三種耐高溫紗線的結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試評(píng)價(jià)

劉 群 徐廣標(biāo) 王向欽

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620;3.廣州市纖維產(chǎn)品檢測(cè)院，廣州，510220)

鋼鐵、水泥、電力等行業(yè)排放的高溫?zé)煔鈱?duì)大氣造成污染的問題越來越受到重視［1］，耐高溫纖維及其制品的需求量隨之增長。針對(duì)高溫?zé)煔膺@一特殊的使用環(huán)境，對(duì)耐高溫材料的耐磨性、耐高溫性、穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求［2-6］。符合條件的煙氣過濾材料包括芳綸(Nomex)、PTFE(聚四氟乙烯)等，玄武巖以其優(yōu)良的熱力學(xué)性能［7-8］近年來成為研究熱點(diǎn)。國外從20世紀(jì)70年代開始研究開發(fā)耐高溫合成纖維［9］，技術(shù)較為成熟。而國內(nèi)受化纖工業(yè)的影響，國產(chǎn)的高溫合成纖維較少［10-13］，對(duì)常見的耐高溫紗線的熱力學(xué)性能研究還不多。因此，本文對(duì)國產(chǎn)的芳綸紗線、玄武巖紗線、PTFE紗線的形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)價(jià)，為高溫?zé)煔膺^濾材料的研究和使用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)所用玄武巖紗線、芳綸紗線及PTFE膜裂紗由工廠提供。其中，玄武巖紗線是用單股平行原絲在不加捻的狀態(tài)下并合而成的集束體，芳綸紗線由芳綸1313短纖紗加捻后四股合制而成，PTFE紗線由PTFE單紗加捻后三股合制而成。紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 三種紗線的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 測(cè)試

1.2.1 紗線的熱處理

采用DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱對(duì)三種紗線進(jìn)行高溫加熱。溫度分別設(shè)置為140、170、200、230、260 ℃［14］，各溫度下分別放置 3、6 h。取出的試樣在空氣中自然冷卻24 h后，進(jìn)行形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的測(cè)試。

1.2.2 形態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用TM3000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)紗線的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)，以及經(jīng)一定溫度、時(shí)間處理后紗線的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試

1.2.3.1 拉伸性能

采用華龍WDW-20型微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)，參考GB/T7690.3—2001，對(duì)紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長、彈性模量等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。夾持時(shí)，試樣表面光滑易滑脫，制樣方法如圖1所示。試驗(yàn)條件設(shè)定為：等速伸長，夾持隔距200 mm，拉伸速度200 mm/min，預(yù)加張力 2.5 mN/tex，環(huán)境溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(65±3)%。每個(gè)試樣測(cè)試10次，結(jié)果取平均值。對(duì)于高溫處理后的紗線，采用相同的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。

圖1 拉伸試驗(yàn)制樣方法

1.2.3.2 勾結(jié)強(qiáng)度

采用華龍WDW-20型微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)紗線的勾結(jié)強(qiáng)度、勾結(jié)強(qiáng)度率進(jìn)行測(cè)試。制樣方法如圖2所示，在與拉伸性能測(cè)試相同的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)試樣測(cè)試10次，結(jié)果取平均值。

圖2 勾結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)制樣方法

1.2.4 熱重(TG)分析

采用德國耐馳公司的TG209F1型熱重分析儀對(duì)材料的熱分解溫度進(jìn)行測(cè)試，用哈氏切片器將紗線切成粉末狀作為待測(cè)樣。測(cè)試條件：升溫速率10℃/min，掃描溫度范圍40～900℃，氮?dú)獗Ｗo(hù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用SEM觀測(cè)未處理紗線的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 玄武巖紗線表面形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖4 芳綸紗線表面形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖5 PTFE紗線表面形態(tài)結(jié)構(gòu)

從圖3中可以看出，玄武巖纖維表面光滑，呈圓柱狀，截面為較圓整的圓形。這主要是由于在拉絲紡制過程中，高溫熔融狀態(tài)下的玄武巖礦石被牽拉伸長及冷卻形成玄武巖纖維之前，在表面張力的作用下逐漸收縮，最后形成表面積最小的圓形。從圖4中可以看出，芳綸整體上呈規(guī)則的圓柱體，表面存在一些條狀碎片，這是由于芳綸長絲制成短纖維再紡成紗線的過程中纖維受到磨損，使得纖維表面被撕裂［14］。從圖5中可以看出，PTFE纖維表面光滑、無毛羽，橫截面呈不規(guī)則的多邊形?？偟膩砜?，三種紗線表面光滑，用作過濾材料都可提高過濾效率。

采用SEM觀測(cè)經(jīng)高溫處理后紗線的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。對(duì)比未處理的紗線表面形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高溫處理后紗線表面都出現(xiàn)不同程度的損傷。由圖6(a)可知，玄武巖紗線經(jīng)230℃處理后，表面光滑，無明顯變化，經(jīng)260℃處理后表面出現(xiàn)刻蝕，損傷明顯。相對(duì)其他紗線，玄武巖纖維表面在較高溫度下才會(huì)發(fā)生變化，且處理時(shí)間對(duì)表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響不大。由圖6(b)可知，芳綸紗線經(jīng)170℃處理3 h后表面輕度損傷，出現(xiàn)黑色斑點(diǎn);處理6 h后表面出現(xiàn)明顯孔洞結(jié)構(gòu);時(shí)間越長，溫度越高，損傷越明顯。由圖6(c)可知，PTFE紗線經(jīng)170℃處理3 h后表面無明顯變化，處理6 h后表面有刻蝕現(xiàn)象;時(shí)間越長，溫度越高，刻蝕越明顯，范圍越大。

圖6 紗線經(jīng)高溫處理后的表面形態(tài)變化

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 未處理紗線的拉伸性能

用華龍WDW-20型微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的三種紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長、彈性模量等指標(biāo)如表2所示。從表中可以看出，三種紗線的強(qiáng)度為2.8～5.8 cN/dtex，相較常規(guī)化纖強(qiáng)度高;斷裂伸長率為2.9%～4.8%，伸長相對(duì)較小;彈性模量為1 943～9 096 MPa，較大的彈性模量保證了制品的剛度，但不同紗線之間差異較大。

表2 紗線的基本力學(xué)性能

比較而言，PTFE紗線的斷裂強(qiáng)度最小，是其他兩種紗線的1/2左右，斷裂伸長率最大，彈性模量最小，因此PTFE紗線比較容易變形，給紡織生產(chǎn)加工造成困難。對(duì)于那些對(duì)織物的尺寸保持率要求比較高的場(chǎng)合，需采用斷裂伸長較小的紗線。玄武巖紗線的彈性模量遠(yuǎn)大于其他兩種紗線，且斷裂伸長最小，強(qiáng)度則稍低于芳綸紗線。玄武巖紗線的剛度大，其制品不容易變形。芳綸紗線的斷裂強(qiáng)度最大，保證了制品的耐磨性，在外力作用比較大的情況下，可以優(yōu)先考慮芳綸。

2.2.2 紗線熱處理后的拉伸性能

高溫處理后紗線的強(qiáng)度變化如圖7所示。由圖7可以看出，在260℃以下的溫度范圍內(nèi)，三種紗線的力學(xué)性能均比較穩(wěn)定，強(qiáng)度保持率均在70%以上;溫度越高，強(qiáng)度保持率越低。

圖7 高溫處理后紗線的強(qiáng)度變化

隨著溫度的提高，芳綸紗線的強(qiáng)度下降明顯。當(dāng)溫度超過170℃以后強(qiáng)度下降迅速，230℃后的強(qiáng)度下降速率最快;在230℃下處理3 h后芳綸紗線的強(qiáng)度保持率為88.8%，處理6 h后的強(qiáng)度保持率為84.6%;在260℃下處理3 h后強(qiáng)度保持率僅為71.7%。處理時(shí)間、溫度對(duì)芳綸紗線強(qiáng)度的影響顯著，呈負(fù)相關(guān)，說明芳綸紗線的熱穩(wěn)定性比較差，高溫下不能長時(shí)間使用。玄武巖紗線在高溫下處理3 h后，強(qiáng)度保持率在95%以上，處理6 h后的強(qiáng)度保持率也在90%以上，強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定。這可能是由于玄武巖紗線的材料中含有Fe2O3和FeO能改變?nèi)苜|(zhì)參數(shù)，影響導(dǎo)熱性能，提高了紗線的熱穩(wěn)定性［15］，因而玄武巖紗線能夠滿足長時(shí)間耐高溫的要求。PTFE紗線的強(qiáng)度隨著溫度的上升稍有下降，但變化不明顯，強(qiáng)度保持率始終在90%以上，時(shí)間對(duì)PTFE紗線強(qiáng)度的影響不大，說明PTFE紗線耐高溫且熱穩(wěn)定性好，能在高溫條件下長時(shí)間使用。

總的來說，芳綸紗線在高溫下強(qiáng)度降低最快，PTFE紗線的強(qiáng)度稍有降低，而玄武巖紗線的強(qiáng)度保持率最高。

2.2.3 勾結(jié)拉伸性能

勾結(jié)拉伸性能反映了紗線的耐彎曲性能，即紗線的脆性［16］。三種紗線的勾結(jié)拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，三種紗線的勾結(jié)強(qiáng)度保持率差別較大，PTFE紗線的勾結(jié)強(qiáng)度明顯高于其他兩種紗線。PTFE紗線的勾結(jié)強(qiáng)度率達(dá)到100.9%，可見PTFE紗線的韌性大，可繞曲性強(qiáng)。玄武巖紗線和芳綸紗線在常溫下的勾結(jié)強(qiáng)度僅為單向拉伸時(shí)斷裂強(qiáng)度的29%和27%，脆性大，因此在生產(chǎn)、運(yùn)輸及使用過程中，要注意減少對(duì)膜材的折疊，如用于織造機(jī)織布需改善經(jīng)緯紗線的彎曲狀態(tài)。

2.3 熱重分析

使用德國耐馳公司的TG209F1型熱重分析儀對(duì)三種紗線的熱分解溫度進(jìn)行了測(cè)試，熱重曲線如圖8所示。

圖8 紗線的熱重曲線

材料的熱穩(wěn)定性通常用其在空氣或惰性氣體中開始分解的溫度來表征，或通過熱失重來說明［17］。從圖8中可以看出：芳綸紗線的起始分解溫度為530.9℃，在560.1℃時(shí)分解速率最高，為-2.64%/min，600℃時(shí)的質(zhì)量損失率為11.9%;PTFE紗線的起始分解溫度為545.1℃，在569.3℃時(shí)分解速率最高，為-28.9%/min，失重率最大，600℃時(shí)的質(zhì)量損失率為86.1%;玄武巖紗線在900℃以下的溫度范圍內(nèi)基本不發(fā)生分解，600℃時(shí)的質(zhì)量損失率僅為1.1%。

從起始分解溫度可以確定紗線的最高使用溫度，從而比較紗線的熱穩(wěn)定性。試驗(yàn)表明，三種紗線的起始分解溫度均在500℃以上，其中玄武巖紗線的起始分解溫度最高，熱穩(wěn)定性最好，PTFE紗線、芳綸紗線相差不大，芳綸紗線的熱穩(wěn)定性稍差。所以，如果不考慮酸堿環(huán)境的話，可優(yōu)先考慮玄武巖紗線。

3 結(jié)語

(1)從表面形態(tài)結(jié)構(gòu)來看，玄武巖、芳綸、PTFE三種紗線中的纖維表面光滑，適宜用作過濾材料，但長時(shí)間高溫下會(huì)出現(xiàn)刻蝕現(xiàn)象。

(2)從強(qiáng)伸性來看，三種紗線的強(qiáng)力均較大。其中，PTFE紗線的強(qiáng)度相對(duì)較低、變形大，形態(tài)穩(wěn)定性差，玄武巖紗線的剛度大，芳綸紗線的斷裂強(qiáng)度最大。經(jīng)高溫處理后，紗線的力學(xué)性能穩(wěn)定性好，相較而言，芳綸紗線高溫下強(qiáng)度降低最快，PTFE紗線的強(qiáng)度稍有降低，而玄武巖紗線的強(qiáng)度保持率最高。勾結(jié)試驗(yàn)表明，PTFE紗線的勾結(jié)強(qiáng)度明顯高于其他兩種紗線，耐彎曲性較好。

(3)由熱重分析可知，三種紗線的起始分解溫度均在500℃以上。比較起始分解溫度，即最高使用溫度，玄武巖紗線最高、PTFE紗線較低、芳綸紗線最低。

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