特種玄武巖縫紉線的制備工藝及其性能

駱春旭, 龔浩然, 吳敏勇, 黃 叢, 劉可帥

(1. 武漢紡織大學(xué) 省部共建紡織新材料與先進加工技術(shù)國家重點實驗室, 湖北 武漢 430200; 2. 匯爾杰新材料科技股份有限公司, 湖北 襄陽 441102; 3. 中國航天科工集團空間工程總體部, 北京 100854)

玄武巖纖維具有高強高模、耐化學(xué)腐蝕的特點,在高性能纖維中耐原子氧性能優(yōu)異,最高使用溫度可達到900 ℃,長期工作溫度為650 ℃,極端條件環(huán)境中具有較好的穩(wěn)定性能,常作為增強體制備各種性能優(yōu)異的復(fù)合材料[1]。傳統(tǒng)二維鋪層工藝是復(fù)合材料成形的一種方法,但因其技術(shù)存在不足,使通過縫合手段增強復(fù)合材料所采用的預(yù)制體成型技術(shù)[2]得到應(yīng)用?？p合過程中,縫紉線作為首先要考慮的材料,其性能通常與預(yù)制體相匹配。縫紉線體積含量比例雖只占整體的百分之幾,卻可使層間剪切強度大幅提升[3]。目前,常以加捻工藝增強縫紉線的抱合和韌性,使得其具有高強性能,但如玄武巖纖維無捻粗紗等無機材料,會在加捻過程中受到嚴重的力學(xué)損傷,且單一原材料本身通常無法滿足功能多樣化要求,故優(yōu)先考慮多組分材料復(fù)合以優(yōu)化紗線結(jié)構(gòu)及性能。

包覆技術(shù)是相對比較傳統(tǒng)的花式紗線工藝[4],但不同于加捻作用的紗線,所制備的包覆紗能夠保留芯紗所具有的強力,同時又能發(fā)揮出外包覆紗線性能。包覆紗是將長絲或短纖維以螺旋形式包纏在芯紗表面而形成的一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)紗線。在性能上可以彌補單一組分纖維的缺陷,利用芯紗的優(yōu)良物理性能和外包纖維的表面特性,表現(xiàn)出新風(fēng)格及特殊功能[5]。近年來,許多學(xué)者均對包覆紗進行了研究。從包覆原料來看,研究較多的是以麻紗作為芯紗的包覆紗,目的是改善麻纖維的手感,減少毛羽,增強其耐磨性能[6],制備具有良好特性的復(fù)合紗線。李杜等[7]以聚酰胺纖維包覆芳綸,旨在改善熱塑性樹脂基復(fù)合材料中各纖維的均勻分布,以保證增強纖維的性能。從包覆工藝角度來看,參數(shù)設(shè)計主要為包覆捻度、空心錠轉(zhuǎn)速、包覆方向、導(dǎo)紗距離等。其中芯紗及外包覆紗的種類及性能不同,以及設(shè)備工藝匹配參數(shù)不同,所制備的紗線風(fēng)格均不同。

包覆比例影響包覆紗的外包覆效果及耐磨性能[8]。本文旨在制備出一種玄武巖高性能縫紉線,形式配置選擇逆向包纏[9],其中芯紗為雙股無捻玄武巖長絲,外包覆紗線為不同線密度聚酰胺長絲,紡制雙向不同捻度包覆紗線,研究其拉伸斷裂性能及耐磨性能,以期為縫紉線加工提供思路。

1 包覆成紗理論分析

采用的捻線設(shè)備配備有2個空心錠外套雙錠管,通過傳送帶帶動空心錠旋轉(zhuǎn),從而使錠管進行不同捻向包覆。空心錠包覆紡紗設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—玄武巖芯紗;2—導(dǎo)紗桿;3—羅拉;4—上空心錠;5—下空心錠;6—輸出羅拉;7—卷繞輥;8—平行紗筒。

上機工藝主要包括喂入、包覆以及輸出3個部分。芯紗經(jīng)過導(dǎo)紗桿與退繞下來的外包覆紗一起進入空心錠進行單向包覆,由上空心錠下方引出后再次進入下空心錠管,經(jīng)雙向包覆后從輸出羅拉處輸出,卷繞到與卷繞輥運行方向相反的平行套筒上。

包覆紡紗工藝中外包氣圈的形態(tài)對成品包覆紗緊密包覆狀態(tài)的均勻程度有影響。外包覆紗在空氣阻力及離心力等共同作用下產(chǎn)生氣圈,氣圈形態(tài)的穩(wěn)定及張力的恒定,可以避免外包覆紗對芯紗包覆時形成松緊股現(xiàn)象[10]。包覆紗包覆的均勻程度表現(xiàn)為外包覆紗緊密貼附于芯紗表面,成紗表面無成圈。包覆紗理論模型示意圖如圖2所示,捻回角公式如下式所示。

圖2 包覆紗理論模型示意圖

式中:θ為捻回角,(°);d為包覆紗直徑,mm;T為包覆紗捻度,捻/m。

可以看出,捻度增大,捻回角隨之增大,單位長度內(nèi)捻回數(shù)增加,外包覆紗包覆芯紗越緊密。包覆效果主要形式為露芯狀態(tài)或緊密包覆狀態(tài)。芯紗露于表面的比例會隨著空心錠轉(zhuǎn)速的增加而降低,此時芯紗豎直排列于紗線中心部位,外包覆紗以緊密螺旋形式纏繞于芯紗表面。

2 實驗部分

2.1 實驗原料與設(shè)備

實驗原料:芯紗為雙股玄武巖長絲(匯爾杰玄武巖纖維有限公司提供),線密度為107.9 tex,其單股平均斷裂強力為50.7 N,斷裂伸長率為2.2%。外包覆紗為聚酰胺長絲,規(guī)格為3種,其拉伸力學(xué)性能測試指標如表1所示。

表1 聚酰胺長絲拉伸力學(xué)性能測試指標

實驗設(shè)備:FA2204C型電子天平(上海天美天平儀器有限公司);HFX-B7型花式捻線機(蘇州華飛紡織科技有限公司);RH-2000型三維顯微鏡(HIROX浩視有限公司);INSTRON 5943型電子萬能試驗機(美國英斯特朗公司);FFZ622型紗線耐磨性能試驗儀(溫州方圓儀器有限公司)。

2.2 玄武巖長絲包覆紗試樣的制備

采用花式捻線機制備玄武巖長絲包覆紗試樣,設(shè)備運行模式為連續(xù)模式,外包覆紗壓線速度為6.00 mm/s,成形錐度設(shè)置為3.00 mm/min。包覆方式為雙包覆,紗線捻向為內(nèi)S外Z,雙包覆捻度分別為350、450、550、650、750捻/m共5組。本文所提到的雙包捻度均為上空心錠轉(zhuǎn)速所形成的捻度。

2.3 實驗方法

2.3.1 力學(xué)性能測試

參照GB/T 7690.3—2013《增強材料 紗線試驗方法 第3部分:玻璃纖維斷裂強力和斷裂伸長的測定》,利用電子萬能試驗機測試樣品的力學(xué)性能。采用圓弧式夾具,拉伸速度設(shè)定為250 mm/min,測試有效長度為250 mm,每種樣品測試10組,取平均值。

2.3.2 微觀形貌觀察

室溫下將試樣固定于試樣臺上,利用三維顯微鏡觀察不同捻度包覆紗的微觀形貌及部分包覆紗斷裂情況。

2.3.3 耐磨性能測試

采用紗線耐磨性能試驗儀測試樣品的耐磨性能,磨料為砂紙,吊掛砝碼為35 g,磨輥往復(fù)速度為(60±1) 次/min。測試分為10組,每組測試5根,分別為不同捻度紗線,測試記錄單次值、最值,計算平均值以及摩擦次數(shù)變異系數(shù)。同時為保證實驗數(shù)據(jù)的準確性,測試時更換砂紙部位。環(huán)境溫度為20.0 ℃,相對濕度為65.0%。

3 結(jié)果與討論

3.1 包覆紗力學(xué)性能分析

3.1.1 捻度對紗線力學(xué)性能的影響

不同捻度的包覆紗在紡制過程中存在一個均衡點,即芯紗與外包覆紗之間存在力學(xué)性能的匹配關(guān)系。通常下空心錠速與上空心錠速成一定比例,范圍區(qū)間在80%～85%[10]。錠速與輸出速度之比可近似等于捻度,在輸出速度不變的情況下,錠速的變化決定捻度的變化。包覆紗捻度不同,對包覆紗整體的力學(xué)性能影響不同。玄武巖長絲是典型的脆性材料,屬于無機非金屬類,外包覆聚酰胺長絲后,紗線斷裂形式仍為脆斷,拉伸紗線時會聽到清脆的斷裂聲響。表2示出外包覆紗線密度為16.7 tex時不同捻度包覆紗拉伸測試結(jié)果。

表2 不同捻度包覆紗拉伸實驗結(jié)果

由表2可看出,玄武巖包覆紗的力學(xué)性能會在特定捻度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)步增長,斷裂強力達到最大值后略有下降,但總體斷裂強力仍比原絲有所提高,提高23%～29%。這主要是因為包纏復(fù)合工藝具有并合效應(yīng)和緊密效應(yīng),可在一定程度上增加復(fù)合紗的斷裂強力[11]。芯紗斷裂強力保留率較高的同時,外包覆紗的螺旋包覆結(jié)構(gòu)則在徑向提供一定的軸向分力以及紗線間的抱合力,這使得包覆紗整體斷裂強力大幅提升。

當(dāng)捻度持續(xù)增加時,聚酰胺長絲的捻回角及雙向外包覆紗之間所成的夾角均增大,此時包覆間距小、成紗密、紗軸分力減弱,包覆紗斷裂強力達到最值;繼續(xù)增加捻度時,斷裂強力不再升高,主要是因為過緊密抱合反而會對芯紗造成一定程度的損傷,使得斷裂強力有所下降。上述分析也可以在斷裂強度的數(shù)據(jù)變化中得以驗證。斷裂強度變化值在包覆紗捻度小于650 捻/m時均處于小幅度增長,且整體不超過0.95 cN/tex,特別是當(dāng)捻度為550和650捻/m時,二者斷裂強度幾乎相近。當(dāng)捻度增加為750 捻/m時,紗線斷裂強度急劇下降,降低幅度高達3.20 cN/tex,故捻度的持續(xù)增加對紗線力學(xué)性能有較大影響,斷裂強度的明顯變化與斷裂強力結(jié)果分析一致。

斷裂伸長率是表征紗線柔軟性與彈性的指標[12]。低捻度時紗線相對裸露出的芯紗比例大,紗線較柔軟。表2顯示紗線斷裂伸長率均穩(wěn)定在2.90%左右,這說明所紡制的高捻度紗線在手感上仍較優(yōu)。捻度達到650 捻/m時,斷裂強力和斷裂伸長率均為最高,此時芯紗與外包覆紗包覆比例適當(dāng),強力利用率最大。

3.1.2 外包覆紗線密度對紗線力學(xué)性能的影響

表3示出最優(yōu)捻度650 捻/m下,3種不同線密度外包覆紗的力學(xué)性能測試結(jié)果。

表3 外包覆紗線密度對包覆紗力學(xué)性能的影響

由表3可知:玄武巖包覆紗斷裂強力與外包覆紗線密度有關(guān),其斷裂強力均隨外包覆紗線密度的增大而增強。外包覆紗線密度越大,所提供給紗線的徑向分力越大,力學(xué)性能更優(yōu),且斷裂伸長率大也會增強其斷裂強力,絲束在力的作用方向上所承擔(dān)的拉伸強力多,在紗線弱節(jié)處斷裂強力越大。斷裂強度的變化趨勢能夠一定程度上說明芯紗與不同規(guī)格外包覆紗之間的包覆緊密度。無捻芯紗在縱向提供的強力受到外包覆紗的束縛,芯紗主體被限制后的強力與外包覆紗提供的部分強力共同作用,由于芯紗強力仍為主體,相同捻度下外包覆紗線密度大,包覆越緊密,相比低線密度所包覆的芯紗,線密度大的外包覆紗其芯紗拉伸受到阻力,斷裂強力相對偏小,故斷裂強度較低。

3.2 包覆紗表面形貌分析

圖3示出拉伸前不同捻度包覆紗在三維顯微鏡下的表面形貌?？梢悦黠@看出由于捻度的變化所形成的緊密包覆效果。

圖3 不同捻度包覆紗拉伸前形貌圖

聚酰胺長絲包覆在芯紗外,導(dǎo)致拉伸斷裂形態(tài)不同。在所設(shè)定的拉伸速度下,部分紗線斷裂形態(tài)不明顯,肉眼幾乎分辨不出斷裂部位。斷裂形態(tài)在微觀下主要表現(xiàn)為表面芯紗在包覆間距處呈不同幅度凸起(見圖4)或芯紗在斷裂后呈原纖化劈裂狀破壞[13](見圖5)。拉伸前芯紗均平直排列于紗線內(nèi)部,拉伸后受到外包覆紗的包裹,易在包覆不勻或紗線弱節(jié)處發(fā)生扭轉(zhuǎn)及變形,凸起形態(tài)與包覆捻度有關(guān)。拉伸破壞形態(tài)表現(xiàn)明顯時通常為最外層外包覆紗拉斷至脫散,脫散后外包覆紗圍繞里層紗線旋轉(zhuǎn),芯紗與內(nèi)層S捻向包覆紗近似為一個整體,斷裂時無脫散。

圖4 部分包覆紗斷裂時芯紗凸起

圖5 部分包覆紗原纖化斷裂形態(tài)

3.3 包覆紗耐磨性能分析

磨輥桿接觸到紗線表面后做勻速往復(fù)摩擦運動,包覆紗摩擦實驗如圖6所示。紗線捻度按照由下到上依次遞增的順序排列。摩擦過程主要為摩擦內(nèi)外雙層外包覆紗以及芯紗3個部分。隨著摩擦外包聚酰胺長絲次數(shù)的增加,表面會逐漸露出芯紗,直至磨斷。實驗停止后記錄摩擦次數(shù),結(jié)果如表4所示。

表4 不同捻度包覆紗耐磨性能測試結(jié)果

圖6 不同捻度包覆紗的耐磨性能實驗

在5種捻度范圍內(nèi),摩擦次數(shù)隨著捻度的遞增呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢,捻度為550 捻/m時平均摩擦次數(shù)最低,最易磨斷。捻度較低時,摩擦次數(shù)較高,紗線耐磨性好,雖露芯明顯,但由于外包覆紗間距相對較長且分布均勻,紗線包覆相對較松,使得聚酰胺長絲摩擦面積增加,摩擦后主要表現(xiàn)為起毛至斷裂,故紗線不易磨斷。增加捻度后,由于外包覆紗本身線密度相對較大,紗線包覆效果緊密,摩擦一定次數(shù)后易出現(xiàn)紗線起球現(xiàn)象,使得芯紗易露出,摩擦次數(shù)減少。但若持續(xù)增加包覆紗線密度,紗線之間的抱合增強,耐磨性能則會逐漸增強。因玄武巖芯紗耐磨性能較差,摩擦次數(shù)主要由聚酰胺長絲決定,故包覆紗的整體耐磨性能均得到極大改善。

4 結(jié) 論

從本文實驗所制備的紗線來看,包覆效果主要與芯紗、外包覆紗強力及其線密度以及空心錠轉(zhuǎn)速有關(guān)。

1)本文所紡制的雙股包覆紗比芯紗總體斷裂強力均有所提高,提升了23%～29%。包覆紗斷裂強力隨著捻度的增加總體呈現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象,雙股玄武巖包覆紗捻度為650 捻/m時拉伸斷裂強力最大。

2)不同線密度外包覆紗對芯紗的斷裂強力有不同影響,相同捻度下外包覆紗線密度越大,包覆紗拉伸斷裂強力越高。

3)在本文設(shè)定的350～750捻/m包覆捻度范圍內(nèi),摩擦次數(shù)隨著捻度的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,聚酰胺長絲的復(fù)合對包覆紗整體耐磨性起主導(dǎo)作用。