PP/玄武巖纖維針刺土工布制備及性能分析

賴 艷，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

土工布是建筑行業(yè)及各種建設(shè)工程中不可或缺的一部分,并隨著時(shí)代的進(jìn)步不斷發(fā)展創(chuàng)新。非織造土工布因其性能優(yōu)異、加工簡單、成本較低等特點(diǎn),已經(jīng)成為當(dāng)今世界土工布發(fā)展的主要方向[1]。近年來工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及改造力度不斷加大,高性能土工布產(chǎn)品需求不斷提升,市場前景廣闊[2]。玄武巖纖維作為一種新型無機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料,不僅強(qiáng)度高,且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐久性、彈性大、化學(xué)穩(wěn)定性好,耐高溫等多種優(yōu)異性能[3-4],使其完全具備產(chǎn)業(yè)用紡織品開發(fā)的條件[5-6]。聚丙烯纖維(PP)拉伸強(qiáng)度高,密度低,耐酸堿性好,價(jià)格便宜,雖然耐光性差,熔點(diǎn)低,但隨著聚合物穩(wěn)定劑和添加劑研發(fā)技術(shù)的進(jìn)步,聚丙烯耐光性已得到逐步改善,故其這些年在土工布領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展[7]。

近年來,玄武巖纖維的開發(fā)利用是研究的熱點(diǎn)之一,余鵬程[8]通過玄武巖/PPS針刺復(fù)合濾料制備,探索PPS含量對玄武巖/PPS纖維梳理成網(wǎng)均勻性以及復(fù)合濾料性能的影響。楊莉等[9]研究了玄武巖纖維針刺氈對復(fù)合材料工藝及力學(xué)性能的影響。劉志軍[10]對玄武巖纖維進(jìn)行改性,改善了玄武巖在針刺成網(wǎng)中的諸多弊端,提高了針刺氈的綜合性能。肖同亮等[11]研究了玄武巖纖維的改性方法。董麗茜等[12]針對玄武巖纖維的特點(diǎn),對其在水處理、氣體凈化及環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)[13-16]用玄武巖纖維制備了耐高溫針刺復(fù)合濾料,其綜合性能優(yōu)良。劉造芳等[17]利用芳綸制備成針刺氈,拓寬了干法針刺技術(shù)的運(yùn)用范圍。而將玄武巖纖維用于針刺土工布中的報(bào)道相對較少。聚丙烯纖維是土工布常用的纖維原料,而玄武巖纖維強(qiáng)力大,環(huán)保性能好,來源廣,也是土工布理想的纖維原料,因此文中利用聚丙烯纖維和玄武巖纖維混合制備土工布,測試分析,影響PP/玄武巖纖維針刺土工布性能的主要因素(纖維比例、針刺密度、針刺深度和熱軋溫度),探討最優(yōu)制備工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料 聚丙烯纖維(16.7dtex×76mm,淄博錦彤化纖有限公司),玄武巖纖維(1.1dtex×65mm,浙江石金玄武巖纖維股份有限公司)。

1.1.2 儀器 WL型小型針刺生產(chǎn)線(太倉市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司),WL-GC-B-800型熱軋機(jī)(太倉市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司),YD141D型織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器公司),FA100A型電子天平(上海皓莊儀器公司),YG461L型數(shù)字織物透氣量儀(萊州市電子儀器分公司),YG(B)026D-500型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州大榮紡織儀器公司)。

1.2 正交試驗(yàn)方案

纖維比例、針刺深度、針刺密度和熱軋溫度是影響PP/玄武巖纖維針刺土工布性能的重要因素,因此以纖維比例、針刺深度、針刺密度和熱軋溫度為因素,設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，見表1。其中主刺和預(yù)刺的針刺深度設(shè)置相同，300 刺/cm2的試樣主刺和預(yù)刺各1遍,500 刺/cm2,700 刺/cm2的試樣主刺3遍，預(yù)刺1遍。分別以厚度、透氣性、拉伸強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力為評價(jià)指標(biāo),對制備土工布的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表 1 正交試驗(yàn)因素水平表

1.3 樣品制備

以聚丙烯纖維、玄武巖纖維為原料,根據(jù)正交試驗(yàn)方案,設(shè)計(jì)出9組樣品。采用干法非織造技術(shù),先將玄武巖纖維和聚丙烯纖維按比例充分混合開松后,再經(jīng)過梳理,鋪網(wǎng),針刺加固,最終使用熱軋工藝對產(chǎn)品進(jìn)行處理(熱軋輥夾距為0.65 mm,熱軋輥速度為1.68 m/min,熱軋時(shí)間2 min),并獲得最終產(chǎn)品。

1.4 性能測試

1.4.1 單位面積質(zhì)量及厚度 根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品非織造布實(shí)驗(yàn)方法 第一部分:單位面積質(zhì)量的測定》進(jìn)行測試。每組取300 mm×300 mm的試樣10塊,利用FA100A型電子天平分別稱重,求得每組樣品的平方米克重。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.2—2009《紡織品非織造布測試方法 第二部分:厚度的測定》測試。每組取300 mm×300 mm的試樣10塊,采用YG141D型數(shù)字式織物厚度儀測量,砝碼重量為125 cN,對待測織物進(jìn)行加壓,記錄每組的厚度值。

1.4.2 透氣性 根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測試》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。每組取300 mm×300 mm的試樣10塊,試樣透氣面積為20 cm2,測試壓差為200 Pa。采用YG461Z型全自動透氣性能測試儀測量其透氣率。

1.4.3 拉伸性能 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15788—2005《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品 寬條拉伸試驗(yàn)》進(jìn)行測試。每組取200 mm×200 mm的試樣10塊,拉伸速度為20 mm/min,夾距為200 mm。采用YG(B)026D-1000型電子強(qiáng)力機(jī)測試?yán)鞆?qiáng)力。

1.4.4 撕破強(qiáng)力 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 60005—1991《非織造布撕破強(qiáng)力的測定》進(jìn)行測試。每組取200 mm×76 mm的試樣10塊,采用梯形撕破法,拉伸速度為100 mm/min,夾距為25 m。利用YG(B)026D-1000型電子強(qiáng)力機(jī)測試其撕破強(qiáng)力。

1.4.5 尺寸穩(wěn)定性 熱軋前樣品尺寸為300 mm×150 mm,熱軋后再次測量試樣尺寸,計(jì)算尺寸穩(wěn)定性,并求平均值(保留1位小數(shù)),每組取樣品10塊。尺寸穩(wěn)定性計(jì)算公式為

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

從9組樣品中分別選擇單位面積質(zhì)量相近的樣品,測試其性能。測試結(jié)果及正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表 2 PP/玄武巖纖維針刺土工布的正交試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看出,樣品單位面積質(zhì)量有一定的波動,但差異不大。單位面積質(zhì)量越相近,性能測試數(shù)據(jù)對比誤差越小,因此樣品適合于后續(xù)性能的測試分析。

以厚度、透氣性、拉伸強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力為考察指標(biāo),而正交試驗(yàn)結(jié)果分析表見表3。

極差R的大小反映相應(yīng)因素作用的大小。極差越大的因素意味著其不同水平給指標(biāo)造成的影響較大,通常是主要因素;極差小的因素意味著其不同水平給指標(biāo)造成的影響較小,通常是次要因素[18-19]。

通過表2和表3可以看出在所設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi)纖維比例、針刺深度、針刺密度和熱軋溫度對試樣的厚度并無明顯影響。從表3看出4個(gè)因素對厚度的影響程度為B>D>A>C,即纖維比例對厚度的影響最大,為主要因素，針刺深度對厚度影響最小，為次要因素。隨著玄武巖纖維比例增加,產(chǎn)品厚度降低,這是因?yàn)榫郾├w維比玄武巖纖維更輕、更蓬松導(dǎo)致的;在相同纖維比例下針刺密度越大,產(chǎn)品厚度越低,這是因?yàn)獒槾碳庸淌估w維相互靠攏而被擠壓,使原本蓬松的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得更緊密[20]。從表3還可看出,當(dāng)熱軋溫度為165 ℃,PP/玄武巖纖維比例為90/10,針刺深度為11 mm,針刺密度為300 刺/cm2時(shí)厚度最大。

4個(gè)因素對于透氣性的影響程度為B>D>A>C,即纖維比例對透氣性的影響最大為主要因素，針刺密度次之,熱軋溫度再次之,針刺深度對透氣性影響最小。

表 3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

隨著玄武巖纖維比例增加而透氣性降低,其原因是玄武巖纖維比聚丙烯纖維細(xì),試樣中玄武巖纖維含量越多，其纖維間的孔隙就越小,透氣率就越小。在相同纖維比例下針刺密度越大,其透氣性有減小的趨勢,原因是針刺將纖維更好的纏結(jié)在一起,并使纖維間的孔隙減小,從而導(dǎo)致透氣率減小。而熱軋溫度和針刺深度對透氣性的影響并無明顯的差異。最優(yōu)的工藝參數(shù)為A2B2C3D1。

4個(gè)因素對于拉伸強(qiáng)力的影響程度為B>D>A>C,即纖維比例對拉伸強(qiáng)力的影響最大，針刺密度次之,熱軋溫度再次之,針刺深度最小。拉伸強(qiáng)力隨玄武巖纖維比例上升而減小,一般情況下玄武巖纖維強(qiáng)力比聚丙烯纖維的強(qiáng)力大,但針刺土工布斷裂主要由3種方式引起,分別是纖維本身斷裂,纖維間滑移和上述兩種方式共同作用。本課題制備的這類針刺非織造布斷裂主要是由纖維間滑移引起的,因此玄武巖纖維比例越大,容易導(dǎo)致纖維滑移,使得產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)力降低。最優(yōu)工藝參數(shù)為A2B1C2D1,即熱軋溫度為175 ℃,PP/玄武巖纖維比例為90/10,針刺深度為9 mm,針刺密度為300 刺/cm2。

而4個(gè)因素對于撕破強(qiáng)力的影響程度為B>D>A>C,即纖維比例對撕破強(qiáng)力的影響最大，針刺密度次之,熱軋溫度再次之,針刺深度對撕破強(qiáng)力的影響最小。撕破強(qiáng)力隨著玄武巖纖維比例增加而減小,由于玄武巖纖維比例越大,容易導(dǎo)致纖維滑移,使得產(chǎn)品容易斷裂,致使強(qiáng)力降低;而撕破強(qiáng)力隨著針刺密度的上升而下降,原因是過高的針刺密度使纖維損傷,從而撕破強(qiáng)力減小。最優(yōu)的工藝參數(shù)為A1B1C3D1。

為了探索PP/玄武巖纖維針刺土工布的性能優(yōu)異的最優(yōu)工藝參數(shù),通過正交實(shí)驗(yàn)得出纖維比例與針刺密度是影響PP/玄武巖纖維針刺土工布的強(qiáng)力和透氣性的主要因素,當(dāng)PP/玄武巖纖維比例為90/10,針刺密度為300 刺/cm2時(shí)拉伸強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和透氣性達(dá)到較好,而熱軋溫度和針刺深度對強(qiáng)力和透氣性影響比較小,再考慮低能耗,及操作便利性,因此優(yōu)化的工藝參數(shù)為A2B1C3D1,即熱軋溫度為175 ℃,PP/玄武巖纖維比例為90/10,針刺深度為11 mm,針刺密度為 300 刺/cm2。

2.2 優(yōu)化方案下針刺土工布的基本性能

按優(yōu)化方案制備了PP/玄武巖纖維針刺土工布樣品,對樣品熱軋前后的性能進(jìn)行測試,其結(jié)果如表4所示。

表 4 最優(yōu)工藝參數(shù)下熱軋前后針刺土工布的物理性能

從表4中可以看出,PP/玄武巖纖維針刺氈熱軋后各項(xiàng)性能變化較大。熱軋后的厚度和透氣性有明顯下降,這是由于熱軋時(shí)聚丙烯纖維受熱后熔融,加之受到熱軋輥的壓力,使纖維間粘合在一起,纖維間的縫隙壓實(shí),導(dǎo)致厚度和透氣率下降。而拉伸強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力提高明顯,原因是聚丙烯纖維熔融冷卻后使其形成較穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)了纖維間的強(qiáng)力,導(dǎo)致強(qiáng)力增加。一般熱軋?zhí)幚頃?dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)一定程度收縮，但從表中可以看出尺寸穩(wěn)定性達(dá)96.4%,說明其收縮較小,尺寸穩(wěn)定性較好。

3 結(jié) 論

以纖維比例、針刺深度、針刺密度和熱軋溫度設(shè)計(jì)了四因素三水平正交實(shí)驗(yàn),并測試所制備的9組PP/玄武巖纖維針刺土工布樣品的基本性能,通過正交試驗(yàn)分析得出如下結(jié)論:

(1) 影響產(chǎn)品主要性能的因素依次為纖維比例>針刺密度>熱軋溫度>針刺深度。最佳的工藝參數(shù)為PP/玄武巖纖維比例為90/10,針刺深度為11 mm,針刺密度為300 刺/cm2,熱軋溫度為175 ℃。

(2) PP/玄武巖纖維針刺氈熱軋后各項(xiàng)性能變化較大,其拉伸強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力均明顯提高,產(chǎn)品的厚度和透氣性能明顯下降。