正交試驗法優(yōu)化聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料熱軋工藝的研究

李艷　張得昆　付瑋康

摘要：為了研究聚丙烯（PP）/玄武巖纖維針刺土工合成材料的熱軋工藝，以聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料的斷裂強力和撕破強力為考察指標，在單因素試驗的基礎上，采用L9（34）正交試驗法，對熱軋溫度、軋輥隔距、軋輥速度等條件進行優(yōu)化，篩選出最優(yōu)熱軋工藝。結(jié)果表明：影響聚丙烯/玄武巖纖維非織造土工合成材料的斷裂強力和撕破強力因素主次依次為熱軋溫度、軋輥隔距、軋輥速度;優(yōu)化后的熱軋工藝參數(shù)為熱軋溫度185℃、軋輥隔距0.6mm、軋輥速度1.68m/min，此時樣品的斷裂強力為1410N，撕破強力為869N。

關鍵詞：聚丙烯纖維;玄武巖纖維;熱軋工藝;單因素試驗;正交試驗

中圖分類號：TS174.6

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）01-0012-05

Abstract：ThisisintendedtostudythehotrollingprocessofPP/basalticfiberneedledgeosynthetics.Basedonsinglefactortest，L9（34）orthogonaltestmethodisadoptedtoinspectthebreakingstrengthandtearingstrengthofPP/basalticfiberneedledgeosynthetics，soastooptimizehotrollingtemperature，rollspacing，rollspeed，andotherconditionsandscreenouttheoptimalhotrollingprocess.TheresultsshowthatthemainfactorsaffectingthebreakingstrengthandtearingstrengthofPP/basaltfibernonwovengeosyntheticsarehotrollingtemperature，rollspacingandrollspeed;andtheoptimizedparametersofhotrollingprocessincludehotrollingtemperatureof185℃，rollspacingof0.6mmandrollspeedof1.68m/min.Undersuchconditions，thebreakingstrengthandtearingstrengthofthesampleare1410Nand869Nrespectively.

Keywords：PPfiber;basaltfiber;hotrollingprocess;singlefactortest;orthogonaltest

作者簡介：李艷（1995-），女，山西襄汾人，碩士研究生，主要從事非織造材料技術(shù)與應用方面的研究。

通信作者：張得昆，E-mail：dk-zhang@163.com

土工合成材料是應用于土木工程中的紡織品[1]，是繼鋼材、水泥、木材之后的第4種新型建筑材料[2]。非織造土工合成材料是土工合成材料之一，因力學性能好、耐久性等優(yōu)點[3]，在諸多領域得到了廣泛應用[4-5]。隨著工業(yè)的發(fā)展和基礎設施建設力度的加大，對高性能土工布產(chǎn)品的需求逐漸提升[6]。玄武巖纖維作為一種高性能纖維[7]，因具有優(yōu)異的拉伸強度、彈性模量及化學穩(wěn)定性[8]，完全具備產(chǎn)業(yè)用紡織品開發(fā)的條件[9]。賴艷等[10]對PP/玄武巖針刺土工布的制備工藝進行了研究，優(yōu)化了針刺工藝，使產(chǎn)品的力學性能得到提升。曾武鳳等[11]對玄武巖纖維的發(fā)展特點和幾種纖維制品的性能以及其在土木工程中的應用進行了綜述。姚兆龍[12]、徐力斌[13]、薛明凱[14]對高性能混凝土進行了研究，配制出新型的自保溫混凝土—玄武巖-聚丙烯纖維保溫混凝土。劉浩喆[15]對玄武巖—聚丙烯混雜纖維混凝土抗氯離子滲透性能進行了研究，提高了混凝土的耐久性。而對玄武巖纖維應用在土工合成材料的熱軋工藝研究相對較少，所以本文以玄武巖纖維和聚丙烯纖維[16-18]為原料，經(jīng)過非織造針刺技術(shù)和熱軋工藝制成土工合成材料，并對熱軋工藝參數(shù)進行探討優(yōu)化，以期提升產(chǎn)品力學性能。

1實驗

1.1原料及儀器

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小型梳理針刺生產(chǎn)線（太倉市雙鳳非織造布設備有限公司），WL-GC-B-800型熱軋機（太倉市雙鳳非織造布設備有限公司），YG026D-1000電子強力機（溫州方圓儀器有限公司）。

1.2熱軋工藝參數(shù)優(yōu)化

1.2.1聚丙烯/玄武巖纖維非織造土工合成材料的制備

聚丙烯/玄武巖纖維針刺氈的主要工藝參數(shù)前期通過實驗確定為纖維配比90/10、針刺密度700刺/cm2、針刺深度8mm、單位面積質(zhì)量700g/m2，厚度6mm，按照原料選配→開松混合→梳理→交叉鋪網(wǎng)→針刺制備成針刺氈。因玄武巖纖維含量較少，若將兩種纖維直接混合開松，會導致混合不勻。針對上述問題本研究先將玄武巖纖維與等量聚丙烯纖維混合均勻，再將混合后的纖維與等量的聚丙烯纖維混合均勻，通過逐量加入聚丙烯纖維，多次混合的方式，可有效提高纖維混合的均勻性，同時棉箱混合、梳理混合、交叉鋪網(wǎng)混合均可進一步提高纖維混合均勻性。最后通過熱軋工藝完成聚丙烯纖維/玄武巖纖維非織造土工合成材料的制備。

1.2.2單因素試驗設計

熱軋工藝參數(shù)對土工合成材料的力學性能有重要的影響。熱軋溫度過低，聚丙烯纖維熔融不充分，對土工合成材料的力學性能有消極影響;熱軋溫度過高，聚丙烯纖維充分熔融，但會使樣品表面不平整、手感變硬、出現(xiàn)脆化的現(xiàn)象。軋輥隔距的變化會影響軋輥對針刺氈表面的壓力大小，軋輥速度的快慢決定針刺氈與軋輥接觸的時間，進而影響樣品的力學性能。因此結(jié)合以上因素，經(jīng)過多次試機確定了熱軋工藝參數(shù)的范圍值。

以聚丙烯/玄武巖纖維針刺氈為樣品，聚丙烯/玄武巖纖維土工合成材料的斷裂強力、撕破強力為考察指標，分別以熱軋溫度、軋輥隔距、軋輥速度為單因素進行試驗，得到各因素對土工合成材料斷裂強力和撕破強力影響的結(jié)果。單因素試驗水平及因素如表1所示。

A組實驗在研究熱軋溫度對聚丙烯/玄武巖纖維土工合成材料斷裂強力和撕破強力的影響時，將軋輥隔距控制在0.6mm，軋輥速度為1.68m/min。B組實驗在保持撕破強力為180℃，軋輥速度為1.68m/min的情況下，研究不同軋輥隔距對聚丙烯/玄武巖纖維土工合成材料斷裂強力和撕破強力的影響。C組實驗則是控制熱軋溫度和軋輥隔距不變，對不同軋輥速度下的聚丙烯/玄武巖纖維土工合成材料斷裂強力和撕破強力進行研究。

1.2.3正交試驗設計

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，采用正交試驗表L9（34），以土工合成材料的斷裂強力和撕破強力為考察指標，以熱軋溫度、軋輥隔距、軋輥速度為因素，進行正交試驗。表2為試驗因素水平表。

1.3性能測試

1.3.1斷裂強力測試

參閱GB/T15788—2017《土工合成材料寬條拉伸試驗方法》。試樣大小為100mm×200mm，每組縱橫向各取5塊，求取縱橫向平均值，采用YG026D-1000電子強力機進行測試（拉伸速度為20mm/min，夾距為100mm）。

1.3.2撕破強力測試

參閱GB/T13763—2010《土工合成材料梯形法撕破強力的測定》。試樣大小為200mm×76mm，每組縱橫向各取5塊，求取縱橫向平均值，采用YG026D-1000電子強力機進行測試（拉伸速度為50mm/min，夾距為25mm）。

2結(jié)果與討論

2.1單因素試驗結(jié)果

2.1.1熱軋溫度對聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料斷裂強力和撕破強力的影響

當軋輥隔距為0.6mm、軋輥速度為1.68m/mim時，分別考察熱軋溫度為150、160、170、180、190℃對聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料斷裂強力和撕破強力的影響，結(jié)果見圖1。

圖1可看出當熱軋溫度在150～180℃時，隨著熱軋溫度的升高，樣品的斷裂強力和撕破強力逐漸增大;當熱軋溫度達到180℃時，達到最大值;隨著熱軋溫度繼續(xù)升高，斷裂強力和撕破強力反而會下降，可能是因為過高的溫度會使聚丙烯過分熔融，纖維內(nèi)部分子發(fā)生改變，成為取向度和結(jié)晶度較差的薄膜，導致試樣強力下降[19]。因此正交試驗的熱軋溫度最優(yōu)值初步選用180℃。

2.1.2軋輥隔距對聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料斷裂強力和撕破強力的影響

當熱軋溫度為180℃，軋輥速度為1.68m/mim時，分別考察軋輥隔距為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mm對聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料斷裂強力和撕破強力的影響，結(jié)果見圖2。

軋輥隔距的變化會影響軋輥對針刺氈表面的壓力大小，適當提升壓力有利于軋輥與纖維間接觸熱量的傳遞，并提高纖維間粘合效果，從而可提升試樣力學性能;壓力過大不利于熔體的流動和擴散，反而會使試樣強力下降[19]。圖2顯示，當軋輥隔距低于0.6mm時，隨著軋輥隔距的增大，樣品的斷裂強力和撕破強力逐漸增大，在一定范圍內(nèi)增大軋輥隔距有利于樣品的力學性能;當軋輥隔距等于0.6mm時，樣品的斷裂強力和撕破強力達到最大值;而繼續(xù)增加軋輥隔距，樣品的斷裂強力和撕破強力會減小，原因可能是過大的軋輥隔距使軋輥對針刺氈表面的壓力減小，試樣內(nèi)部聚丙烯纖維熔融和纖維間粘合效果相對較差，不能形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此正交試驗的軋輥隔距最優(yōu)值初步選用0.6mm。

2.1.3軋輥速度對聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料斷裂強力和撕破強力的影響

當熱軋溫度為180℃、軋輥隔距為0.6mm時，分別考察軋輥速度為0.56、1.12、1.68、2.24、2.80m/min時，對聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料斷裂強力和撕破強力的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，當軋輥速度為1.68m/min時，樣品的斷裂強力和撕破強力達到最大值;而當軋輥速度小于1.68m/min時，隨著軋輥速度的增大，樣品的斷裂強力和撕破強力逐漸增大;但當軋輥速度大于1.68m/min時，樣品的斷裂強力和撕破強力反而減小。試驗結(jié)果說明當軋輥速度較大時，針刺氈與軋輥接觸時間較短，針刺氈接收的熱量會減少，纖維之間的熔融較差，強力下降。因此正交試驗的軋輥速度最優(yōu)值初步選用1.68m/min。

2.2正交試驗數(shù)據(jù)分析

極差R的大小反應相應因素作用的大小。極差越大，說明該因素的變化對指標所造成的影響較大，為主要因素;反之，則為次要因素[20]。正交試驗結(jié)果見表3，極差分析表見表4。

從表4極差分析可知，極差R1A>R1B>R1C、極差R2A>R2B>R2C，所以熱軋溫度對聚丙烯/玄武巖纖維非織造土工合成材料的斷裂強力和撕破強力影響最大，其次是軋輥隔距，軋輥速度影響最小。對于斷裂強力而言，熱軋工藝最優(yōu)方案為A3B2C1，即熱軋溫度為185℃、軋輥隔距為0.6mm、軋輥速度為1.40m/min。對于撕破強力而言，熱軋工藝最優(yōu)方案為A3B2C2，即熱軋溫度為185℃、軋輥隔距為0.6mm、軋輥速度為1.68m/min。當軋輥速度為1.40、1.68m/min時，斷裂強力的均值分別為1204.333、1197.333N，二者相差較小;另外由于時間和實驗儀器預約的限制，本實驗軋輥速度選取1.68m/min。綜合考慮熱軋溫度、軋輥隔距、軋輥速度對聚丙烯/玄武巖纖維非織造土工合成材料的斷裂強力和撕破強力的影響，最優(yōu)熱軋工藝確定為熱軋溫度為185℃、軋輥隔距為0.6mm、軋輥速度為1.68m/min。

對優(yōu)化后的熱軋工藝參數(shù)進行實驗驗證，測量樣品的斷裂強力和撕破強力，可得斷裂強力均值為1410N，撕破強力均值為869N。

3結(jié)論

采用正交試驗設計優(yōu)化聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料熱軋工藝。用單因素實驗分析法確定了熱軋溫度、軋輥隔距、軋輥速度的范圍值，在此基礎上進行三因素三水平的正交試驗。正交試驗極差分析可得到各因素對聚丙烯/玄武巖纖維針刺土工合成材料斷裂強力和撕破強力的影響順序為熱軋溫度>軋輥隔距>軋輥速度，熱軋溫度直接影響熱軋過程中氈面受熱溫度，軋輥隔距和熱軋速度的不同影響熱軋過程中軋輥對氈面的壓力大小即對成網(wǎng)中纖維的受熱均勻度的影響。優(yōu)化后的熱軋工藝參數(shù)為熱軋溫度185℃、軋輥隔距為0.6mm、軋輥速度為1.68m/min，此時樣品的斷裂強力為1410N，撕破強力為869N。

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