建筑用針刺非織造布保溫材料的性能研究

張 鸝,張 星

(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)工業(yè)化不斷發(fā)展,資源緊缺嚴(yán)重[1],而建筑行業(yè)耗能占全國(guó)總比重的30%以上[2],建筑節(jié)能勢(shì)在必行。建筑保溫材料具有節(jié)能降耗的雙重作用,可以作為解決建筑能耗問(wèn)題的重要突破口[3]。建筑保溫材料分為無(wú)機(jī)保溫材料、有機(jī)保溫材料和金屬保溫材料[4]。無(wú)機(jī)保溫材料不燃,但導(dǎo)熱系數(shù)高;有機(jī)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低,但容易引發(fā)火災(zāi)[5-6]。近年來(lái),非織造技術(shù)發(fā)展迅速,產(chǎn)品具有多孔性、柔韌性及彈性等,非常適合用作建筑隔熱材料[7]。建筑保溫材料不僅需要良好的防火性[8],而且還需滿(mǎn)足一定的透氣性、環(huán)保性和生產(chǎn)成本較低的要求[9-10]。因此,建筑保溫材料不僅要考慮保溫、阻燃性,還要考慮環(huán)保性及成本。需選擇導(dǎo)熱系數(shù)較小的纖維,并具一定的阻燃性能[11],阻燃滌綸極限氧指數(shù)(LOI)為30%～34%,為難燃纖維[12],符合要求；再生棉纖維數(shù)量多、來(lái)源廣,節(jié)約成本[13]。針刺非織造材料的纖維之間相互纏結(jié)形成多孔介質(zhì),保溫性良好,工藝流程短[14-15]。實(shí)現(xiàn)阻燃效果,還可利用阻燃劑進(jìn)行后整理[16]。用于非織造布的阻燃劑,主要有溴系阻燃劑、鹵-磷協(xié)同阻燃劑和磷系阻燃劑[6],而纖維素纖維非織造布常用磷酸鹽類(lèi)阻燃劑[17],后整理工藝中的浸漬焙烘法非常適合纖維素纖維非織造布的阻燃整理[18]。

因此,本文以再生棉纖維和阻燃滌綸纖維為原料,通過(guò)干法非織造加工工藝制備針刺非織造布。其中100%再生棉纖維產(chǎn)品,使用磷氮系阻燃劑ATP,并用浸漬整理工藝進(jìn)行后整理,作為對(duì)照組,研究建筑用針刺非織造布保溫材料的性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料 再生棉纖維(長(zhǎng)度:15～28 mm,細(xì)度:1.3～2.2 dtex);阻燃滌綸纖維(長(zhǎng)度:64 mm,細(xì)度:8.8 dtex);ATP阻燃劑(深圳潔爾爽高科技有限公司)。

1.1.2 儀器 梳理機(jī)(WL-GP-B-800型,太倉(cāng)市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司);鋪網(wǎng)機(jī)(WL-GZ-A-800型,太倉(cāng)市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司);預(yù)針刺機(jī)(WL～GZ-B-800型,太倉(cāng)市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司);烘箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格 本文旨在制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、質(zhì)輕、保溫效果好、安全性高的針刺非織造布,以用作建筑保溫材料。通過(guò)查閱資料,設(shè)定產(chǎn)品的定量為400 g/m2,針刺密度為10 刺/cm2。

1.2.2 原料配比 以再生棉纖維及阻燃滌綸纖維制備針刺非織造布。討論不同比例阻燃纖維對(duì)阻燃性能以及保溫性能的影響,原料配比如表1所示。

表1 產(chǎn)品原料配比

1.3 加工工藝

試樣的加工工藝流程:混合纖維→開(kāi)松→梳理→成網(wǎng)→鋪網(wǎng)→針刺。在產(chǎn)品的加工過(guò)程中需要注意混合纖維的均勻程度,為使纖維盡量混合均勻，將原料混合開(kāi)松3次,然后,在梳理機(jī)中進(jìn)一步開(kāi)松和除雜,成網(wǎng)后交叉鋪網(wǎng),并利用針刺機(jī)對(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行加固。在一定程度上纖網(wǎng)越厚保溫效果越好,所以只經(jīng)過(guò)一道預(yù)針刺加固。

1#試樣制備完成之后,利用浸漬法對(duì)試樣進(jìn)行阻燃整理。氮磷系阻燃劑ATP質(zhì)量濃度為140 g/L,浸漬40 min后,擠出試樣中的水分,在110 ℃的烘箱中烘干。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 單位面積質(zhì)量 參照GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法》第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量測(cè)定。取250 mm×200 mm的試樣10塊,經(jīng)調(diào)濕處理后利用FA1004A型電子天平(上海皓莊儀器分公司)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。

1.4.2 透氣性測(cè)試 參照GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法》第15部分：透氣性測(cè)定。取300 mm×300 mm的試樣10塊,利用YG4612型透氣測(cè)試儀(萊州市電子儀器分公司)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。

1.4.3 拉伸性能測(cè)試 參照FZ/T60005—1991《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。取300 mm×50 mm的試樣,縱橫向各5塊,利用YG 026D-1000型電子強(qiáng)力機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。

1.4.4 保溫性測(cè)試 參照GB/T11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。取300 mm×300 mm的試樣3塊,利用YG(B)606E型平板保溫儀對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。

1.4.5 阻燃測(cè)試 參照GB/T 5455—1997《紡織品燃燒性能試驗(yàn)垂直法》進(jìn)行紡織品阻燃測(cè)定。取300 mm×80 mm的試樣10塊,利用M601型織物垂直燃燒測(cè)試儀(萊州市電子儀器有限公司)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 定量分析

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試試樣單位面積質(zhì)量,結(jié)果如圖1所示。

圖 1 試樣的平均定量測(cè)試結(jié)果Fig.1 Quantitative test results of the specimen thickness

從圖1可以看出,后整理試樣和混合阻燃纖維試樣的平均定量相差不大,每組試樣的平均定量雖然有一定的波動(dòng),但是基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而1#試樣經(jīng)過(guò)阻燃后整理,平均定量略大。

2.2 透氣性能

由于試樣為產(chǎn)業(yè)用非織造布,因此測(cè)量壓力為200 Pa。測(cè)試結(jié)果為透氣率,即在一定壓力差條件下,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)織物的空氣量，結(jié)果如圖2所示。

圖 2 試樣的透氣性測(cè)試結(jié)果Fig.2 Permeability test results of the samples

從圖2可以看出,7組試樣標(biāo)準(zhǔn)偏差較小,所以試樣的透氣率離散程度較小。經(jīng)過(guò)阻燃后整理的1#試樣透氣率較小,為1 228 mm/s,但是與阻燃纖維含量小于60%的試樣相差不大。這主要是因?yàn)樽枞紕┡c纖維結(jié)合,在纖維表面形成阻燃層,并未在織物上形成膜,因此對(duì)透氣性的影響較小。從圖2也可以看出,混合阻燃纖維的試樣,隨著阻燃纖維含量的增加，試樣的平均透氣率增加。這主要是因?yàn)橄鄬?duì)于再生棉纖維,阻燃滌綸纖維的細(xì)度較粗。隨著試樣中阻燃滌綸纖維含量的增加,樣品中纖維平均細(xì)度逐漸增加,纖維間空隙變大。因此,針刺非織造布的結(jié)構(gòu)變得疏松,透氣性增加。

2.3 拉伸性能

調(diào)整強(qiáng)力機(jī)的夾距為200 mm,拉伸速度為100 mm/min。平均斷裂強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖 3 試樣的平均斷裂強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果Fig.3 Average fracture strength test result of the samples

從圖3中可以看出,試樣的橫向斷裂強(qiáng)力大于縱向斷裂強(qiáng)力,是因?yàn)槔w網(wǎng)經(jīng)過(guò)交叉鋪網(wǎng),使得纖維更多地沿橫向排列。在針刺密度一定的情況下,100%再生棉纖維的1#試樣強(qiáng)力最低,當(dāng)阻燃纖維含量在55%～70%時(shí),隨著再生棉纖維含量的減少,產(chǎn)品的縱橫向強(qiáng)力逐漸增加,這是因?yàn)樵偕蘩w維的細(xì)度細(xì),長(zhǎng)度短,強(qiáng)力比阻燃滌綸纖維小。當(dāng)阻燃纖維含量在70%～80%時(shí),拉伸強(qiáng)力的變化趨于穩(wěn)定。

2.4 保溫性能

將試樣覆蓋于試驗(yàn)板上,試驗(yàn)板及保護(hù)板保持相同的溫度,使試驗(yàn)板的溫度只能通過(guò)試樣的方向散發(fā)。實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后,通過(guò)測(cè)試試樣的熱流量計(jì)算試樣的保溫率。結(jié)果如表2所示。

表 2 試樣的保溫性測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出,試樣的保溫率在70%以上。經(jīng)過(guò)阻燃后整理的1#試樣,保溫性能較差。這主要是因?yàn)樽枞紕⒗w維表面包覆,毛羽減少,試樣邊界層空氣減少,導(dǎo)致流動(dòng)氣體增多。隨著試樣中阻燃滌綸纖維成分的增加,試樣的保溫率逐漸增加。原因是相比于再生棉纖維,阻燃滌綸纖維較粗。隨著阻燃滌綸纖維含量的逐漸增加,試樣的孔隙逐漸增大,其中的靜止空氣增加,試樣的保暖性提高。

2.5 阻燃性能

點(diǎn)燃時(shí)間設(shè)定為12 s,將試樣夾持好之后,點(diǎn)燃試樣。通過(guò)測(cè)定織物續(xù)燃、陰燃時(shí)間以及損壞長(zhǎng)度判定織物阻燃性能效果的好壞。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表 3 試樣的阻燃性能測(cè)試

從表3可以看出,經(jīng)過(guò)后整理的1#試樣阻燃性能最好。當(dāng)阻燃纖維含量為55%～70%時(shí),續(xù)燃時(shí)間及損毀長(zhǎng)度隨著試樣中阻燃滌綸纖維成分的增加而明顯減少。阻燃時(shí)間均為零，表明當(dāng)有焰燃燒終止后或移開(kāi)火源后，試樣均不存在無(wú)焰燃燒?？椢镌谌紵啡ッ骰鸷?續(xù)燃時(shí)間及陰燃時(shí)間、損毀長(zhǎng)度越短,則其阻燃性能越好。當(dāng)阻燃纖維含量為70%～80%時(shí),隨著阻燃纖維含量的增加,續(xù)燃時(shí)間、損毀長(zhǎng)度減少量趨于平緩。出現(xiàn)這種情況的原因可能是棉與阻燃滌綸在燃燒中產(chǎn)生變化。棉纖維是一種不熔融、不收縮的易燃纖維,而阻燃滌綸受熱收縮形成熔滴,其中的阻燃成分在固相或氣相發(fā)揮阻燃作用。當(dāng)這兩種纖維混合制成試樣燃燒時(shí),棉纖維發(fā)生炭化,對(duì)阻燃滌綸起了一種類(lèi)似燭芯的支架作用,消弱了阻燃滌綸的阻燃作用。因此當(dāng)試樣中的阻燃滌綸纖維含量增加時(shí),相應(yīng)的再生棉纖維的含量降低,減弱了燭芯效應(yīng)。因此隨阻燃滌綸纖維含量的增加,試樣的阻燃性能明顯提高。而當(dāng)阻燃纖維達(dá)到一定比例后,棉纖維充當(dāng)燭芯的作用已經(jīng)弱化,因此隨阻燃滌綸纖維含量的增加,試樣的阻燃性能趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

(1) 隨著阻燃滌綸纖維含量的增加,試樣的透氣性能有所提高,而經(jīng)過(guò)阻燃后整理的試樣的透氣性則減小。同時(shí)阻燃滌綸纖維有助于增大試樣拉伸斷裂強(qiáng)力并隨其比例單調(diào)增加。

(2) 針刺非織造布中阻燃滌綸纖維的含量影響保溫性能,隨著阻燃滌綸纖維含量的增加,針刺非織造布的保溫性能略有提高。經(jīng)過(guò)阻燃后整理的針刺非織造布,其保溫性能降低。

(3) 經(jīng)過(guò)阻燃后整理的針刺非織造布,阻燃性能最好,優(yōu)于混合阻燃滌綸纖維的針刺非織造布?；旌献枞紲炀]的產(chǎn)品,當(dāng)阻燃滌綸纖維含量為55%～70%時(shí),阻燃效果隨著阻燃滌綸纖維含量的增加而增加；當(dāng)阻燃滌綸纖維含量為70%～80%時(shí),阻燃效果趨于穩(wěn)定。