基于濕法成形的玻璃纖維非織造材料加筋技術(shù)及原理

鄧　超，靳向煜，孟靈晉

(1. 東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620；2. 宏祥新材料股份有限公司，山東 德州 253500)

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基于濕法成形的玻璃纖維非織造材料加筋技術(shù)及原理

鄧超1，靳向煜1，孟靈晉2

(1. 東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620；2. 宏祥新材料股份有限公司，山東 德州 253500)

摘要：介紹了玻璃纖維斜網(wǎng)濕法加筋非織造材料的成形技術(shù)，討論了加筋耙與成形網(wǎng)所成夾角對(duì)濕法非織造材料加筋的影響. 分析了濕法非織造材料的加筋原理，并對(duì)該非織造材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試. 結(jié)果表明：加筋能有效地減小濕法非織造材料的形變；通過(guò)加筋能有效提高玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力，但加筋后濕法非織造材料的橫向拉伸斷裂強(qiáng)力略低于未加筋濕法非織造材料；加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力與加筋數(shù)量呈線性關(guān)系.

關(guān)鍵詞：玻璃纖維； 濕法成形； 非織造材料； 加筋； 力學(xué)性能

濕法成形非織造材料與傳統(tǒng)的造紙?jiān)诔尚卧砩鲜且恢碌模且运疄檩d體，纖維在水中均勻分散后，在成形網(wǎng)上脫水沉積，形成纖維網(wǎng)層. 濕法成形制得的纖網(wǎng)縱、橫向強(qiáng)力均比較小，即具有良好的各向同性的力學(xué)性能.

文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)比玻璃纖維加筋濕法非織造材料與不加筋濕法非織造材料的縱向拉伸強(qiáng)力測(cè)試數(shù)據(jù)得出，加筋濕法非織造材料的性能明顯優(yōu)于不加筋濕法非織造材料，即加筋可大大提高纖網(wǎng)材料的強(qiáng)度. 文獻(xiàn)[2]介紹了玻璃纖維加筋濕法非織造材料的加筋工藝，并進(jìn)行了加筋濕法非織造材料撕裂試驗(yàn)，但沒有分析加筋原理. 文獻(xiàn)[3]從短切纖維含濕量、黏結(jié)劑含量、成品濕法非織造材料含水量3個(gè)方面對(duì)玻璃纖維濕法非織造材料的強(qiáng)力進(jìn)行了分析. 綜上可以看出，加筋技術(shù)對(duì)玻璃纖維加筋濕法非織造材料力學(xué)性能的提高至關(guān)重要，因此，有必要對(duì)玻璃纖維濕法非織造材料的加筋原理以及加筋對(duì)材料性能的影響進(jìn)行分析研究.

本文采用在濕法成形過(guò)程中引入長(zhǎng)絲加筋技術(shù)，以及固定、烘干等方法，最終形成加筋濕法非織造材料；同時(shí)探討濕法非織造材料加筋角度(θ)對(duì)加筋的影響、加筋原理，以及加筋對(duì)玻璃纖維濕法非織造材料性能的影響；測(cè)試加筋前后以及不同加筋數(shù)量的濕法非織造材料的力學(xué)性能，進(jìn)行差異比較分析，建立濕法非織造加筋技術(shù)對(duì)材料性能影響的相關(guān)理論.

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原料

玻璃短切纖維，纖維直徑為13 μm，長(zhǎng)度為15 mm，含水率為9.7%；無(wú)堿連續(xù)玻璃纖維加筋長(zhǎng)絲，長(zhǎng)絲直徑為(9.0±0.9) μm，線密度為(68.7±1.7) tex，捻度為(28±4) 捻/m，含水率≤0.15%.

1.2儀器設(shè)備

小型攪拌機(jī)；濕法斜網(wǎng)成形機(jī)；浸膠裝置；YG020A型拉伸試驗(yàn)機(jī)；Instron萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)；JSM25600 LV型掃描電子顯微鏡(SEM)； FA2004型電子天平.

1.3試驗(yàn)方法

玻璃纖維斜網(wǎng)濕法加筋非織造材料試驗(yàn)流程如圖1所示.

圖1　玻璃纖維斜網(wǎng)濕法加筋非織造材料試驗(yàn)流程圖Fig.1　Flowchart of filament reinforced glass fiber inclined wire wet-laid nonwoven materials

圖1中加筋技術(shù)是采用氣動(dòng)方法將加筋長(zhǎng)絲穿入加筋耙導(dǎo)管后，長(zhǎng)絲在氣流的作用下被帶入漿料中，通過(guò)控制加筋耙的位置，真空脫水裝置的抽吸壓力以及采用奇數(shù)個(gè)真空脫水裝置，使加筋長(zhǎng)絲的位置保持在濕法非織造材料的截面中間.

根據(jù)所用纖維原料的種類，本試驗(yàn)利用斜網(wǎng)濕法成形低濃度、大流量的特點(diǎn)，保證了成網(wǎng)的可靠性和均勻性.

1.4力學(xué)性能測(cè)試

1.4.1無(wú)堿連續(xù)玻璃纖維加筋長(zhǎng)絲強(qiáng)力測(cè)試

加筋長(zhǎng)絲拉伸強(qiáng)力測(cè)試參照GB/T7690.3—2001.

1.4.2玻璃纖維濕法非織造材料強(qiáng)力測(cè)試

非織造材料拉伸強(qiáng)力測(cè)試參照GB/T 6006.2—2013中的第2部分：拉伸斷裂強(qiáng)力的測(cè)定. 試樣規(guī)格：(1)未加筋玻璃纖維濕法非織造材料，尺寸為30 cm×5 cm，縱橫向各5個(gè)試樣；(2)加筋玻璃纖維濕法非織造材料，尺寸為30 cm×5 cm，縱向材料加筋數(shù)為3根，橫向材料加筋數(shù)為19根，縱、橫向各5個(gè)試樣；(3)縱向加筋玻璃纖維濕法非織造材料，樣品加筋數(shù)為1～ 9根，尺寸為30 cm×加筋數(shù)(1～9根)每種加筋數(shù)量各5個(gè)試樣.

2玻璃纖維非織造材料加筋技術(shù)及原理

目前濕法加筋材料的加筋技術(shù)主要有兩種：一種是表面加筋，玻璃纖維長(zhǎng)絲貼在濕法材料表面，但筋容易脫落；另一種是將筋材料加在濕法纖網(wǎng)中間，表面無(wú)筋凸露在外面，加筋長(zhǎng)絲不易脫落，加筋效果好[1]. 本文采用后一種加筋技術(shù).玻璃短纖維經(jīng)過(guò)送料機(jī)進(jìn)入攪拌罐內(nèi)被攪拌分散成單絲，然后被送入料漿罐使其進(jìn)一步勻化，再經(jīng)過(guò)白水稀釋至一定質(zhì)量濃度(0.2～0.8 g/L)后[4]，通過(guò)沖漿泵將玻璃纖維漿料輸送至斜網(wǎng)成形機(jī)的流漿箱中.

為了制造濕法加筋非織造材料，使加筋長(zhǎng)絲添加在濕法材料內(nèi)，本試驗(yàn)在斜網(wǎng)成形機(jī)前搭建一個(gè)加筋裝置，即在斜網(wǎng)成形機(jī)上部安裝上一個(gè)加筋機(jī)構(gòu)，也稱之為“加筋耙”.加筋長(zhǎng)絲先經(jīng)過(guò)張力器再進(jìn)入加筋耙內(nèi)，張力器賦予加筋長(zhǎng)絲一定的張力，通過(guò)加筋耙將加筋長(zhǎng)絲添加在濕法非織造材料內(nèi)(如圖2所示).加筋耙可以自由升降并可調(diào)節(jié)其與成形網(wǎng)之間的距離及角度，因此在制備不同品種的濕法加筋非織造材料時(shí)，可以調(diào)節(jié)加筋長(zhǎng)絲的位置使其保持在濕法非織造材料的截面中間[2].

圖2　斜網(wǎng)濕法成形及加筋裝置示意圖Fig.2　Schematic diagram of filament reinforcement of inclined wire wet-laid process

2.1θ對(duì)加筋的影響

θ是加筋耙的導(dǎo)管和成形網(wǎng)所成夾角，如圖3所示.

(a) θ為任意角度

(b) θ=90°

(c) θ=180°

reinforced rake and forming wire

由圖3(a)可以看出，加筋耙可以自由升降并可調(diào)節(jié)其與成形網(wǎng)之間的距離和夾角，θ設(shè)計(jì)是影響加筋效果的關(guān)鍵.不同θ帶來(lái)的加筋效果也不一樣.

由圖3(b)可知，當(dāng)θ=90°時(shí)，加筋耙的導(dǎo)管與成形網(wǎng)垂直，當(dāng)加筋長(zhǎng)絲從加筋耙導(dǎo)管口出來(lái)時(shí)，由于漿料流體的涌動(dòng)和受到玻璃纖維濕法纖網(wǎng)對(duì)其摩擦牽伸的作用，玻璃纖維加筋長(zhǎng)絲從加筋耙導(dǎo)管口垂直出來(lái)，其容易與加筋耙管口產(chǎn)生摩擦而導(dǎo)致斷筋現(xiàn)象，或運(yùn)動(dòng)不暢堵塞加筋耙管口，從而給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難. 由圖3(c)可知，當(dāng)θ=180°時(shí)，玻璃纖維加筋長(zhǎng)絲在漿料涌動(dòng)和玻璃纖維濕法纖網(wǎng)對(duì)其摩擦牽伸的作用下，其與加筋耙導(dǎo)管平行地從管口出來(lái)，進(jìn)入到玻璃纖維濕法纖網(wǎng)層材料中部，玻璃纖維加筋長(zhǎng)絲不易發(fā)生因與加筋耙導(dǎo)管口摩擦而導(dǎo)致的斷筋現(xiàn)象，也不易堵塞加筋耙導(dǎo)管口，從而保證加筋的順利鋪設(shè)，因此θ=180°加筋效果是最理想的.綜上可發(fā)現(xiàn)，隨著θ的增大，鋪設(shè)效果逐漸改善，當(dāng)θ達(dá)到180°時(shí)，加筋效果是最理想的.

2.2加筋原理

本試驗(yàn)采用的斜網(wǎng)成形機(jī)設(shè)有多個(gè)真空脫水裝置(如圖4所示)，每一個(gè)真空脫水裝置都具有一定的脫水能力.纖維漿料隨著成形網(wǎng)的移動(dòng)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)真空脫水裝置進(jìn)行脫水，纖維就隨機(jī)沉積在成形網(wǎng)上形成薄纖網(wǎng)層[5]，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)真空脫水裝置的抽吸壓力參數(shù)，控制各纖網(wǎng)層的面密度，纖維漿料經(jīng)過(guò)由下到上多個(gè)真空脫水裝置的脫水，最終形成了由多層疊合的濕法非織造材料，即濕法非織造材料成形的基本原理過(guò)程(如圖4(a)所示).

在加筋過(guò)程中調(diào)節(jié)加筋耙，使加筋耙的導(dǎo)管口定位在中間脫水箱的位置(如圖4(b)所示)，且導(dǎo)管與成形網(wǎng)接近平行，用氣動(dòng)方法將加筋長(zhǎng)絲穿入加筋耙導(dǎo)管后，長(zhǎng)絲在氣流的作用下被帶入漿料中.加筋濕法非織造材料成形過(guò)程中，在加筋之前形成薄層的纖網(wǎng)層，然后導(dǎo)入加筋長(zhǎng)絲，通過(guò)控制后面真空脫水裝置的抽吸壓力，再在加筋長(zhǎng)絲上面覆蓋與前道等重的纖網(wǎng)層，由于加筋長(zhǎng)絲是連續(xù)的，加筋長(zhǎng)絲在上下纖網(wǎng)層對(duì)其摩擦力作用下持續(xù)恒速地從加筋耙導(dǎo)管口拉出，從而保證了加筋的連續(xù)性鋪設(shè)(如圖4(c)所示). 經(jīng)加筋的濕法非織造材料在成形網(wǎng)的帶動(dòng)下進(jìn)入后道浸漬工序. 試驗(yàn)樣品的SEM圖如圖5所示.由圖5可以發(fā)現(xiàn)，濕法非織造材料的實(shí)際加筋效果與加筋原理所得出的結(jié)論是一致的，纖網(wǎng)中的纖維隨機(jī)排列，并在黏合劑作用下互相固結(jié)，玻璃纖維長(zhǎng)絲有效地被上下兩層纖網(wǎng)所夾持.

(a) 濕法非織造材料成形基本原理過(guò)程示意圖 　(b) 濕法成形加筋裝置示意圖

(c) 玻璃纖維濕法非織造材料加筋成形示意圖

(a) 平面　　　　　(b) 縱向截面

3加筋對(duì)非織造材料力學(xué)性能的影響

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于施工環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)非織造材料的性能提出了更高的要求，尤其是材料的強(qiáng)度和變形量.因此，玻璃纖維濕法非織造材料的力學(xué)性能控制，對(duì)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用有重要的影響.

3.1加筋對(duì)非織造材料力學(xué)性能的影響

玻璃纖維濕法非織造材料采用濕法成網(wǎng)，再浸膠固結(jié)，賦予纖網(wǎng)更高的強(qiáng)力.由于玻璃纖維的剛性比較大，纖網(wǎng)中的纖維之間幾乎不發(fā)生纏結(jié)，非織造材料的強(qiáng)力主要由玻璃纖維之間的摩擦力和玻璃纖維與黏合劑的黏合力所構(gòu)成.

采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)玻璃纖維加筋長(zhǎng)絲、玻璃纖維未加筋濕法非織造材料(面密度為45 g/m2)、玻璃纖維加筋濕法非織造材料(面密度為45 g/m2，加筋數(shù)為3根)的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6和7所示.

圖6　加筋長(zhǎng)絲及濕法非織造材料縱向拉伸曲線Fig.6　The longitudinal tensile curves of filaments and wet-laid nonwoven materials

圖7　濕法非織造材料橫向拉伸曲線Fig.7　The transverse tensile curves of wet-laid nonwoven materials

由圖6可以看出，未加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力為95 N，加筋長(zhǎng)絲的拉伸斷裂強(qiáng)力為29 N，而加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力為240 N，未加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力與相應(yīng)數(shù)量的加筋長(zhǎng)絲拉伸斷裂強(qiáng)力之和并不等于加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力，而是小于加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力. 這是因?yàn)椴ＡЮw維加筋濕法非織造材料的縱向斷裂強(qiáng)力構(gòu)成，不僅有玻璃纖維之間的摩擦力和玻璃纖維與黏合劑的黏合力，還存在玻璃纖維和加筋長(zhǎng)絲之間的摩擦力，加筋長(zhǎng)絲和黏合劑之間多重作用力以及加筋長(zhǎng)絲自身的強(qiáng)力.也就是說(shuō)，通過(guò)加筋有效地提高了玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力，此外，玻璃纖維加筋濕法非織造材料的初始模量要遠(yuǎn)大于未加筋濕法非織造材料的初始模量，說(shuō)明玻璃纖維加筋濕法非織造材料在拉力作用下不易發(fā)生變形，材料具有良好的加筋效果.

由圖7可以看出，加筋濕法非織造材料的橫向拉伸強(qiáng)力反而略低于未加筋濕法非織造材料.一方面，加筋非織造材料的質(zhì)量包括了加筋長(zhǎng)絲的質(zhì)量，所以除加筋長(zhǎng)絲以外，材料的質(zhì)量較未加筋的小，因而加筋濕法非織造材料橫向拉伸強(qiáng)力略低；另一方面，從圖5(b)可以看出，加筋長(zhǎng)絲的存在使得加筋濕法非織造材料內(nèi)部存在空隙，玻璃纖維之間的結(jié)合相對(duì)減弱，從而加筋濕法非織造材料的橫向拉伸強(qiáng)力略低于未加筋濕法非織造材料.

3.2加筋數(shù)量對(duì)非織造材料力學(xué)性能的影響

采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)加筋數(shù)量為1～9 根的玻璃纖維加筋濕法非織造材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得加筋數(shù)量為1～9根的玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力分別為70，141，203，268，335，396，460，521，587 N. 將玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力與加筋數(shù)繪制成曲線圖，如圖8所示.

圖8　濕法非織造材料縱向拉伸強(qiáng)力-加筋數(shù)曲線Fig.8　The longitudinal tensile-reinforced number curves of wet-laid nonwoven materials

由圖8可以看出，隨著加筋數(shù)量的增加，玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力成線性比例增加.由于每根加筋長(zhǎng)絲對(duì)材料的貢獻(xiàn)是一定的，且其在濕法非織造材料中是平行排列的，加筋長(zhǎng)絲之間沒有相互作用力，因此，加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力與加筋數(shù)量之間呈線性關(guān)系.

通過(guò)在玻璃纖維濕法非織造材料中加入連續(xù)的玻璃纖維加筋長(zhǎng)絲，可有效地防止纏繞過(guò)程中玻璃纖維材料斷裂[6]，減小玻璃纖維濕法非織造材料在實(shí)際使用過(guò)程中的變形和強(qiáng)力損失，因此，玻璃纖維加筋濕法非織造材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性，強(qiáng)度較高. 此外，玻璃纖維加筋濕法非織造材料的耐腐蝕性好，厚度均勻，耐溶劑性能和耐水汽侵蝕性能好，與瀝青和煤焦油瓷漆的相容性良好[7]，可被廣泛應(yīng)用于管道復(fù)合材料.

4結(jié)論

(1) 濕法非織造材料的加筋角度θ對(duì)加筋效果起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)θ=90°時(shí)，由于漿料流體的涌動(dòng)和受到玻璃纖維濕法非織造材料對(duì)其摩擦牽伸的作用，加筋過(guò)程中玻璃纖維加筋長(zhǎng)絲容易發(fā)生斷筋或運(yùn)動(dòng)不暢堵塞加筋耙導(dǎo)管口，隨著θ的增大，加筋效果逐漸改善，當(dāng)θ=180°時(shí)，加筋效果最理想.

(2) 在加筋濕法非織造材料成形過(guò)程中，加筋長(zhǎng)絲加在中間脫水箱的位置，即處在多個(gè)薄層構(gòu)成的濕法非織造材料的中間.由于加筋長(zhǎng)絲是連續(xù)的，加筋長(zhǎng)絲在上下纖維層對(duì)其摩擦作用力下持續(xù)恒速地被拉出，保證了加筋的連續(xù)性.

(3) 通過(guò)加筋能有效提高玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力，而加筋濕法非織造材料的橫向拉伸斷裂強(qiáng)力略低于未加筋濕法非織造材料.

(4) 玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力與加筋數(shù)量呈線性關(guān)系，隨著加筋數(shù)量的增加，玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強(qiáng)力均勻增加.

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文章編號(hào)：1671-0444(2016)03-0380-06

收稿日期：2015-04-28

作者簡(jiǎn)介：鄧超(1990—)，男，江蘇蘇州人，博士研究生，研究方向?yàn)榉强椩觳牧吓c工程.E-mail：dc199086@126.com 靳向煜(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail：jinxy@dhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TS 174.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Reinforcement Technology and Principle about Glass Fiber Nonwoven Materials Based on Wet-Laid

DENGChao1，JINXiang-yu1，MENGLing-jin2

(1. Engineering Research Center of Technical Textiles, Ministry of Education， Donghua University，Shanghai 201620， China；2. Hongxiang New Geo-Material Co. Ltd., Dezhou 253500， China)

Abstract:The filament reinforced glass fiber inclined wire wet-laid glass fiber reinforced nonwoven material forming technology was introduced, the impact of angle between reinforced rake and forming wire on reinforcement of wet-laid nonwoven materials was discussed. The reinforcement principle of wet-laid nonwoven materials was analyzed, and the mechanical properties of the nonwoven materials were tested. The results show that the reinforcement can effectively reduce the deformation of the nonwoven materials. The longitudinal tensile strength of wet-laid glass fiber nonwoven materials can be effectively improved, but the transverse tensile strength of reinforced wet-laid nonwoven materials is slightly less than the unreinforced wet-laid nonwoven materials. The longitudinal tensile strength of reinforced wet-laid nonwoven materials is proportional to the number of reinforced filaments correspondingly.

Key words:glass fiber； wet-laid； nonwoven material； reinforcement； mechanical property