垂直纖維陣列改性涂層織物的制備及性能研究

王 霖 鄢 霧 鄒漢濤 饒金才 鄒 勇

1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200； 2. 湖北金龍新材料股份有限公司，湖北 隨州 441300

涂層材料是近幾年來發(fā)展非常迅速的新型復(fù)合材料，是集力學(xué)與材料學(xué)于一體的織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料[1]，廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、建筑、軍事、旅游等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，市場(chǎng)前景非常廣闊[2]。國(guó)內(nèi)關(guān)于涂層材料的研究最早在高校和科研機(jī)構(gòu)中開展，并吸引了越來越多的企業(yè)參與其中。

盡管涂層織物在國(guó)內(nèi)的發(fā)展已取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但與國(guó)外相關(guān)企業(yè)相比，國(guó)內(nèi)對(duì)于新型涂層織物的開發(fā)和研究仍較落后，并且產(chǎn)量較低，產(chǎn)品的耐久、耐磨性及其他力學(xué)性能無法滿足快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求[3]。聚氯乙烯(PVC)是一種耐老化性和耐磨性較好的涂層材料，性價(jià)比也較高。PVC涂層材料大多用于戶外環(huán)境，然而，光照、水、空氣等環(huán)境因素易導(dǎo)致涂層織物變脆、變硬，出現(xiàn)“龜裂”現(xiàn)象[4]，導(dǎo)致其力學(xué)性能大幅下降，加之目前對(duì)PVC涂層其他方面功能的開發(fā)尚不成熟，材料性能的進(jìn)一步改善難以突破。短纖維在增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，高強(qiáng)度、高模量的短纖維可提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。將短纖維與復(fù)合材料相結(jié)合，可開發(fā)出力學(xué)性能優(yōu)良的材料。短纖維的排列方式、密度會(huì)對(duì)復(fù)合材料性能的提高產(chǎn)生較大影響[5]。Silva等[6]研究了劍麻短纖維、 椰果纖維及劍麻織物增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料的斷裂韌性，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，3種復(fù)合材料的斷裂韌性均隨著短纖維含量的增加而增加。唐漢玲等[7]研究發(fā)現(xiàn)，短切碳纖維可提高碳化硅陶瓷的致密度與力學(xué)性能。本文通過靜電植絨方式獲得垂直定向排列的短纖維，再將其與PVC涂層織物結(jié)合制備垂直纖維陣列改性涂層織物。采用掃描電子顯微鏡與高倍顯微鏡觀察涂層織物的形貌，并探討短纖維長(zhǎng)度對(duì)涂層織物耐磨性、拉伸斷裂性能、剝離性能及撕裂性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

糊狀聚氯乙烯樹脂(EPVC)，寧夏英力特化工股份有限公司；鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)，山東齊魯增塑劑股份有限公司；己二酸二辛酯(DOA)，山東優(yōu)索化工科技有限公司；碳酸鈣，義翔新材料有限公司；穩(wěn)定劑，無錫博龍織物涂層面料有限公司；滌綸長(zhǎng)絲平紋機(jī)織物(面密度為260 g/m2，厚度為0.43 mm)，湖北新材料股份有限公司；聚酰胺(PA)短纖維(長(zhǎng)度分別為0.5、1.0和1.2 mm),深圳華利達(dá)植絨材料有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

CPA225 D型電子天平，賽多列斯科學(xué)儀器有限公司；DHG Series Drying Over型烘箱，Super INSTRUMENTS公司；R-3型定型烘干機(jī)，無錫陽博印染機(jī)械設(shè)備公司；XFD-180型靜電植絨機(jī)，山東新飛達(dá)植絨設(shè)備有限公司；YG(B)141 D型織物厚度儀，溫州大榮紡織儀器廠；YG401C型織物平磨儀，寧波紡織儀器廠；XJP-600型高級(jí)測(cè)量顯微鏡，合肥響石電子科技有限公司；WDW-20E型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)德菲儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 PVC涂層織物的制備

(1)涂層漿料的制備：用天平分別稱取100份 EPVC、72份 DOP、5份DOA、20份碳酸鈣和2.3份穩(wěn)定劑并將其混入容器中攪拌，直至漿料完全混合均勻，制得PVC混合涂層漿料。

(2)將滌綸長(zhǎng)絲平紋機(jī)織物裁剪至合適大小作為涂層織物的基布。

(3)正面涂層和烘干：在基布正面均勻刮涂一層漿料后，將其置于烘干機(jī)內(nèi)烘干，烘干溫度為170 ℃，時(shí)間為2 min。

(4)反面涂層和烘干：在基布反面均勻刮涂一層漿料后，同樣將其置于烘干機(jī)內(nèi)烘干，烘干溫度為170 ℃，時(shí)間為2 min。

(5)重復(fù)上述操作，在織物正反兩面各進(jìn)行2次涂層，控制每次刮涂時(shí)使用的涂層劑用量，使每次的用量一致，將所得涂層織物編號(hào)為1#。

1.3.2 垂直纖維陣列改性涂層織物的制備

選取長(zhǎng)度分別為0.5、1.0和1.2 mm的PA短纖維制備垂直纖維陣列改性涂層織物，將所得織物分別編號(hào)為2#、3#和4#。垂直纖維陣列改性涂層織物的具體制備方法如下所述。

(1)將滌綸長(zhǎng)絲平紋機(jī)織物裁剪至合適大小作為涂層織物的基布。

(2)正面涂層、植絨與烘干：在基布正面刮涂一層漿料后，將基布反面貼于靜電植絨機(jī)的上級(jí)板上。用篩網(wǎng)將烘干后的短纖維絨毛均勻鋪設(shè)于絨箱內(nèi)，然后在織物涂層面植絨并放入烘干機(jī)內(nèi)烘干，烘干溫度為170 ℃，時(shí)間為2 min。取出織物后吸去植絨機(jī)內(nèi)剩余的短纖維絨毛。

(3)反面涂層、植絨與烘干：按與織物正面相同的操作，對(duì)織物反面進(jìn)行涂層、植絨與烘干操作，并控制短纖維絨毛用量與正面的一致。

(4)植絨后織物正面涂層與烘干：在植絨后的織物正面均勻刮涂一層漿料并烘干，烘干溫度為170 ℃，時(shí)間為2 min。

(5)植絨后織物反面涂層與烘干：按與織物正面相同的操作，對(duì)植絨后的織物反面進(jìn)行涂層與烘干操作，并確保涂層漿料的用量與正面的一致。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 面密度測(cè)試

根據(jù)GB/T 4669—2008《紡織品 機(jī)織物 單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》測(cè)試涂層織物的面密度。測(cè)試環(huán)境條件根據(jù)GB/T 6529規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣設(shè)定。試樣規(guī)格為10 cm×10 cm。每塊織物的質(zhì)量測(cè)試結(jié)果取3組測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值，然后通過計(jì)算獲得試樣的面密度。

1.4.2 厚度測(cè)試

根據(jù)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》測(cè)試涂層織物的厚度。測(cè)試環(huán)境條件根據(jù)GB/T 6529規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣設(shè)定。每塊織物選取3塊均勻的區(qū)域進(jìn)行測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)，每塊織物的厚度測(cè)試結(jié)果取3組測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值，精確到0.01 mm。

1.4.3 掃描電子顯微鏡測(cè)試

將涂層織物試樣置于干燥器中在室溫下平衡24 h，制樣后抽真空噴金處理，用臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀察試樣的截面微觀結(jié)構(gòu)并拍照記錄。

1.4.4 高倍顯微鏡測(cè)試

將涂層織物試樣放置于高倍顯微鏡下，調(diào)整燈光和倍率，觀察試樣的表觀形態(tài)。

1.4.5 耐磨性能測(cè)試

采取砂紙平磨的方法測(cè)試涂層織物試樣在平磨過程中損耗的涂層質(zhì)量。根據(jù)式(1)對(duì)耐磨測(cè)試后織物的質(zhì)量損失率進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：k為質(zhì)量損失率；m1為涂層織物耐磨測(cè)試前的質(zhì)量；m2為涂層織物耐磨測(cè)試后的質(zhì)量。

1.4.6 斷裂強(qiáng)力測(cè)試

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》測(cè)試涂層織物的斷裂強(qiáng)力。測(cè)試環(huán)境條件根據(jù)GB/T 6529規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣設(shè)定。試樣規(guī)格為50 mm×200 mm。以100 mm/min的伸長(zhǎng)速率啟動(dòng)拉伸試驗(yàn)儀，使夾鉗開始移動(dòng)并拉伸試樣直至試樣斷裂，記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)試驗(yàn)至少3次，結(jié)果取平均值。

1.4.7 剝離強(qiáng)力測(cè)試

根據(jù)FZ/T 01010—2012《涂層織物 涂層剝離強(qiáng)力的測(cè)定》測(cè)試涂層織物的剝離強(qiáng)力。測(cè)試環(huán)境條件根據(jù)GB/T 6529規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣設(shè)定。試樣規(guī)格為25 mm×200 mm。將試樣的剝開端分別夾持在夾鉗中，以100 mm/min的伸長(zhǎng)速率啟動(dòng)拉伸試驗(yàn)儀，將試樣持續(xù)剝離至標(biāo)記線處，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。重復(fù)試驗(yàn)至少3次，結(jié)果取平均值。

1.4.8 撕裂強(qiáng)力測(cè)試

根據(jù)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(qiáng)力的測(cè)定》測(cè)試涂層織物的撕裂強(qiáng)力。測(cè)試環(huán)境條件根據(jù)GB/T 6529規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣設(shè)定。試樣規(guī)格為75 mm×150 mm。安裝試樣，以100 mm/min的伸長(zhǎng)速率啟動(dòng)儀器并記錄數(shù)據(jù)。重復(fù)試驗(yàn)至少3次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 面密度及厚度分析

涂層織物的面密度與厚度測(cè)試結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，與不添加短纖維的純涂層織物(1#試樣)相比，垂直纖維陣列改性涂層織物的面密度與厚度更大，并且隨著短纖維長(zhǎng)度的增加而逐漸增大。原因可能是：一方面，短纖維長(zhǎng)度不同，在相同面積的涂層織物上進(jìn)行植絨時(shí)，植入涂層的短纖維總質(zhì)量不同；另一方面，涂層時(shí)絨毛間隙會(huì)吸附一部分涂層漿料，且短纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，吸附的漿料越多。因此，涂層織物的面密度與厚度均隨著短纖維長(zhǎng)度的增加而增加。

表1 4種涂層織物的面密度與厚度測(cè)試結(jié)果

2.2 形貌分析

圖1和圖2分別為垂直纖維陣列改性涂層織物的掃描電子顯微鏡圖和高倍顯微鏡圖。由圖1和圖2可以看出，涂層中的短纖維絨毛大都保持垂直陣列狀態(tài)，與少量倒伏的短纖維一起被“鎖定”在涂層內(nèi)部，在基布與涂層之間充當(dāng)“銷釘”的角色。纖維較短時(shí)，豎直狀態(tài)的短纖維占比更多；纖維較長(zhǎng)時(shí)，短纖維可能在第二次刮涂過程中被刮刀壓倒，倒伏較明顯。

圖1 3種垂直纖維陣列改性涂層織物試樣的掃描電子顯微鏡圖

圖2 高倍顯微鏡下3種垂直纖維陣列改性涂層織物橫截面的纖維形態(tài)

2.3 耐磨性能分析

涂層織物的耐磨性能測(cè)試結(jié)果見表2。由表2可以看出，相比純涂層織物的4.55%，垂直纖維陣列改性涂層織物的質(zhì)量損失率大幅下降，降低至1.16%～1.60%。其中短纖維長(zhǎng)度為0.5 mm的涂層織物的質(zhì)量損失率最小，與純涂層織物相比下降了75%。這是因?yàn)槎汤w維頭端伸出涂層表面(圖1)，可使織物表面的毛羽含量增加，表觀密度增大，從而使耐磨性提升。較長(zhǎng)的短纖維可能會(huì)導(dǎo)致涂層不均勻，造成局部漿料較多而沒過短纖維頭端，因此織物表面的毛羽含量較少，因而耐磨性能與長(zhǎng)度較短的短纖維增強(qiáng)涂層織物相比略有下降。

表2 垂直纖維陣列改性涂層織物的耐磨測(cè)試結(jié)果

2.4 力學(xué)性能分析

表3為涂層織物的斷裂強(qiáng)力、剝離強(qiáng)力及撕裂強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果。

表3 垂直纖維陣列改性涂層織物的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.4.1 斷裂強(qiáng)力

由表3中涂層織物斷裂強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果可以看出，純涂層織物的斷裂強(qiáng)力為2 611 N，稍高于短纖維改性的涂層織物。短纖維植入后涂層織物的斷裂強(qiáng)力略有下降，主要是因?yàn)椋阂环矫?，拉伸方向垂直于植入基布的短纖維，因此短纖維對(duì)織物的拉伸性能貢獻(xiàn)不大；另一方面，植絨不勻?qū)е峦繉硬痪鶆?，織物出現(xiàn)弱節(jié)，而測(cè)試時(shí)試樣斷裂常發(fā)生在弱節(jié)處，因而植入短纖維后涂層織物的斷裂強(qiáng)力下降。短纖維越長(zhǎng)，涂層時(shí)纖維間隙吸附的漿料越多，涂層越不易做到均勻，涂層織物的斷裂強(qiáng)力越低。

2.4.2 剝離強(qiáng)力

由表3中涂層織物剝離強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果可以看出，垂直纖維陣列改性涂層織物的剝離強(qiáng)力相比純涂層織物有明顯提高，從11.9 N提高到38.1 N。其中，短纖維長(zhǎng)度為1.2 mm時(shí)，涂層織物的剝離強(qiáng)力最大，提高了220%。原因是涂層織物上的纖維絨毛在一定程度上起到了固定基布與涂層漿料的“銷釘”作用(圖2)，且隨著短纖維長(zhǎng)度的增加，基布與涂層間的作用力提高，導(dǎo)致涂層織物的剝離強(qiáng)力更大。剝離強(qiáng)力的顯著提高表明垂直植入的短纖維可增強(qiáng)涂層織物在短纖維長(zhǎng)度方向上的剝離性能。

2.4.3 撕裂強(qiáng)力

與純涂層織物相比，垂直纖維陣列改性涂層織物的撕裂強(qiáng)力也明顯提升，從純涂層織物的1 012 N提高到1 488 N(表3)。其中，短纖維長(zhǎng)度為0.5 mm時(shí)涂層織物的撕裂強(qiáng)力最大，提高了47%。植入更長(zhǎng)的短纖維后，易導(dǎo)致涂層不均勻，進(jìn)而造成撕裂過程中織物截面受力不均勻，出現(xiàn)弱節(jié)，因此短纖維長(zhǎng)度增加，涂層織物的撕裂強(qiáng)力反而略有下降。

3 結(jié)論

本文選取3種長(zhǎng)度的PA短纖維，通過靜電植絨方法將其植入涂覆有PVC混合涂層漿料的滌綸長(zhǎng)絲機(jī)織物表面，獲得垂直纖維陣列改性涂層織物。采用掃描電子顯微鏡和高倍顯微鏡對(duì)垂直纖維陣列改性涂層織物進(jìn)行觀察，并對(duì)其耐磨性能、斷裂強(qiáng)力、剝離強(qiáng)力及撕裂強(qiáng)力等進(jìn)行測(cè)試與表征，得到下述結(jié)論。

(1)涂層后短纖維絨毛大多仍保持靜電植絨時(shí)的垂直陣列狀態(tài)，與少量倒伏的短纖維一起被“鎖定”在涂層內(nèi)部。

(2)與不添加短纖維的純涂層織物相比，垂直陣列纖維的“銷釘”作用提高了涂層織物的力學(xué)性能。相比純涂層織物4.55%的質(zhì)量損失率，垂直纖維陣列改性涂層織物在耐磨性測(cè)試中的質(zhì)量損失率大幅下降，降低至1.16%～1.60%。其中，0.5 mm長(zhǎng)的短纖維增強(qiáng)的涂層織物的質(zhì)量損失率最小，與純涂層織物相比下降了75%。

(3)短纖維在涂層中的垂直陣列提高了涂層織物的剝離強(qiáng)力，由純涂層織物的11.9 N提高到38.1 N。其中，短纖維長(zhǎng)度為1.2 mm時(shí)涂層織物的剝離強(qiáng)力最大，相比純涂層織物提高了220%。

(4)涂層織物的撕裂強(qiáng)力從純涂層織物的1 012 N提高至1 488 N，其中，短纖維長(zhǎng)度為0.5 mm時(shí)涂層織物的撕裂強(qiáng)力最大，相比純涂層織物提高了47%。

(5)涂層中垂直陣列的短纖維絨毛對(duì)織物的拉伸力貢獻(xiàn)不大，添加短纖維易造成植絨和2次涂層后絨毛間隙內(nèi)吸附的漿料量不均勻，導(dǎo)致涂層織物的斷裂強(qiáng)力下降。