多組分纖維配比工藝對(duì)車用衣帽架性能的影響

繆 特，馮 陽(yáng)，張如全*

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多組分纖維配比工藝對(duì)車用衣帽架性能的影響

繆 特1，馮 陽(yáng)2，張如全1*

（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.江蘇奧凱環(huán)境技術(shù)有限公司，江蘇 靖江 214500）

為了探索出一種具有優(yōu)良吸音性能的車用衣帽架配比工藝，在聚丙烯纖維、玻璃纖維中加入少量的玄武巖纖維，使之進(jìn)行不同比例的配比，控制實(shí)驗(yàn)的變量熱軋溫度、熱壓輥速度、熱軋壓力，根據(jù)四組分四因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)L16（44），制得初步衣帽架。對(duì)衣帽架進(jìn)行吸音系數(shù)、強(qiáng)力及頂破強(qiáng)力的測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)表明：配比度在聚丙烯：玻璃纖維：玄武巖纖維=45%：50%：5%，熱軋溫度為200℃，熱壓輥轉(zhuǎn)速為4r/min，熱軋壓力為10MPa時(shí)，衣帽架吸聲性能最好；當(dāng)纖維的配比度PP：玻璃纖維：玄武巖纖維=40%：50%；10%時(shí)，且熱軋溫度溫度為200攝氏度，熱軋輥轉(zhuǎn)速為3轉(zhuǎn)/min，熱軋的壓力為11MPa時(shí)，所制得的針刺非織造材料經(jīng)熱軋后的斷裂強(qiáng)力最高。

針刺非織布；熱軋非織布；汽車衣帽架；吸音測(cè)試；汽車內(nèi)飾非織造布

當(dāng)今社會(huì)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人的生活水平逐漸提高，汽車作為一種日常交通工具越來(lái)越普遍。人們生活質(zhì)量的提高，對(duì)汽車環(huán)境越加嚴(yán)格，對(duì)汽車的外觀及舒適度有更高的追求。在汽車的內(nèi)飾產(chǎn)品中，越來(lái)越注重紡織品[1]。不同的纖維有其不同的特性，有其優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，因此將不同的纖維進(jìn)行不同的比例的混合，通過(guò)針刺加工制成纖維的復(fù)合氈，就有可能彌補(bǔ)各自纖維性能的不足，從而發(fā)揮它們的優(yōu)良特征，以滿足生產(chǎn)生活所需。在汽車內(nèi)飾領(lǐng)域，非織造纖維復(fù)合氈被廣泛應(yīng)用。

以前制作汽車衣帽架的材料主要是聚丙烯纖維和玻璃纖維，與之相比，本文加入了部分玄武巖纖維。玄武巖纖維作為一種高性能并且無(wú)機(jī)綠色環(huán)保的纖維，主要由氧化鈣、氧化鋁及二氧化硅組成。玄武巖纖維有許多優(yōu)良性能，包括它的隔音性能、耐高溫性能、抗壓縮強(qiáng)度、抗腐蝕性、電絕緣性及其穩(wěn)定性[2-3]。而且，在加工制得玄武巖纖維的過(guò)程中，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，生產(chǎn)過(guò)程中的廢棄物都能重復(fù)利用或自然降解，對(duì)環(huán)境幾乎沒有危害，是一種無(wú)機(jī)環(huán)保的綠色原料[4]。非織造纖維復(fù)合氈由于其加工工藝，表現(xiàn)出多孔、柔軟而且具有彈性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在作為一種吸聲隔音的材料有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；而且，非織造纖維復(fù)合氈加工工藝簡(jiǎn)便快捷，適合大規(guī)模生產(chǎn)，原料范圍廣，產(chǎn)量較高，工藝變化多，因此，針刺非織造纖維復(fù)合氈在作為一種吸聲材料領(lǐng)域具有美好的發(fā)展前景[5]。本文通過(guò)對(duì)多纖維不同組分的配比來(lái)試驗(yàn)探究出一種最適合的配比方案，使其滿足于制作車用衣帽架及其各方面性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用的原料有三種，包括聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維，通過(guò)對(duì)這三種纖維采取不同濃度比例的配比，然后進(jìn)行開松--混合--梳理成網(wǎng)--針刺加固--熱粘合加固一系列工藝流程制得衣帽架。實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備包含了開松機(jī)、混棉機(jī)、梳理機(jī)、針刺機(jī)、熱軋機(jī)、AWA6128駐波管、YG026B織物強(qiáng)力儀、剪刀、電子天平、YG031D型粒子強(qiáng)力頂破儀等。

1.2 原料配比及變化因素

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原料的配比以及實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)的變化，作出纖維配比度、熱軋溫度、速度、壓力的因子水平表。正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)就是為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，從整體的實(shí)驗(yàn)中選出其中有特點(diǎn)有代表性的點(diǎn)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，是一種分析因式的方法，高效快捷，避免了冗長(zhǎng)繁縟的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。要滿足制得的衣帽架具有基本的強(qiáng)度及其他特性以及價(jià)格的經(jīng)濟(jì)性，因此選用材料中玻璃纖維占50%，以保證制得的衣帽架能具有基本強(qiáng)力性能。玻璃纖維是一種無(wú)機(jī)非金屬纖維，耐熱性強(qiáng)，聚丙烯纖維的熔點(diǎn)在170-190攝氏度，為使在熱粘合加固中部分纖維能夠熔融和其他纖維粘結(jié)在一起，所選用的溫度水平在190-220攝氏度。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的儀器以及場(chǎng)地環(huán)境確定熱軋輥轉(zhuǎn)速在3-6r/min，壓力在9-12MPa（見表1）。

表1 因子水平表

1.3 正交實(shí)驗(yàn)表

所采用的正交表簡(jiǎn)記為L(zhǎng)16（44），L表示正交表，右下角小標(biāo)“16”表示實(shí)驗(yàn)的次數(shù)為16次，括號(hào)內(nèi)左邊的“4”表示各因子有4個(gè)水平數(shù)，右上角的小標(biāo)“4”表示實(shí)驗(yàn)中有4個(gè)因子數(shù)。

（1）表頭設(shè)計(jì)結(jié)果（見表2）

表2 表頭設(shè)計(jì)

表3 正交試驗(yàn)表

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的四種變量及其變量的四種水平數(shù)，設(shè)計(jì)得出如下正交試驗(yàn)表（表3）。

1.4 衣帽架的制備

根據(jù)設(shè)計(jì)好的正交試驗(yàn)表，按照各組分的實(shí)驗(yàn)變量調(diào)節(jié)各因子的水平，經(jīng)過(guò)開松、混合、梳理成網(wǎng)、針刺加固及熱粘合加固后，制得車用衣帽架。依次做16組實(shí)驗(yàn)，制得16種不同纖維配比或不同工藝參數(shù)的衣帽架。然后對(duì)它們進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)比得出性能最優(yōu)的一組衣帽架。

1.5 性能測(cè)試

吸音性能的測(cè)試在AWA6128駐波管中進(jìn)行，吸聲系數(shù)是描述一種材料吸聲本領(lǐng)的物理量，即：一種材料吸收的聲能的量與環(huán)境中放出的聲能的總量的比值，就叫作吸聲系數(shù)，一般用字母a表示，吸聲系數(shù)的比值越大說(shuō)明材料的吸聲性能越好。AWA6128駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試儀用來(lái)測(cè)試吸聲系數(shù)的特點(diǎn)是：聲波垂直射向吸聲材料，測(cè)出其吸聲系數(shù)。吸聲系數(shù)測(cè)試儀會(huì)通過(guò)測(cè)得到的聲波峰聲級(jí)和谷聲級(jí)值主動(dòng)計(jì)算生成出吸聲系數(shù)及其吸聲系數(shù)與聲波頻率的曲線圖。在儀器中放入吸聲材料后，聲波的幅度和頻率可以在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域中調(diào)節(jié)，不用一直更換材料，該測(cè)試儀對(duì)吸聲性能的測(cè)試非常方便適用。強(qiáng)力性能測(cè)試在YG026B織物強(qiáng)力機(jī)上，頂破強(qiáng)力性能測(cè)試在YG031D型粒子強(qiáng)力頂破機(jī)上進(jìn)行。在測(cè)試每種性能時(shí)，都將該組實(shí)驗(yàn)樣布剪成對(duì)應(yīng)的測(cè)試的樣品大小，重復(fù)測(cè)試同一樣布的3-4塊樣品，記錄所測(cè)數(shù)據(jù)。

吸聲系數(shù)：α=Eα/Eα=(Ei-Er)/Ei=1-r

式中：Ei為入射聲能；Eα為被材料或結(jié)構(gòu)吸收的聲能；Er為被材料或結(jié)構(gòu)發(fā)射的聲能；r為反射系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 多組分纖維對(duì)吸聲系數(shù)的影響

纖維的配比濃度、工藝參數(shù)都會(huì)對(duì)制得的衣帽架吸音性能產(chǎn)生影響。根據(jù)正交試驗(yàn)的極差分析法，計(jì)算得出各個(gè)實(shí)驗(yàn)樣布的平均值K，并得出極差值。將計(jì)算的出的水平數(shù)以及極差數(shù)整理出來(lái)，作出如表4極差分析表以及極差圖（圖1）。

表4 吸音系數(shù)極差分析表

由表4可以得到各因素在不同水平數(shù)時(shí)的吸音系數(shù)值，圖1表明了各因素的極差值大小，可以看到在A纖維的配比度變化時(shí)，吸音系數(shù)波動(dòng)最明顯；在D壓力時(shí)，吸音系數(shù)波動(dòng)最平緩。因?yàn)獒槾谭强椩觳嫉闹饕鲜歉鞣N纖維，是纖維經(jīng)開松混合梳理針刺熱軋加固工藝后得到的復(fù)合氈，在纖維復(fù)合氈中纖維以不同的形式存在，它們的連接糾纏方式也不同。因此在纖維復(fù)合氈中存在著許多的孔隙，多孔蓬松的材料吸聲系數(shù)較好。當(dāng)聲波射向針刺材料時(shí)，由于孔隙較多，聲波會(huì)引起孔隙內(nèi)的空氣震動(dòng)，其中部分震動(dòng)部分不易震動(dòng)導(dǎo)致空氣摩擦，所以入射的聲能部分轉(zhuǎn)為熱能從而使入射的聲能降低，這樣就消耗掉了部分聲能。由于不同的纖維配比度制得的纖維網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致纖維網(wǎng)有不同的吸聲性能。

圖1 各因素吸聲系數(shù)極差圖

2.2 多組分纖維配比對(duì)織物強(qiáng)力影響

將每組樣布進(jìn)行3次重復(fù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，記錄測(cè)試的三組數(shù)據(jù)，然后計(jì)算其平均值，就是該組樣布的強(qiáng)力值。然后根據(jù)正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析方法極差法，算出各因素在各個(gè)水平數(shù)時(shí)的平均值及極差值，然后繪制如圖2和表5。

由表5可以知道各因素不同水平的強(qiáng)力平均值及極差值，圖2可以很直觀的反映各因素的極差值大小，可以看出在A纖維的配比度時(shí)，對(duì)衣帽架的強(qiáng)力影響最大，其次是B熱軋溫度、C熱軋輥轉(zhuǎn)速，最后是D熱軋壓力。影響非織造布強(qiáng)力的因素主要包括纖維的強(qiáng)力，纖維間的抱合力及摩擦力，纖網(wǎng)的均勻度等。纖維的配比不同導(dǎo)致纖維的成網(wǎng)質(zhì)量不同，纖維網(wǎng)的一系列性能如強(qiáng)力就會(huì)有差異，而且經(jīng)熱軋加固時(shí)，熱軋溫度使部分纖維熔融，熔融的纖維流經(jīng)附近纖維使之粘連結(jié)合，使纖維間的抱合力更強(qiáng)，強(qiáng)力更大。但是溫度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致纖維網(wǎng)變焦變脆，強(qiáng)力反而會(huì)降低。

表5 強(qiáng)力極差分析表

2.3 多組分纖維配比對(duì)織物頂破強(qiáng)力的影響

每組樣布進(jìn)行3-4次重復(fù)測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)并求出平均值即為該組樣布的頂破強(qiáng)力值。然后根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析法計(jì)算得出一系列數(shù)據(jù)記錄繪制成如圖3和表6。

圖2 強(qiáng)力極差圖

表6 頂破強(qiáng)力極差分析表

表6具體明確的計(jì)算出了各因素在各水平時(shí)的頂破強(qiáng)力平均數(shù)及極差值，圖3直觀的反映了各因素的極差值大小，看出在B熱軋溫度時(shí)，對(duì)衣帽架的頂破強(qiáng)力影響最大，其次是D熱軋壓力、A纖維配比濃度，最后是C熱軋輥轉(zhuǎn)速。影響非織造布頂破強(qiáng)力的因素有纖維的斷裂強(qiáng)力及伸長(zhǎng)率，纖網(wǎng)的均勻度，纖維間的作用力及一系列加工工藝。若纖維的斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率越高、纖維間的抱合力摩擦力越大，則非織布的頂破強(qiáng)力就越高。影響纖維間作用力大小的主要因素是熱軋溫度、熱軋壓力及纖維的種類配比。熱軋時(shí)，熔點(diǎn)低的纖維熔融然后粘結(jié)周圍的纖維，增加纖維間作用力，纖網(wǎng)的頂破力越高。

圖3 頂破強(qiáng)力極差圖

3 結(jié)論

（1）當(dāng)纖維的配比度PP：玻璃纖維：玄武巖纖維=45%：50%：5%時(shí)，熱軋溫度為200攝氏度，熱壓輥速度為4轉(zhuǎn)/min，熱軋壓力為10MPa時(shí)，所制得的針刺非織造材料經(jīng)熱軋機(jī)熱軋后的吸聲系數(shù)最好；

（2）當(dāng)纖維的配比度PP:玻璃纖維：玄武巖纖維=40%：50%；10%時(shí)，且熱軋溫度溫度為200攝氏度，熱軋輥轉(zhuǎn)速為3轉(zhuǎn)/min，熱軋的壓力為11MPa時(shí)，所制得的針刺非織造材料經(jīng)熱軋后的斷裂強(qiáng)力最高；

（3）當(dāng)纖維的配比度PP:玻璃纖維：玄武巖纖維=35%：50%：15%時(shí)，且熱軋溫度為190攝氏度，熱軋輥速度為4轉(zhuǎn)/min，熱軋壓力為10MPa時(shí)，所制得的針刺非織造材料經(jīng)熱軋機(jī)熱軋后的頂破強(qiáng)力最高。

根據(jù)上述三種性能測(cè)試的結(jié)果可知，纖維的配比度是影響汽車衣帽架各種性能中最主要的因素，其次是熱軋的溫度也對(duì)衣帽架的性能有很大影響。綜合上述三種性能測(cè)試中的最優(yōu)組合，可以得出：當(dāng)纖維的配比度PP：玻璃纖維：玄武巖纖維=40%：50%：10%時(shí)，且熱軋的溫度為200攝氏度，熱壓輥轉(zhuǎn)速為4r/min，熱軋壓力為10MPa時(shí)，用這種組合因素方式經(jīng)針刺熱軋制得的衣帽架材料具有最優(yōu)的綜合性能。

[1] 杜兆芳，胡鳳霞，趙淼淼，等．汽車內(nèi)飾材料的吸聲性能[J]．紡織學(xué)報(bào)，2011，6(32)：45-47．

[2] 宋秋霞．玄武巖/苧麻纖維混雜增強(qiáng)聚丙烯熱塑板的開發(fā)[D]．天津：天津工業(yè)大學(xué)，2010，9(2)：33-35．

[3] J L Thomason．The influence of fiber length and concentration on the properties of glass fiber reinforced polypropylene：Interface strength and fiber strain in injection molded long fiber PP at high fiber content[J]．Applied science and manufecuring，2007，38(1)：210-216．

[4] 王鳳，陳陽(yáng)，李振偉．連續(xù)玄武巖纖維及其復(fù)合材料的研究[J]．玻璃鋼與復(fù)合材料，2012，6(2)：34-38．

[5] 邱菊生，鐘智麗，石磊．纖維組分比例對(duì)玄武巖/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究[J]．天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，5(3)：48-51．

Multicomponent Fibre Composition Process Effect the Properties of Automotive Coatrack

MIAO Te1，F(xiàn)ENG Yang2，ZHANG Ru-quan1

(1.Shool of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430200 China；2.Jiangsu Aokai Environmental Technology Co. Ltd., Jingjiang Jiangsu 214500 China)

In order to explore a kind of excellent sound-absorbing performance of vehicle coatrack matching technology, the experiment added a small amount of basalt fiber in polypropylene fibers and glass fibers, so that the ratio of different proportions was ensured. Then the variables of experiment: hot rolling temperature, hot roll speed, hot rolling pressure were under control. According to the four components of four factors, the experiment designed orthogonal test L16(44) and made a preliminary coatrack. By testing the coatrack’s sound absorbing, strength and bursting strength, we got a conclusion that when the ratio of polypropylene: glass fiber, basalt fiber is 40% : 50% : 5%, hot rolling temperature is 200 ℃, hot pressing roller speed is 4 r/min and hot rolling pressure is 10 MPa, the coatrack has the the best sound absorption performance. When the matching degree of PP fiber: glass fiber, basalt fiber = 40% : 50%; 10%, and hot rolling temperature is 200 degrees Celsius temperature, hot roll speed for 3 r/min, the pressure of the hot rolling of 11 MPa, the prepared needle punched nonwovens have the highest breaking strength after hot rolling.

needle punched nonwovens; hot rolled nonwoven fabric; car coatrack; acoustic test; automotive interior nonwovens

TS174.5

A

2095－414X(2017)03－0030－05

張如全（1966-），男，教授，研究方向：智能紡織品，功能非織造布.

湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2013CFA090）；武漢紡織大學(xué)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（162038）.