超長滌綸短纖維針刺土工布性能研究*

李素英 張 瑜 范立元 任 煜 顧聞彥 于樹發

(1.南通大學紡織服裝學院，南通，226007;2.江蘇迎陽無紡機械有限公司，常熟，215539)

土工布是由合成纖維通過針刺或編織而成的透水性材料，按加工方式可分為有紡土工布和無紡土工布，按所用原料可分為滌綸土工布、丙綸土工布等［1］。滌綸短纖維針刺土工布具有三維立體結構，其過濾、反濾、排水、防滲、加固和防護作用突出［2］，但與滌綸紡黏土工布相比，在力學性能指標方面還存在差距，不能滿足一些特殊應用領域的要求。

為提高滌綸短纖維土工布的力學性能，本研究使用江蘇迎陽無紡機械有限公司開發的高強高效針刺非織造土工布生產線研發了150 mm超長滌綸短纖維針刺土工布。與傳統滌綸短纖維土工布相比，該產品性能可滿足標準要求，力學性能有明顯提升，接近滌綸紡黏土工布水平，拓寬了滌綸短纖維針刺土工布的應用領域。

1 試驗部分

1.1 原料

本研究選用三種長度不同的滌綸短纖維為原料，纖維線密度皆為6 dtex，長度分別為51、65和150 mm，纖維斷裂強度3.9 cN/dtex。

1.2 設備

51、65 mm滌綸短纖維采用FZK500開松機、FZG500給棉機、FZS1050型梳理機;150 mm超長滌綸短纖維采用專用開松梳理機;鋪網及加固都采用FZP1000型鋪網機、FZZ-I1000預針刺機和FZZ-Ⅱ1000主針刺機等。

1.3 表征和測試

(1)采用USB電子顯微鏡觀察土工布纖維纏結狀態。

(2)拉伸斷裂性能測試按照 FZ/T60005—1991標準執行，測試儀器采用YT010-1000型土工布綜合強力機。

(3)透水性測試按照GB/T15789—2005標準執行，測試儀器采用YT020土工布透水性測定儀。

(4)厚度測試參照 GB/T1380—1997標準執行，測試儀器采用YG141型織物厚度儀。

1.4 試驗方案與結果

1.4.1 試樣制備

在不考慮交互作用的前提下，根據有關資料［3-5］制定因素水平表(表1)，并采用 L9(34)正交試驗設計安排試驗。將不同長度的滌綸短纖維按照正交試驗設計表進行加工，制得9種面密度為(400±20)g/m2的針刺氈試樣。

表1 正交試驗因素水平表

1.4.2 性能測定結果

按測試要求裁剪試樣，依據有關標準進行性能測定。正交試驗設計表和試樣性能測定結果見表2。

1.4.3 表觀結構

由圖1可以看出，針刺形成的“纖維銷釘”在土工布中起著纖維結合的重要作用。纖維長度越長，同一根纖維形成的“纖維銷釘”個數越多，即纖維纏結點增多，纖維間結合的能力越強，針刺土工布強力越大。針刺密度和針刺深度也影響纖維纏結性能，從而影響土工布性能。

圖1 針刺土工布表觀結構

表2 正交試驗設計表和性能測定結果

2 結果分析

以纖維的長度、針刺密度和針刺深度為因素，以斷裂強力、斷裂伸長率和透水垂直滲透系數為考核指標，正交試驗結果分析見表3。

2.1 土工布力學性能與因素之間的關系

由表3可見：

(1)對土工布縱橫向斷裂強力影響最大的因素是纖維長度，其次是針刺深度，針刺密度影響最小。纖維長度由51 mm增長到150 mm，土工布平均強度明顯增大。這是因為滌綸短纖維長度增長，纖維纏結點增多，摩擦片段增長，增強了纖維間的纏結效果，提高了土工布強度，因而可拓展產品的應用領域。

(2)影響土工布縱向斷裂伸長率的主要因素是針刺深度，其次是纖維長度和針刺密度;而影響土工布橫向斷裂伸長率的主要因素是纖維長度，其次是針刺密度和針刺深度。這是因為土工布中纖維橫向取向度較高，纖維長度對橫向斷裂伸長率的影響顯著。

(3)對于本文所研究的面密度為400 g/m2的厚型土工布，針刺深度過淺，纖維纏結不夠緊固，斷裂伸長會相應增大。針刺密度對材料斷裂強力、斷裂伸長率影響都較小，說明所選擇的參數處于工藝合理范圍。

2.2 土工布厚度與因素之間的關系

根據表3中極差R大小順序可得出影響土工布厚度的主要因素是針刺深度，針刺密度次之，纖維長度影響較小。隨著針刺深度的增大，土工布纖維層纏結更緊，材料厚度有減小趨勢。

表3 正交試驗結果分析

2.3 土工布透水性能與因素之間的關系

根據表3中極差R大小順序可得出影響透水量的主要因素是纖維長度，針刺深度次之，針刺密度影響最小。這是因為長的短纖維在針刺纏結過程中形成了如長絲般貫通材料的導引孔，更有利于水流透過。

2.4 最佳工藝選擇

在土工布的使用中，對其力學性能方面的要求是高強低伸、縱橫向強力同一性好，同時還要兼顧透水性能的要求。綜合考慮上述要求，本試驗選取的較好的因素水平搭配為 A3B1C3，即纖維長度150 mm，針刺密度600刺/cm2，針刺深度10 mm。

3 結論

(1)纖維長度對滌綸短纖維針刺土工布縱橫向斷裂強力影響明顯，長150 mm纖維制成的土工布力學性能提高明顯，可以拓寬產品應用領域;針刺深度對土工布縱向斷裂伸長率影響較大;針刺密度選擇600、700和800刺/cm2時，對材料力學性能影響較小。

(2)影響土工布厚度的主要因素是針刺深度，針刺密度次之，纖維長度影響較小;而影響土工布透水性能的主要因素是纖維長度，針刺深度次之，針刺密度影響最小。

(3)加工滌綸短纖維針刺土工布的最佳工藝組合為 A3B1C3，即纖維長度150 mm，針刺密度600刺/cm2，針刺深度為10 mm。在該工藝條件下制得的土工布的性能最好，能夠滿足應用要求。

［1］方彥忠.土工布的選擇及工藝參數對其性能的影響［J］.非織造布，2006，22(5)：23-28.

［2］方青，霍英.對滌綸針刺土工布強度影響因素的探討［J］.非織造布，2002，8(4)：10-12.

［3］MENDEZ-VILAS A，GONZALEZ-MARTIN M L，NUEVO M J.Some geometrical considerations about the influence of topography on the adhesion force as measured by AFM on curved surfaces［J］.Applied Surface Science，2004(238)：9-13.

［4］葉奕梁，徐樸.土工布的生產技術和性能要求［J］.紡織導報，2000(3)：36-40.

［5］王睿謙，鮑志洪，王國明.特寬幅短纖針刺土工布的開發［J］.產業用紡織品，2000，18(10)：22-25.