高強度PP/PI非織造布輥用基布的制備工藝優(yōu)化

徐自超，張得昆，吳江偉，賴 艷，張 星，葛化博，于希晨

(1.西安工程大學 紡織科學與工程學院，陜西 西安 710048；2.江蘇丹毛紡織股份有限公司，江蘇 丹陽 212300)

0 引 言

非織造布輥是一種以鋼制轉軸為軸心，非織造復合材料為輥套，組裝而成的新型輥筒[1-2]。與工業(yè)生產中常見的鋼輥和橡膠輥相比，非織造布輥具備多孔隙、可壓縮的結構特征。因此，在加工過程中，當產品通過摩擦力帶動非織造布輥轉動時，外層復合材料受力變形，產生空隙，從而達到主動吸收產品表面殘留液體的效果[3-5]。同時，非織造布輥的可壓縮性能使其能夠吸附加工過程中殘留下的固體碎屑，防止產品表面劃傷，提高產品質量。此外，非織造布輥還擁有自愈合、易拆卸、高壽命等優(yōu)點，能夠在吸油、擠干等方面提供良好的清潔效果，在金屬板材制造加工、紡織、印刷等行業(yè)應用廣泛[6-7]。

非織造布輥的性能主要取決于其輥套的性能，而非織造布輥的輥套是由非織造基布浸膠處理、切片后，層疊式組裝到鋼制轉軸上，因此非織造復合材料的性能直接影響到非織造布輥的最終應用性能[8]。由于工業(yè)加工中對非織造布輥的耐酸堿性能、機械性能和吸液性能都有較高要求，輥用非織造復合材料基布所用的纖維原料必須要有良好的耐酸堿性能、較高的強度以及合適的吸液性能等，同時還要考慮原料的成本。

目前我國還沒有非織造布輥專用材料，生產企業(yè)使用的輥用非織造材料大多依賴于進口的專用非織造布，其價格昂貴[9]。為降低生產成本，一些企業(yè)采用國產常規(guī)針刺非織造布生產非織造布輥，但在實際應用中存在著耐酸堿性能不高、清潔效果差、使用壽命低等問題。尤其是輥套材料強度低，使用過程中出現(xiàn)擠壓開裂、永久性變形、吸液效果差、產品表面殘留廢液等情況，影響產品表面質量和企業(yè)的經濟效益。目前，國內的相關研究主要集中在對非織造布輥體的研究，而關于其基布的非織造材料的研究較少。韓彬彬等在擠干輥中增加了抽真空裝置，使清洗機出來的沖壓件表面油膜厚度得到改善[10]。韋榮發(fā)等通過調節(jié)擠干輥的壓力等工藝參數(shù)，優(yōu)化了板材表面的油膜厚度，從而提高自動化沖壓生產線的清洗質量[11]。周仿元等申請了一種非織造布擠干輥的實用新型專利，適用于金屬帶材加工過程中和清潔后的液體去除，使用壽命提高，吸液、排液的性能更佳[12]。詹志遠等以聚酰胺66纖維和丙烯酸酯乳液黏合劑為原料，通過氣流成網(wǎng)法和噴灑黏合法制備了一種非織造布輥用復合材料，其最大拉伸強力可達1 894.438 N，但吸油率較低，僅為45.2%[13]。張思盼等在詹志遠等研究的基礎上，對成網(wǎng)工藝進行改進，并對材料的硬度、拉伸強度和熱學性能進行分析，發(fā)現(xiàn)材料的拉伸強力隨溫度升高而降低，在250 ℃以下性能穩(wěn)定[14]。郭崢嶸等對機械成網(wǎng)、噴灑黏合制備的新型擠油輥用非織造布進行了熱性能和壓縮性能分析，結果顯示所用材料在工作溫度下屬于高彈態(tài)，滿足壓縮性能要求[15]。然而，非織造布輥用基布材料應用在吸液擠干領域的研究鮮有報道，因此本文研究高強力和高吸水性能的非織造布輥用基布，以期提高清洗用非織造布輥的性能，提高相關產品加工質量。

1 實 驗

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料 高強度聚丙烯纖維(PP，3.34 dtex×76 mm，海侖化纖有限公司)；聚酰亞胺纖維(PI，2.2 dtex×76 mm，江蘇奧神新材料股份有限公司)。

高強度聚丙烯纖維化學穩(wěn)定性好，斷裂強度可達5～7 cN/dtex，同時具備良好的彈性和耐磨性，價格低廉，經濟實惠[16]；聚酰亞胺纖維則具有高強度、耐酸堿、阻燃、環(huán)保等優(yōu)異的性能，尺寸穩(wěn)定性好，在保證良好的力學、化學性能的同時，還能夠為材料提供一定的耐高低溫性能。選用的纖維細度較小，其相互糾纏能夠產生更小的孔隙，為材料提供較強的芯吸作用[17]。此外，該聚酰亞胺纖維擁有異形截面，其縱向纖維表面存在細小的溝壑，纖維在相互纏結時能夠形成更加微小的孔隙，為材料產生毛細效應提供了可能性，提升材料的吸液效果[18]。

1.1.2 儀器 WL型小型針刺生產線(太倉市雙鳳非織造布設備有限公司)；BG-200 A型電子天平(上海乾峰電子儀器有限公司)；YD141D型織物厚度儀(溫州方圓儀器有限公司)；YG461Z型全自動透氣性能測試儀(萊州市電子儀器有限公司)；YG(B)026D-1000型電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司)；PSM-165型孔徑測定儀(德國Topas公司)；ISO-9001型電子天平(北京賽多利斯天平有限公司)。

1.2 樣品制備

以纖維比例、針刺密度、針刺深度為因素，設計三因素三水平正交試驗。其中纖維比例為高強度聚丙烯纖維/聚酰亞胺纖維。以100%高強度聚丙烯纖維，8 mm針刺深度，針刺密度300～1 200 刺/cm2為參數(shù)做預實驗，確定針刺密度在700～900 刺/cm2時樣品強力較好，因此在此區(qū)間等距設置3個針刺密度水平，同時針刺深度以8 mm為基準設置3個水平，所得正交試驗方案如表1所示。此外，產品面密度在150 ～250 g/m2時其綜合性能較好，因此設計產品面密度為200 g/m2。

表 1 正交試驗方案Tab.1 Orthogonal experiment

采用干法非織造技術，以不同比例混合高強度聚丙烯纖維和聚酰亞胺纖維，充分開松后輸入梳理機梳理，梳理完成的纖網(wǎng)再經交叉鋪網(wǎng)、針刺加固，制得非織造布輥用基布材料。

1.3 性能測試

1.3.1 面密度 參考GB/T 24218.1—2009《紡織品非織造布試驗方法第1部分：面密度的測定》。取面積為30 cm×30 cm的試樣10塊，稱量并計算平均值。

1.3.2 厚度 參考GB/T 24218.2—2009《紡織品非織造布試驗方法第2部分：厚度的測定》。樣品為常規(guī)型非織造材料，故對試樣加壓0.5 kPa，加壓時間10 s，測試10塊試樣并求其平均值。

1.3.3 拉伸性能 參考GB/T 24218.3—2010《紡織品非織造布試驗方法第3部分：斷裂強力及斷裂伸長率的測定》。裁剪為300 mm×50 mm的試樣10塊，其中縱橫向各5塊。夾持距離200 mm，拉伸速度100 mm/min。

1.3.4 撕破性能 參考GB/T 3917.3—2009《紡織品織物撕破性能第3部分：梯形試樣撕破強力的測定》?？v橫向各取5塊規(guī)格為200 mm×50 mm的試樣。夾持距離100 mm，拉伸速度100 mm/min。以試樣縱、橫向撕破強力的平均值作為試樣的撕破強力。

1.3.5 頂破性能 參考GB/T 24218.5—2016《紡織品非織造布試驗方法第5部分：耐機械穿透性的測定(鋼球頂破法)》。使用彈子法，設置彈子下降速度為100 mm/min。按平行法制取直徑為65 mm的圓形試樣10塊進行測試并計算平均值。

1.3.6 孔徑 以ASTM F 316—2003(2011)《通過冒泡點和平均流動孔徑實驗測定膜過濾材料孔徑特征的標準實驗方法》為標準，取直徑為4 cm的圓形試樣，用孔徑測試儀測試其孔徑大小及其分布。

1.3.7 吸水性能 以GB/T 24218.6—2010《紡織品非織造布試驗方法第6部分：吸收性的測定》為標準。取10塊尺寸為100 mm×100 mm的試樣分別稱量記錄，將單塊試樣浸沒于盛有水的燒杯中，60 s后取出，垂直懸掛試樣120 s，滴去過量液體后稱量。吸水倍率Rw,a計算公式為

Rw,a=(mn-mk)/mk

(1)

式中：mk為吸液前試樣質量，g；mn為吸液后試樣質量，g。

2 結果與分析

2.1 面密度、厚度和孔徑

表2為各組樣品的面密度、厚度、孔徑測試結果的平均值。9組樣品的平均面密度約為201.40 g/m2，標準差約為2.33，變異系數(shù)為1.16%?？梢姼鹘M樣品的面密度相近，且與實驗設計的200 g/m2相差很小，因此樣品間性能具備可比性。

從表2可以看出，第1、6、8組試樣的厚度明顯較大，樣品的厚度隨針刺深度的加深而明顯降低，可見針刺深度對試樣厚度的影響較大。這是因為隨著針刺深度加深，刺針對纖網(wǎng)穿刺作用加強，刺針上的鉤刺與纖維的接觸機會增加，同時纖維被鉤刺攜帶的距離變長，使得纖維間纏結更加緊密，樣品的厚度隨之降低。然而厚度降低，材料中的孔隙變少，因此材料在后續(xù)的浸膠處理過程中獲得的膠體含量會有所減少，從而影響到輥套復合材料的性能。

通常情況下，針刺非織造材料的孔徑大小呈正態(tài)分布，因此材料平均孔徑大小能夠反應材料中主要孔隙直徑的大小。此外，材料的孔徑大小對其吸液性能有一定影響，細孔徑是產生芯吸效應的重要條件，芯吸效應越強，材料的吸液效果越好[19]。而芯吸效應強度不僅受到材料孔徑大小的影響，還和材料的界面張力、纖維表面潤濕性有關[20]。對比表1、2可知，3種不同比例條件下的樣品孔徑大小區(qū)別明顯，隨著聚酰亞胺纖維比例的降低，樣品的平均孔徑呈增大趨勢。這是由于實驗使用的高強聚丙烯纖維比聚酰亞胺纖維更粗，在相同的工藝條件下，纖維越粗，纖維之間的空隙越大，樣品的平均孔徑隨之增大。大孔徑不利于本實驗材料的吸液性能，因此，為使材料擁有較好的吸液效果，可優(yōu)先考慮平均孔徑較小的樣品的工藝參數(shù)。

表 2 試樣的面密度、厚度及孔徑大小Tab.2 Fabric density,thickness and pore size of the samples

2.2 強力和吸水性能

非織造布輥在吸液擠干過程中，主要是通過擠壓作用，將產品表面絕大部分的殘留液體攔截、吸收、擠干。由于輥套的切片為層疊式結構，輥套材料在應用中常同時受到多個方向的力的作用，因此良好的力學性能是基布應用的基礎。表3為各組樣品拉伸強力、撕破強力、頂破強力和吸水倍率的測試結果，同時對測試結果進行極差分析，結果見表4。其中極差R值的大小反映因素對樣品性能的作用大小，R值越大，因素對材料相應性能的影響越大。

表 3 試樣的拉伸強力、撕破強力、頂破強力及吸水倍率測試結果Tab.3 Test results of tensile strength,tearing strength,bursting strength and water absorption rate of the samples

表 4 正交試驗結果分析Tab.4 Analysis of orthogonal experiment results

為探究各項測試指標與實驗因素的變化關系，以各個試驗因素水平為橫坐標，樣品的拉伸、撕破、頂破強力和吸水倍率的均值k為縱坐標作圖，結果如圖1所示。其中，兩點間線段斜率越大，兩點間縱向距離越大，則因素對該指標的影響程度越大。

(a) 拉抻強力的因素影響曲線

(b) 撕破強力的正交因素影響曲線

(c) 頂破強力的正交因素影響曲線

(d) 吸水倍率的正交因素影響曲線圖 1 測試結果與實驗因素關系圖Fig.1 Relationship between test results and experimental factors

由表3和圖1可知，隨著針刺密度(B)和針刺深度(C)的增加，試樣的拉伸、撕破、頂破強力均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢?？赡茉蚴请S著針刺密度和針刺深度的增加，單根纖維接觸刺針的幾率增加，纖維被刺針抓取后運動的軌跡變長，從而使纖維之間的纏結增多。然而，由于力的相互作用，在針刺過程中也伴隨著纖維損傷甚至斷裂，使纖維強力降低。當針刺密度和深度的增加超過一定程度后，纖維損傷流失的強力超過纖維纏結增加的強力，樣品強力隨之降低。此外，隨著原料中聚酰亞胺纖維比例的上升，樣品強力也呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，這可能是因為實驗使用的聚酰亞胺纖維比高強聚丙烯纖維更細，纖維越細，相同體積下纖維的根數(shù)越多，纖維之間的纏結更緊密，使得強力上升。但實驗所使用的聚酰亞胺單根纖維強度低于高強聚丙烯纖維，隨著聚酰胺纖維比例不斷增加，材料因為纖維自身強度降低而減少的強力超過纖維纏結增加的強力，材料整體強力開始降低。由此可見，材料強力性能的最優(yōu)工藝參數(shù)在預定的參數(shù)范圍之間，且趨于中間水平。

圖1可見各因素對試樣測試指標的影響程度，結合圖1中曲線的形狀和表4的數(shù)據(jù)，對試樣拉伸強力影響程度的因素排序為A>C>B，對撕破強力和頂破強力影響程度的因素排序為C>A>B。以RA、RB、RC分別代表A、B、C對應的極差值，在試樣拉伸強力分析數(shù)據(jù)中，RA遠大于RB、RC，也就是說因素A對試樣拉伸強度的影響遠大于因素B和C，因此纖維混合比例為影響試樣拉伸強力的主要因素。同樣的，試樣的撕破強力極差值RC遠大于RA、RB，即針刺深度為影響試樣撕破強力的主要因素。而在試樣的頂破強力中，RC最大，并與RA相接近，且兩者都遠大于RB，因此可以認為針刺深度和纖維混合比例是影響試樣頂破強力的2個主要因素。

綜合來看，試樣拉伸、撕破、頂破強力的最優(yōu)工藝組合是A2B2C2，即當高強聚丙烯/聚酰亞胺為80/20，針刺密度為800 刺/cm2，針刺深度為8 mm時，樣品的力學性能最好。

為提供良好的擠干效果，輥用非織造基布材料的吸液性能是不可忽視的重要性能指標。高強聚丙烯纖維和聚酰亞胺纖維自身并不具備吸液性能，樣品的吸液性能主要通過芯吸效應體現(xiàn)，即由于受到固體表面張力的驅動作用，液體會通過纖維集合體內部的空隙流動和傳輸[21]。

以樣品吸水倍率為其吸液性能的表征，對比表2、3可以看出，試樣的吸水倍率隨厚度的增加呈上升趨勢，這是因為相同面密度下，試樣越厚其內部含有的空間越大，孔隙越多，從而有利于吸收、儲存液體。而表3、4顯示，樣品的平均吸水倍率最高可達9.41，具備較強的吸液能力。樣品1、6、8組的吸水倍率明顯高于其他組，對比表1，可知3組樣品的針刺深度皆為5 mm。結合表4中吸水倍率的均值k1>k2>k3，以及圖1中吸水倍率隨針刺深度變化的曲線，可以明顯看出樣品的吸水性能與針刺深度呈負相關。而極值RC>RA>RB，3個因素對材料的影響關系為C>A>B，且由圖1可明顯看出針刺深度曲線的斜率明顯高于纖維比例和針刺密度，即針刺深度對樣品吸水性能的影響遠大于纖維比例和針刺密度。極差分析數(shù)據(jù)顯示最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A2B2C1，即當高強聚丙烯/聚酰亞胺為80/20，針刺密度為800 刺/cm2，針刺深度為5 mm時，樣品的吸液性能最好。

由于產品力學性能的最優(yōu)工藝參數(shù)與其吸液性能的最優(yōu)工藝參數(shù)存在差別，為確定最合適的針刺深度，對產品強力和吸水倍率實驗結果進行方差分析，進一步了解針刺密度對纖維力學性能和吸液性能的影響，結果如表5所示。

表 5 方差分析表Tab.5 Analysis of variance

因素對相應性能指標影響的顯著性可通過F值與p值的大小表現(xiàn)，p<0.05說明該因素的影響是顯著的，而p<0.01說明該因素的影響是高度顯著的。若p>0.1則該因素無顯著影響。從表6可知，針刺深度對產品的吸水倍率有高度顯著影響，對產品的頂破強力有顯著影響而對拉伸強力和撕破強力影響并不顯著。因此在選擇最優(yōu)針刺深度值時，應優(yōu)先考慮其對產品吸液性能的影響。再結合表1、4，當針刺密度為5 mm時產品的平均吸水倍率最高，吸液效果較好，同時產品的頂破強力只有較小程度的降低。在確保產品力學性能沒有明顯降低的情況下，優(yōu)先考慮選擇有良好吸液效果的針刺工藝參數(shù)。因此，確定以高強聚丙烯/聚酰亞胺為80/20，針刺密度為800 刺/cm2，針刺深度5 mm作為產品的最優(yōu)工藝參數(shù)。

3 結 論

1) 通過非織造技術能夠加工出性能良好的輥用高強聚丙烯/聚酰亞胺非織造基布材料。所制備的產品可提供較高的強力，表現(xiàn)出優(yōu)良的吸液性能，為下一階段將基布浸膠制成非織造復合材料奠定基礎。

2) 影響產品透氣性、撕破強力、頂破強力、吸液性的因素依次為針刺深度>纖維比例>針刺密度，影響產品拉伸強力的因素依次為纖維比例>針刺深度>針刺密度。結合實際操作，確定最優(yōu)工藝參數(shù)是高強度聚丙烯/聚酰亞胺纖維比例為80/20，針刺密度為800 刺/cm2，針刺深度5 mm。