加工工藝對芳綸簾線性能的影響

姜云平，王 芳，羅之祥

（1.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計院有限公司，北京 100143；2.中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇 儀征 211900）

芳綸纖維是美國杜邦公司于20世紀(jì)60年代開發(fā)的一種高性能合成纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐酸堿等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，早期主要用于防彈頭盔、防彈衣、裝甲板等軍用物資生產(chǎn)，且產(chǎn)能主要集中在歐美國家及日本等發(fā)達(dá)國家。我國芳綸纖維生產(chǎn)雖然起步較晚，但通過我國科研工作者的不斷努力，現(xiàn)在已擁有多家技術(shù)成熟的大中型企業(yè)[5]。

本工作以國產(chǎn)對位芳綸纖維為主要對象，研究加捻工藝和浸膠工藝對芳綸簾線性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

1670dtex對位芳綸纖維，國內(nèi)某公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備和儀器

5567型萬能試驗機(jī)，美國英斯特朗公司產(chǎn)品；CC3型直捻機(jī)，德國阿爾瑪公司產(chǎn)品；簾線浸膠試驗機(jī)，北京萬匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品。

1.3 試樣制備

簾線的加捻和浸膠工藝在很大程度上決定了簾線的最終性能，要獲得性能全面的簾線需要綜合考慮加捻工藝和浸膠工藝。

1.3.1 加捻工藝

加捻是簾線重要的加工步驟，由于原絲纖度很小，在經(jīng)過噴絲頭之后的拉伸過程中難以避免斷絲現(xiàn)象，且原絲之間是一種比較松散的狀態(tài)，在受到外力拉伸時不能均勻承受外力。原絲加捻之后纖維之間產(chǎn)生抱合力，緩解了單絲缺陷造成的纖維斷裂問題，受力更加均勻，從而具備了一定的力學(xué)性能。合適的捻度可以使簾線具有更高的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率，捻度過大會導(dǎo)致簾線斷裂強(qiáng)力迅速下降[6]。

本工作使用直捻機(jī)將芳綸單絲進(jìn)行加捻，研究捻度對芳綸簾線力學(xué)性能的影響。傳統(tǒng)的加捻設(shè)備需要先將單股束絲加捻成初捻絲后再合股制成簾線，而直捻機(jī)以攬捻方式通過一道工序即可完成初捻和復(fù)捻的加工，即將兩束未加捻的原絲直接捻成簾線，通過高精度的張力控制系統(tǒng)和紗線張力平衡器，能夠保證產(chǎn)品的高質(zhì)量，并且具有卷裝大、占地小等優(yōu)點(diǎn)。簾線直捻機(jī)加捻工藝如圖1所示[7]。

圖1 簾線直捻機(jī)加捻工藝示意

用直捻機(jī)將1670dtex 芳綸原絲加工成1670dtex/2芳綸簾線，捻度分別為300，330，360和390 T·m-1。

1.3.2 浸膠工藝

浸膠也是簾線加工的主要步驟。芳綸纖維具有高結(jié)晶度，其表面光滑且缺少活性基團(tuán)，不易與橡膠結(jié)合。在經(jīng)過浸膠處理后，芳綸纖維表面附著一層膠膜，膠膜在硫化過程中與橡膠結(jié)合，從而使芳綸與橡膠之間形成牢固的界面，使芳綸/橡膠復(fù)合材料具備較好的力學(xué)性能。浸膠過程中纖維在不同溫度和張力作用下其強(qiáng)伸性能也會有所變化。使用實驗室簾線浸膠機(jī)進(jìn)行330 T·m-1芳綸簾線的浸膠，在不改變浸漬體系的情況下，研究浸膠張力和溫度對浸膠芳綸簾線性能的影響，具體浸膠工藝參數(shù)見表1。

表1 浸膠工藝參數(shù)

1.4 性能測試

按GB/T 19975—2005《高強(qiáng)化纖長絲拉伸性能試驗方法》對芳綸原絲進(jìn)行強(qiáng)伸性能測試，在試驗前先將芳綸原絲加捻，捻度為80 T·m-1，這是為了使復(fù)絲中的單絲均能承受一定的張力，并防止樣品打滑。

浸膠后的芳綸簾線按GB/T 36795—2018《浸膠芳綸簾子布技術(shù)條件和評價方法》進(jìn)行強(qiáng)伸性能、粘合強(qiáng)度和耐疲勞性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 原絲強(qiáng)伸性能

1670dtex芳綸原絲斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率測試結(jié)果分別為318.60 N和2.76%。

2.2 加捻工藝對簾線性能的影響

芳綸原絲經(jīng)加捻制成簾線后，原絲之間產(chǎn)生抱合力，簾線受力時單絲間相互滑動摩擦力增大，阻礙了部分單絲從其強(qiáng)度薄弱點(diǎn)處斷裂，因此與原絲相比，簾線的強(qiáng)度得到了提高；但隨著捻度的進(jìn)一步增大，單絲斷裂強(qiáng)力在簾線軸向的分量減小，因此會造成簾線強(qiáng)度的下降[6]。在加捻過程中，芳綸原絲因為相互纏繞發(fā)生傾斜而縮短，這種變化稱為捻縮；這種結(jié)構(gòu)上的變化能夠為簾線在拉伸過程中提供更多的形變量，提高了芳綸簾線的斷裂伸長率。因此在加捻步驟中，要兼顧簾線的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長率才能保證簾線具有更好的應(yīng)用性能。

簾線斷裂強(qiáng)力保持率（η）的計算公式為：η＝（原絲斷裂強(qiáng)力-加捻后簾線的斷裂強(qiáng)力）/原絲斷裂強(qiáng)力×100%。

不同捻度的芳綸簾線強(qiáng)伸性能見表2。

表2 加捻后芳綸簾線強(qiáng)伸性能

從表2可以看出，在300～390 T·m-1捻度范圍內(nèi)，芳綸簾線的斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力保持率均隨捻度的增大而降低，斷裂伸長率隨捻度的增大而提高。

芳綸簾線斷裂強(qiáng)力隨捻度增大而降低是由于加捻過程中產(chǎn)生的變形使芳綸單絲與簾線軸向產(chǎn)生一定的夾角，導(dǎo)致簾線在拉伸過程中產(chǎn)生垂直于拉伸方向的分力，變形越大、夾角越大，垂直于拉伸方向的分力也就越大，因此捻度的增大會造成簾線在軸向上的分力降低，導(dǎo)致簾線斷裂強(qiáng)力隨捻度的增大而下降。

斷裂伸長率隨捻度的增大而提高是因為在加捻過程中，兩股芳綸單絲相互纏繞形成螺旋狀結(jié)構(gòu)，芳綸束絲也由加捻前的直線變?yōu)榧幽砗蟮那€，這部分由加捻產(chǎn)生的變形使簾線在拉伸過程中可以獲得更大的形變，因此隨著捻度的增大，簾線的斷裂伸長率提高。

由表2還可以看出，捻度為330 T·m-1的芳綸簾線具有較好的綜合性能，因此使用此規(guī)格的芳綸簾線進(jìn)行浸膠工藝研究。

2.3 浸膠工藝對芳綸簾線性能的影響

纖維在原絲生產(chǎn)中經(jīng)高度拉伸使強(qiáng)度得到提高，但在捻線、織布和浸膠等后續(xù)工序中由于長期機(jī)械摩擦則會導(dǎo)致強(qiáng)力的下降，在浸膠過程中纖維在一定溫度和張力的作用下經(jīng)拉伸、定型可以在一定程度上彌補(bǔ)強(qiáng)力的損失[8]。提高浸膠溫度能提高纖維的結(jié)晶度，有利于簾線模量的提高和熱收縮率的降低。浸膠過程中需要給纖維施加一定的張力以提高其結(jié)晶度，但張力過大會破壞纖維的結(jié)晶度。在浸膠工藝參數(shù)的選擇上要根據(jù)浸膠簾線的強(qiáng)伸性能、熱收縮性能、粘合性能等綜合平衡[9-10]。采用實驗室用簾線浸膠試驗機(jī)對捻度為330 T·m-1的芳綸簾線進(jìn)行浸膠處理，研究浸膠張力和溫度對簾線性能的影響。

2.3.1 浸膠張力

設(shè)定了低張力和高張力兩組浸膠張力條件，浸膠張力對浸膠芳綸簾線性能的影響見表3。

表3 浸膠張力對浸膠芳綸簾線性能的影響

從表3可以看出，浸膠張力提高，浸膠芳綸簾線的強(qiáng)伸性能和粘合性能沒有明顯變化。其原因是芳綸纖維具有高結(jié)晶度和高取向度，其玻璃化溫度在300 ℃以上，在本試驗中設(shè)定的浸膠溫度下張力的變化對浸膠芳綸簾線的斷裂強(qiáng)力影響很小。

2.3.2 浸膠溫度

采用低、中、高3組浸膠溫度參數(shù)，浸膠溫度對浸膠芳綸簾線性能的影響見表4。

表4 浸膠溫度對浸膠芳綸簾線性能的影響

從表4可以看出：隨著浸膠溫度的升高，浸膠芳綸簾線的強(qiáng)伸性能沒有明顯變化，這也是由芳綸纖維自身的高結(jié)晶度、高取向度及耐高溫性能所決定的；浸膠芳綸簾線的粘合強(qiáng)度隨浸膠溫度的升高有小幅下降，這說明適當(dāng)降低浸膠溫度更適合于1670dtex芳綸簾線。

在上述浸膠工藝條件下，浸膠芳綸簾線的強(qiáng)伸性能并沒有如同錦綸、聚酯等簾線在經(jīng)過浸膠處理后有明顯改善，其拉伸強(qiáng)度幾乎不受浸膠張力和浸膠溫度變化的影響，這主要是由于芳綸纖維自身的強(qiáng)度高、耐熱性能好，因此其斷裂強(qiáng)力在一定范圍內(nèi)受浸膠溫度和張力的影響很小。此外，對1670dtex/2芳綸簾線來說，適當(dāng)降低浸膠溫度有利于浸漬液與芳綸表面的化學(xué)反應(yīng)，得到更好的粘合效果。

由此得到1670dtex芳綸纖維的最佳加捻工藝及浸膠工藝見表5。

表5 1670dtex芳綸纖維最佳加工工藝

3 結(jié)論

在300～390 T·m-1捻度范圍內(nèi)，1670dtex/2芳綸簾線的斷裂強(qiáng)力隨捻度的增大而降低，斷裂伸長率隨捻度的增大而提高；在一定范圍內(nèi)浸膠張力和浸膠溫度的變化對1670dtex/2浸膠芳綸簾線強(qiáng)伸性能的影響較小；適當(dāng)降低浸膠溫度可獲得較好的粘合性能。