玄武巖長(zhǎng)絲可編織性能的試驗(yàn)研究

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(河北科技大學(xué)紡織服裝學(xué)院，石家莊　050031)

近年來(lái)綠色環(huán)保的高性能纖維和功能性纖維材料得到了快速發(fā)展，應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。優(yōu)異的工程性質(zhì)，使玄武巖纖維可摻入到混凝土等工程材料中，能有效地改善材料的力學(xué)性能，使材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗?jié)B性能、抗震性能等得到更加顯著的提高[1-3]。獨(dú)特的耐高溫性能使得它可以在高溫過(guò)濾材料領(lǐng)域發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)，另外也可以在冶金、鋼鐵、水泥等行業(yè)中用作耐高溫的防護(hù)服裝或者是傳送帶等產(chǎn)品。石材作為主要的建筑材料之一，與水泥有著極佳的結(jié)合特性，所以也決定了玄武巖纖維制品可以在建筑和土木工程領(lǐng)域拓展出廣泛的使用空間，用于各種住宅、基礎(chǔ)設(shè)施工程等項(xiàng)目當(dāng)中。總之，玄武巖纖維及其制品的應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的，產(chǎn)品的應(yīng)用形式也是多種多樣的，它可以是以纖維的形態(tài)使用，也可以是以產(chǎn)品的形式使用；產(chǎn)品的形式又可以是一維的產(chǎn)品、兩維的產(chǎn)品和三維立體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品[4-5]。玄武巖纖維的優(yōu)良性能毋庸置疑，但纖維本身也有不足之處，如纖維的脆性較大，編織和織造時(shí)困難較大，故本論文主要就玄武巖長(zhǎng)絲的可編織性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1　試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)所用玄武巖長(zhǎng)絲為東莞俄金玄武巖纖維有限公司和江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司生產(chǎn)，單絲直徑為13 μm，線(xiàn)密度為800 tex，測(cè)試?yán)鞌嗔褟?qiáng)度分別為49.3 cN/tex和35.4 cN/tex。

2　設(shè)備、測(cè)試儀器及測(cè)試條件

設(shè)備：KBL 24-2-90編織機(jī)(徐州恒輝編織機(jī)械有限公司)，2個(gè)頭，每頭24個(gè)錠子，撥盤(pán)直徑90 mm，編織原理為二維二軸1×1編織[6-11]；L30雙頭全自動(dòng)并絲機(jī)(徐州恒輝編織機(jī)械有限公司)。

測(cè)試儀器：UTM5305電子萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)(深圳三思縱橫公司生產(chǎn))。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件：溫度22 ℃，相對(duì)濕度60%。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：參照FZ 65002—1995《特種工業(yè)用繩帶物理機(jī)械性能測(cè)試方法》。

3　試驗(yàn)研究與分析

在本試驗(yàn)中，首先使用L30雙頭全自動(dòng)并絲機(jī)，將玄武巖長(zhǎng)絲纏繞在編織機(jī)配套的專(zhuān)用紗管上。再將纏繞好的24個(gè)管紗按編織機(jī)操作規(guī)定裝在KBL 24-2-90編織機(jī)上，準(zhǔn)備進(jìn)行編織。

3.1　玄武巖長(zhǎng)絲可編織性

鑒于在普通的小樣機(jī)上織造玄武巖機(jī)織物時(shí)，纖維有脆性大、易斷、布面毛糙、高低不平等問(wèn)題，本次擬利用編織設(shè)備對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲先進(jìn)行編織，改善其脆性，然后再利用所得線(xiàn)性材料去織造，為厚重型玄武巖纖維制品開(kāi)發(fā)打基礎(chǔ)。該編織機(jī)共有24個(gè)錠子，紅、綠兩組各12個(gè)錠子。

以下為設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案：

方案1、利用24根玄武巖無(wú)捻粗紗進(jìn)行編織。

方案2、利用20根玄武巖無(wú)捻粗紗進(jìn)行編織，紗管排列情況如圖1所示。

方案3、利用16根玄武巖無(wú)捻粗紗進(jìn)行編織，紗管排列有2種情況，如圖2中的(a)和(b)所示。

方案4、利用12根玄武巖無(wú)捻粗紗進(jìn)行編織，紗管排列有3種情況，如圖3中的(a)、(b)和(c)所示。

圖1　20根紗編織

圖3　12根紗編織

方案5、利用8根玄武巖無(wú)捻粗紗進(jìn)行編織，紗管排列分2種情況，如下圖4中的(a)和(b)所示。

方案6、利用4根玄武巖無(wú)捻粗紗進(jìn)行編織，紗管排列有3種情況，如圖5中的(a)、(b)和(c)所示。

方案7、利用2根玄武巖無(wú)捻粗紗進(jìn)行編織，紗管的放置位置如圖6所示。

圖4　8根紗編織

圖5　4根紗編織

圖6　2根紗編織

試驗(yàn)結(jié)果表明：

a) 利用玄武巖長(zhǎng)絲在編織機(jī)上進(jìn)行編織是可行的，纖維只有少部分?jǐn)嗔?，本次?shí)驗(yàn)(從方案1到方案7)從2根粗紗到24根粗紗，通過(guò)不同的編織紗根數(shù)變化和紗線(xiàn)放置位置變化，得到了12種不同粗細(xì)和結(jié)構(gòu)的玄武巖線(xiàn)性制品，如圖7所示。

圖7　玄武巖線(xiàn)性編織制品實(shí)物照片

b) 為了得到外觀粗細(xì)均勻，組織結(jié)構(gòu)緊湊的玄武巖編織繩，編織節(jié)距參數(shù)必須與參與編織的紗線(xiàn)根數(shù)相對(duì)應(yīng)，否則隨著紗線(xiàn)數(shù)量的減少，產(chǎn)品會(huì)越來(lái)越松散，影響外觀和內(nèi)在性能。

表1是此次試驗(yàn)的紗線(xiàn)根數(shù)和相對(duì)應(yīng)的編織節(jié)距。

表1　編織參數(shù)及參與編織紗根數(shù)

c) 當(dāng)參與編織的紗線(xiàn)為2根時(shí)，所編織出的產(chǎn)品只是簡(jiǎn)單的交織，類(lèi)似于股線(xiàn)的加捻，而且紗線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)自身扭轉(zhuǎn)，編織出的繩會(huì)出現(xiàn)較大的結(jié)點(diǎn)。建議編織時(shí)最少使用4根紗進(jìn)行編織。

3.2　編織參數(shù)與制品性能的關(guān)系

3.2.1節(jié)距與制品斷裂強(qiáng)度間的關(guān)系

本試驗(yàn)分別用廣東和江蘇產(chǎn)的單絲直徑為13 μm,線(xiàn)密度為800 tex的玄武巖長(zhǎng)絲進(jìn)行編織，編織速度恒定為500 r/min，編織節(jié)距從35 mm到55 mm分5個(gè)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行編織。用這兩組試驗(yàn)進(jìn)行研究，以保證結(jié)論的準(zhǔn)確性。然后參照FZ 65002—1995《特種工業(yè)用繩帶物理機(jī)械性能測(cè)試方法》，利用UTM5305電子萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行拉伸斷裂強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　編織節(jié)距與制品斷裂強(qiáng)度間的關(guān)系

由表2中數(shù)據(jù)得出編織節(jié)距與制品斷裂強(qiáng)度之間的變化規(guī)律曲線(xiàn)如圖8所示。從圖8中兩組曲線(xiàn)可以明顯看出：在編織速度一定時(shí)，隨著編織節(jié)距的增加，斷裂強(qiáng)度也相應(yīng)增加，且斷裂強(qiáng)度的最大值和最小值相差高達(dá)60%以上；

圖8　編織節(jié)距與制品斷裂強(qiáng)度之間變化曲線(xiàn)

3.2.2編織速度對(duì)制品斷裂強(qiáng)度影響

同樣進(jìn)行兩組試驗(yàn)，使用兩種不同產(chǎn)地生產(chǎn)的玄武巖長(zhǎng)絲，編織節(jié)距都為50 mm，編織速度從250 r/min到1 250 r/min之間依次提高，分別進(jìn)行編織，然后利用萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)對(duì)所得試樣進(jìn)行強(qiáng)伸性能測(cè)試，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　編織速度與制品斷裂強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出編織速度與制品的斷裂強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線(xiàn)如圖9所示。從兩組曲線(xiàn)中可以明顯看出：當(dāng)編織節(jié)距一定時(shí)，隨著編織速度的增大，斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，而且兩組試驗(yàn)的編織速度從500 r/min提高到1 000 r/min時(shí)，斷裂強(qiáng)度的降幅最大，下降了30%左右，可見(jiàn)編織速度對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲的編織品性能有較大的影響。之前本課題組的學(xué)生曾用滌棉混紡紗進(jìn)行過(guò)編織，得出編織速度與斷裂強(qiáng)度無(wú)必然聯(lián)系的結(jié)論。

圖9　編織速度與制品斷裂強(qiáng)度之間關(guān)系

經(jīng)過(guò)分析，筆者認(rèn)為：本次實(shí)驗(yàn)所用的玄武巖長(zhǎng)絲是抗彎折性很弱的纖維，在卷繞和編織過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)飛絲甚至斷線(xiàn)，且編織速度越快，玄武巖纖維受損越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致編織速度大的時(shí)候，斷裂強(qiáng)度明顯變小。而柔韌性好的纖維在編織時(shí)沒(méi)有這種現(xiàn)象。

4　結(jié)　論

本試驗(yàn)主要對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲的可編織性以及編織參數(shù)與產(chǎn)品的強(qiáng)伸性能關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)方案的設(shè)計(jì)、上機(jī)編織、性能的測(cè)試以及數(shù)據(jù)的分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a) 玄武巖長(zhǎng)絲粗紗盡管脆性很大，但在編織機(jī)上是可以編織的，且根據(jù)不同的參與編織紗數(shù)量和不同的紗線(xiàn)排列方式，可以得到不同結(jié)構(gòu)和性能的線(xiàn)性編織制品。

b) 當(dāng)參與編織的紗線(xiàn)根數(shù)改變時(shí)，編織節(jié)距必須相應(yīng)改變，否則，隨著紗線(xiàn)數(shù)量的減少，制品會(huì)越來(lái)越松散，影響外觀和內(nèi)在性能。

c) 在編織速度一定時(shí)，隨著編織節(jié)距的增加，斷裂強(qiáng)度顯著增加，斷裂強(qiáng)度的最大值和最小值相差高達(dá)60%以上；

d) 編織速度對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲編織品的斷裂強(qiáng)度有明顯影響，速度從500r/min提升到1000r/min之間，斷裂強(qiáng)度的降幅最大，下降了30%左右。