隙中漏走的纖維量更多且容易滯留在成型桶壁上,導(dǎo)致產(chǎn)品的面密度較小,但產(chǎn)品表面纖維分散均勻,無(wú)纖維塊凸起現(xiàn)象,厚度較薄且均勻.

2.2 不同面密度濕法氈的力學(xué)性能

圖2為經(jīng)過(guò)酸處理濕法氈和未經(jīng)過(guò)酸處理濕法氈的平均斷裂強(qiáng)力對(duì)比圖.可以看出,同等質(zhì)量同等長(zhǎng)度條件下未經(jīng)過(guò)表面酸處理的纖維制作出的產(chǎn)品比表面酸處理過(guò)的纖維制作出的產(chǎn)品的斷裂強(qiáng)力要小.

當(dāng)纖維質(zhì)量小于3.5 g時(shí),斷裂強(qiáng)力會(huì)隨著產(chǎn)品面密度的增加而增大,但超過(guò)這個(gè)數(shù)值后,斷裂強(qiáng)力反而開(kāi)始下降.因?yàn)殡S著產(chǎn)品面密度的增加,厚度也會(huì)隨之增大,平均斷裂強(qiáng)力會(huì)增加.當(dāng)纖維處于3 g～3.5 g時(shí),纖維懸浮液的分散效果最好,濕法氈的纖維纏結(jié)均勻且斷裂強(qiáng)力達(dá)到最大值.而用3.50 g及以上纖維制備出的產(chǎn)品在成網(wǎng)時(shí)纖維極易出現(xiàn)成塊纏結(jié)現(xiàn)象,纖維分散不均勻,造成制備的樣品均勻性變差,在纖維大量堆積的部分粘合劑無(wú)法完全滲透到纖維內(nèi)部,只能粘結(jié)于表面,從而導(dǎo)致產(chǎn)品強(qiáng)力下降.

圖 1 不同纖維質(zhì)量梯度下的濕法氈面密度 圖 2 不同纖維質(zhì)量梯度下的濕法氈?jǐn)嗔褟?qiáng)力 Fig.1 Areal density of wet-laid felt with different fiber quality gradients Fig.2 Breaking strength of wet-laid felt with different fiber quality gradients

圖 3 不同纖維質(zhì)量梯度下的濕法氈平均透氣率Fig.3 Mean permeability of wet-laid felt with different fiber quality gradients

2.3 不同面密度濕法氈的透氣性能

不同纖維質(zhì)量梯度下濕法氈的平均透氣率如圖3所示.可以看出,相比較于纖維酸處理過(guò)的濕法氈,未經(jīng)過(guò)纖維酸處理的濕法氈透氣性能要差一些,這是因?yàn)樗崽幚砗蟮睦w維懸浮液分散效果要優(yōu)于未經(jīng)酸處理的纖維懸浮液,纖維成網(wǎng)時(shí)分布更均勻,纖維間的孔隙也更加均勻,提高了濕法氈的透氣性.不管纖維是否經(jīng)過(guò)酸處理,玄武巖濕法氈的透氣性能都是十分突出的.當(dāng)纖維質(zhì)量為4.5 g時(shí),濕法氈的透氣性能最低,為1 100 mm/s；隨著纖維質(zhì)量的減小,濕法氈的纖維密度會(huì)下降,纖維之間的纏結(jié)也會(huì)相對(duì)減少,纖維間的孔隙會(huì)增大；從而透氣率隨之增大,當(dāng)纖維質(zhì)量為1 g時(shí),濕法氈的透氣性能達(dá)到最大,平均透氣率高達(dá)2 350 mm/s；當(dāng)纖維質(zhì)量超過(guò)3.5 g時(shí),纖維懸浮液的分散系統(tǒng)趨近于飽和狀態(tài),所以濕法氈的透氣率趨于平穩(wěn),變化較小.

2.4 同等纖維質(zhì)量下濕法氈在不同烘干條件下性能表征

玄武巖纖維濕法成網(wǎng)后最重要的一步是烘干,而烘干溫度和時(shí)間決定了濕法氈的性能.通過(guò)對(duì)不同纖維質(zhì)量下纖維懸浮液分散情況的對(duì)比,本文選取質(zhì)量為3 g的經(jīng)過(guò)酸處理纖維而制成的玄武巖濕法網(wǎng),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，見(jiàn)表3.

表 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)對(duì)試樣的觀察可以發(fā)現(xiàn),在相同烘干溫度下,隨著烘干時(shí)間的延長(zhǎng),試樣的外觀表征發(fā)生變化,手感會(huì)隨之變硬,且表面的纖維掉落情況也有所改善,這是因?yàn)楹娓蓵r(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)改變粘合劑的粘合狀況;從表3，4可以看出烘干時(shí)間的變化對(duì)試樣透氣性能并無(wú)明顯影響,而隨著烘干時(shí)間的增加,它的平均斷裂強(qiáng)力也隨之有所增加,烘干時(shí)間越長(zhǎng),粘合劑粘合效果越好.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，在相同的烘干溫度下,烘干時(shí)間在3 h時(shí)試樣的性能表征最好.

表 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)烘干時(shí)間一定時(shí),烘干溫度越高,試樣的手感會(huì)越硬,表面纖維掉落情況會(huì)越少.但當(dāng)烘干溫度為120 ℃時(shí),試樣的手感過(guò)于干硬,且有明顯黏合劑痕跡;同時(shí)，溫度的增加對(duì)透氣性能沒(méi)有明顯影響,而拉伸性能會(huì)隨著溫度的增加略有提高.從表4中可以看出,烘干溫度和烘干時(shí)間對(duì)試樣的性能都有影響.對(duì)于透氣性而言,烘干溫度對(duì)透氣性的影響要大于烘干時(shí)間對(duì)透氣性的影響,當(dāng)烘干溫度為90 ℃,烘干時(shí)間為2 h時(shí),透氣性達(dá)到最大.對(duì)于拉伸強(qiáng)力來(lái)說(shuō),烘干溫度對(duì)其的影響要略大一些,當(dāng)烘干時(shí)間為3 h,烘干溫度為120 ℃時(shí),其拉伸強(qiáng)力最大.結(jié)合拉伸強(qiáng)力和透氣性測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際低消耗、低耗時(shí)條件下生產(chǎn)情況分析,選擇烘干溫度90 ℃,烘干時(shí)間1 h為最優(yōu)烘干條件.

3 結(jié) 論

(1) 酸處理后的玄武巖纖維懸浮液分散效果要優(yōu)于未經(jīng)酸處理過(guò)的纖維懸浮液.當(dāng)懸浮液中纖維質(zhì)量在3～3.5 g時(shí),纖維的分散效果最好.玄武巖濕法氈的拉伸性能也最好,斷裂強(qiáng)力為145.2 N,透氣性能較好,透氣率為1 240 mm/s.

(2) 選取經(jīng)過(guò)酸處理纖維質(zhì)量為3 g的纖維懸浮液制備出濕法氈.在綜合考慮樣品強(qiáng)力、透氣性能、能耗、耗時(shí)等情況下,確定最佳烘干條件為烘干時(shí)間1 h,烘干溫度90 ℃,在此條件下,濕法氈?jǐn)嗔褟?qiáng)力為133.6 N,透氣率為1 294 mm/s.

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