玄武巖、玻纖、丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的研制及其拉伸性能研究

劉雙雙，田 偉，裘柯檳，徐珊珊，祝成炎

(浙江理工大學(xué)a.現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國(guó)家工程技術(shù)研究中心;b.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310018)

聚丙烯纖維俗稱(chēng)丙綸，具有比重輕、熔點(diǎn)低、耐化學(xué)腐蝕、熱變形溫度高等優(yōu)良性能，同時(shí)具備加工工藝簡(jiǎn)單、成本低、價(jià)格便宜等優(yōu)良品質(zhì)。因此，丙綸非常適合用作熱塑性復(fù)合材料的基體材料，與玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)纖維復(fù)合而廣泛被研究和應(yīng)用[1-3]。纖維復(fù)合的方式有很多種[4-5]，一些學(xué)者采用非織造加工工藝將丙綸與玄武巖纖維復(fù)合制備復(fù)合材料[6];一些學(xué)者采用包纏復(fù)合的方式將增強(qiáng)纖維與丙綸復(fù)合[7]。這些研究都取得了重大進(jìn)展，本文不再贅述。本文借鑒已有的研究成果，以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)纖維，丙綸為基體纖維，采用噴氣網(wǎng)絡(luò)的方式分別將兩種增強(qiáng)纖維與基體丙綸復(fù)合，制備不同體積比的玄武巖/丙綸、玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線 對(duì)兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線進(jìn)行拉伸指標(biāo)測(cè)試，分析增強(qiáng)纖維的不同體積比對(duì)網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能的影響。通過(guò)本研究可以得到一種將增強(qiáng)纖維與基體丙綸復(fù)合的新方式，同時(shí)得到力學(xué)性能優(yōu)良、加工工藝簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線，為丙綸基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究提供新思路，奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料:玄武巖纖維(浙江石金玄武巖纖維有限公司)，玻璃纖維(杭州泰克斯復(fù)合材料有限公司)，丙綸(紹興超特合纖有限公司)。原料規(guī)格及性能如表1所示。儀器 型高速絡(luò)筒機(jī)改裝噴氣網(wǎng)絡(luò)機(jī)(紹興超特合纖有限公司)，AL204-IC電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)，JSM-5610掃描電子顯微鏡(日本株式會(huì)社)，INSTRON 3367電子萬(wàn)能材料測(cè)試儀(INSTRON)。

表1 原料規(guī)格及性能Tab.1 Specifications and properties of materials

1.2 方 法

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的研制

采用SDZ-108型高速絡(luò)筒機(jī)改裝而成的噴氣網(wǎng)絡(luò)機(jī)，按照表2中的復(fù)合方案制備玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線和玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線。改裝后的噴氣網(wǎng)絡(luò)機(jī)成紗原理如圖1所示。將玄武巖纖維或玻璃纖維與丙綸長(zhǎng)絲1以一定的比例進(jìn)行無(wú)捻并合，依次通過(guò)張力裝置2、噴氣裝置3、斷頭自停裝置4、上油裝置5，經(jīng)導(dǎo)紗鉤6纏繞在摩擦滾筒7上，對(duì)噴氣裝置3施加一定的氣壓，利用噴射氣流作用，將兩種纖維互相纏結(jié)，形成周期性網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)，制成噴氣網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線。摩擦滾筒7經(jīng)過(guò)傳動(dòng)帶傳動(dòng)將網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線有序纏繞在其表面。其中，合理控制噴氣壓力是網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成型品質(zhì)的關(guān)鍵，既要保證兩種纖維形成的網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成型效果良好，同時(shí)保證增強(qiáng)纖維在噴氣壓力下不會(huì)損失太多，形成的網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線毛羽不要過(guò)多。

表2 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線加工方案Tab.2 Processingscheme of the interlaced yarns

圖1 改裝噴氣網(wǎng)絡(luò)機(jī)成紗原理Fig.1 Schematic of the modified jetting interlacing machine

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線細(xì)度及體積比測(cè)定

采用AL204-IC電子天平測(cè)定150 cm長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的質(zhì)量，每種測(cè)量10次，取平均值。按照公式(1)計(jì)算兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的實(shí)際細(xì)度，按照公式(2)計(jì)算每種紗線中增強(qiáng)纖維與丙綸的體積比。

式(1)中:Nt為網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的實(shí)際成紗細(xì)度，tex;M為150 cm長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的質(zhì)量平均值，g。

式(2)中:Nt1為玄武巖纖維或玻璃纖維的細(xì)度，tex;Nt2為丙綸的細(xì)度，tex;Nt同公式(1);M1為150 cm長(zhǎng)玄武巖纖維或者玻璃纖維的質(zhì)量平均值2為長(zhǎng)丙綸的質(zhì)量平均值，g;V1為玄武巖纖維或玻璃纖維的體積，cm3;ρ1為玄武巖纖維或玻璃纖維的密度，g/cm3;V2為丙綸的體積，cm3;ρ2為丙綸的密度，g/cm3。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線拉伸性能測(cè)試

采用Instron 3367萬(wàn)能測(cè)試儀對(duì)所制網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，以獲得不同復(fù)合比例網(wǎng)絡(luò)線的拉伸性能指標(biāo)。拉伸試驗(yàn)參照GB/T 7690.3－2013《增強(qiáng)材料紗線試驗(yàn)方法 第3部分:玻璃纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》進(jìn)行操作。測(cè)試前，將試樣放在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±3)%的恒溫恒濕室調(diào)濕24 h[8]。測(cè)試條件:拉伸速度200mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品分析

圖2所示為網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品圖。從圖2可以看出，復(fù)合線成品均由開(kāi)纖部和交絡(luò)部組成[9]。增強(qiáng)纖維在復(fù)合線中呈伸直狀態(tài)，而丙綸絲被吹散與兩種纖維交叉纏繞形成周期性網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)處，增強(qiáng)纖維被丙綸絲緊緊地交絡(luò)在一起，形成比較穩(wěn)定的紗線結(jié)構(gòu)，同時(shí)，也能對(duì)增強(qiáng)纖維起到一定的保護(hù)作用，在一定程度上避免增強(qiáng)纖維在后續(xù)加工過(guò)程中的損傷，提高紗線的可織性。開(kāi)纖部纖維在噴射氣流的作用下相對(duì)松散，形成的網(wǎng)絡(luò)線紗體比較蓬松，增強(qiáng)纖維與丙綸的混合效果也比較好。紗體中網(wǎng)絡(luò)部與開(kāi)纖部均勻分布，紗體基本沒(méi)有毛羽，成型良好。

圖2 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品Fig.2 Finished product of the interlaced yarn

表3為網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品規(guī)格。由表3可知，采用噴氣網(wǎng)絡(luò)的方式制得的復(fù)合線實(shí)際成紗細(xì)度較理論細(xì)度有所減小，且隨著增強(qiáng)纖維體積比的增加，復(fù)合線的細(xì)度損失越大，復(fù)合線中增強(qiáng)纖維的實(shí)際體積比較理論值也越來(lái)越小。分析其原因可知，玄武巖纖維和玻璃纖維較脆，在高速?lài)娚錃饬髯饔孟?，極易產(chǎn)生脆斷，斷裂后的纖維在氣流作用下被剝離紗體，復(fù)合線中增強(qiáng)纖維的比例越多，受到氣流吹散的幾率就越大，而丙綸長(zhǎng)絲屬于熱塑性高分子材料，膨松，單絲細(xì)而柔軟[10]，在氣流作用下不會(huì)產(chǎn)生脆斷，反而在噴嘴的絲道內(nèi)相互纏結(jié) 形成網(wǎng)絡(luò)點(diǎn) 增強(qiáng)纖維被丙綸長(zhǎng)絲緊緊地交絡(luò)在一起，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的成紗質(zhì)量。因此，增強(qiáng)纖維的損失導(dǎo)致了復(fù)合線的實(shí)際細(xì)度減小，增強(qiáng)纖維的體積比也相應(yīng)減小。成紗網(wǎng)絡(luò)度是衡量成紗質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，根據(jù)絡(luò)筒速度和噴氣壓力而得，保證了所制網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線網(wǎng)絡(luò)效果良好，同時(shí)成紗毛羽少，細(xì)度損失相對(duì)較少。

在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)上，數(shù)據(jù)主要用來(lái)表示信息，核心要義是傳播、復(fù)制和分享。隨著互聯(lián)網(wǎng)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合的不斷深化、大數(shù)據(jù)的興起，數(shù)據(jù)正在資產(chǎn)化，資產(chǎn)正在數(shù)據(jù)化?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)，很多已經(jīng)是用來(lái)表示價(jià)值而不是信息了。數(shù)據(jù)表示價(jià)值，核心要義是所有權(quán)、控制和交易。

表3 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品規(guī)格Tab.3 Finished productspecifications of the interlaced yarns

2.2 不同比例網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的拉伸性能分析

2.2.1 不同比例網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的強(qiáng)力曲線

圖3、圖4分別為不同比例玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線、玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的斷裂強(qiáng)力。從圖3、圖4可以看出，兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的強(qiáng)力曲線具有相同的變化趨勢(shì)，即隨著伸長(zhǎng)的增加，兩種復(fù)合線的強(qiáng)力逐漸增大，拉伸斷裂后強(qiáng)力迅速減小，但仍具有一定的強(qiáng)力值，且隨著伸長(zhǎng)的繼續(xù)增加有增大的趨勢(shì)。分析其原因可知，網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線由增強(qiáng)纖維、基體纖維復(fù)合而成，交絡(luò)處的增強(qiáng)纖維基本呈伸直狀態(tài)，丙綸絲相互纏結(jié)在增強(qiáng)纖維上，增強(qiáng)纖維的初始模量大，斷裂伸長(zhǎng)率小，基體丙綸初始模量小，斷裂伸長(zhǎng)率大，在強(qiáng)力迅速增加的過(guò)程中，由兩種纖維共同支撐復(fù)合線的強(qiáng)力，增強(qiáng)纖維斷裂后，強(qiáng)力迅速下降，但基體丙綸沒(méi)有完全斷裂，且交絡(luò)處的丙綸絲逐漸伸直，因此仍具有一定的強(qiáng)力值，且隨著丙綸伸長(zhǎng)的增加，強(qiáng)力又逐漸增大。同時(shí)也可以看出，紗線細(xì)度越大，斷裂強(qiáng)力的值也越大，強(qiáng)力曲線的斜率越大。

圖4 不同比例玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的斷裂強(qiáng)力Fig.4 The breakingstrength of the GF/PP interlaced yarn with different proportions

2.2.2 不同比例網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的拉伸指標(biāo)分析

圖5為玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能與玄武巖體積比的關(guān)系。從圖5可以看出，隨著復(fù)合線中玄武巖纖維體積比的增加，丙綸體積比的減小，復(fù)合線的斷裂強(qiáng)度逐漸增加，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小，兩者變化的幅度逐漸趨于平緩。

圖5 玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能與玄武巖體積比的關(guān)系Fig.5 Relationship between tensile properties of the BF/PP interlaced yarn and the volume ratio of BF

以Y1和Y2分別表示玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率，X表示復(fù)合線中玄武巖纖維的體積含量，得到紗線斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的回歸方程:

相關(guān)系數(shù) R2=0.983 01

相關(guān)系數(shù) R2=0.979

兩種擬合曲線和回歸方程的相關(guān)系數(shù)都大于0.975，可以得出擬合符合玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系，能夠較好地反映復(fù)合線力學(xué)性能的變化趨勢(shì)。

圖6為玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能與玻纖體積的關(guān)系。從圖6可以看出，隨著復(fù)合線中玻璃纖維體積比的增加，丙綸體積比的減少，復(fù)合線的斷裂強(qiáng)度逐漸增加，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小，兩者變化的幅度也逐漸趨于平緩。

圖6 玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能與玻纖體積比的關(guān)系Fig.6 Relationship between tensile properties of the GF/PP interlaced yarn and the volume ratio of GF

以Y1和Y2分別表示玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率，X表示復(fù)合線中玻璃纖維的體積含量，得到紗線斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的回歸方程:

Y1=0.952 6+0.002 51 －2.092 8E－5X2

相關(guān)系數(shù)R2=0.98462

相關(guān)系數(shù)R2=0.989 33

同樣地，兩種擬合曲線和回歸方程的相關(guān)系數(shù)都大于0.98，可以得出擬合符合玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系，能夠較好地反映網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線力學(xué)性能的變化趨勢(shì)。

分析兩種復(fù)合線的拉伸指標(biāo)關(guān)系可知，兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的拉伸性能主要由增強(qiáng)纖維決定，增強(qiáng)纖維的體積比越大，復(fù)合線的拉伸性能就越好。相同體積比的變化過(guò)程中，玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度變化幅度比玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線相對(duì)較大，說(shuō)明玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的拉伸性能受玄武巖纖維體積含量的影響更大。

3 結(jié)論

以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)纖維，以丙綸為基體纖維，采用噴氣網(wǎng)絡(luò)復(fù)合的方式研制了不同比例的玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線和玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線，對(duì)所制紗線進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，分析了增強(qiáng)纖維的體積比對(duì)紗線拉伸性能的影響。得到如下結(jié)論:

1)采用噴氣網(wǎng)絡(luò)的方式制備的玄武巖/丙綸、玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線實(shí)際成紗細(xì)度比理論細(xì)度有所減小，且增強(qiáng)纖維的體積比越大，復(fù)合線細(xì)度損失越大，增強(qiáng)纖維所占的體積比越小;

2)隨著紗線伸長(zhǎng)的增加，兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的強(qiáng)力逐漸增大，拉伸斷裂后強(qiáng)力迅速減小，但仍具有一定的強(qiáng)力值，且隨著伸長(zhǎng)的繼續(xù)增加有增大的趨勢(shì);

3)隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線中增強(qiáng)纖維體積比的增加，丙綸含量的減少，兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度逐漸增加，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小，且玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線的拉伸性能受玄武巖纖維體積含量的影響更顯著。

綜上所述，采用噴氣網(wǎng)絡(luò)加工技術(shù)將玄武巖纖維、玻璃纖維與丙綸復(fù)合，制備工藝簡(jiǎn)單，加工成本低廉。所制玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線、玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線，交絡(luò)部與開(kāi)纖部均勻分布，紗體成型良好，力學(xué)性能優(yōu)良，為制備丙綸基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供了新思路。網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線紗體膨松，有利于直接熱壓制備復(fù)合材料時(shí)，熔融的丙綸充分浸潤(rùn)和包覆增強(qiáng)纖維，保證復(fù)合材料成型和結(jié)構(gòu)良好，而優(yōu)良的力學(xué)性能則保證了后續(xù)加工過(guò)程的順利進(jìn)行，結(jié)果具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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