水刺多層復合建筑覆蓋材料的制備及性能*

韓 旭 張寅江 陳銀青 靳向煜

(1.浙江和中非織造股份有限公司，紹興，312000;2.紹興職業技術學院，紹興，312000;3.東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

隨著社會的不斷發展，人們對建筑工業、房屋質量及相關公共活動設施等提出了越來越高的要求［1］，對建筑工地的施工安全和相應工程的合理科學化提出了要求，同時還必須考慮到實際的建設成本。在工地施工時，為保護鋼或木結構施工現場，避免雨水對基建材料的腐蝕，提升建筑物的質量，需要使用建筑覆蓋材料來保護施工現場。相應的建筑覆蓋物要有較大的強力，防水、防滲、耐腐蝕性好，同時對耐劃破強力也有一定要求［2］。本文采用100%疏水性滌綸經六層交叉鋪網和兩層直鋪網復合，再經水刺加固纏結，所制成的建筑工地用多層覆蓋柔性纖網體能達到工地施工要求且成本低。目前該覆蓋柔性材料在美國等發達國家建筑工地上已被普遍應用，在我國未來的施工工地上定有較大的應用前景。

1 水刺多層復合建筑覆蓋材料的制備

1.1 建筑覆蓋材料規格

采用兩種100%疏水性滌綸，其中纖維A規格為2.2 dtex×51 mm，纖維 B 規格為 1.67 dtex×38 mm，通過相同工藝制備兩種建筑覆蓋材料。所制復合纖網產品面密度均為100 g/m2，幅寬均為3 500 mm。

1.2 技術工藝路線

兩種原料均采用六層交叉鋪網和兩層梳理直接成網相結合，形成上、下兩種結構的纖網復合層，并經水針沖擊作用使纖網中纖維相互間穿插纏結，形成結構穩定的纖網。在纖網面密度一定的情況下，進行多層纖網纏結疊加，可保證具有各向同性面層和各向異性面層良好結合的建筑覆蓋材料的性能。該建筑覆蓋材料的制備工藝見圖1。

圖1 工藝技術路線

成網梳理機后配置雙道夫，道夫后配置凝聚羅拉，通過調節道夫與凝聚羅拉的線速度比值可有效調節該層纖網中纖維的縱橫向比例［3］。為使纖網上、下面層具有兩種不同的性能，同時增加纖網與纖網間的抱合力，以達到纖網所需的力學性能要求，采用兩臺梳理機并進行工藝設計來制作纖網。第一臺梳理機的每只道夫產出小面密度纖網(＜35 g/m2)，經過交叉鋪網機進行三層纖網疊加，使纖維由縱向排列向橫向排列轉變;纖網再經雜亂牽伸機對其進行多級小倍數牽伸，以使纖網達到設定的面密度;雙道夫致使六層纖網疊加，交叉鋪網角為35°～45°。第二臺梳理機輸出直鋪纖網，配置凝聚羅拉，可通過調節其與道夫的速比來調節纖維的雜亂程度，橫鋪直取，鋪網角度為90°。第二臺梳理機輸出的兩層纖網與第一臺梳理機產出的纖網進行疊合，得到最終所要的復合結構覆蓋材料。由于采用兩臺梳理機梳理成網，所以可通過改變兩臺梳理機纖網鋪設參數來達到產品不同的性能要求。

1.3 主要工藝參數

(1)梳理。梳理機一各輥速度：主錫林工作輥70 m/min，主錫林剝取輥140 m/min，主錫林1 100 m/min;梳理機二各輥速度：主錫林工作輥60 m/min，主錫林剝取輥 120 m/min，主錫林1 200 m/min。梳理機喂入纖網面密度為30 g/m2。

(2)鋪網。交叉鋪網能改變纖維縱橫向排列，均衡縱橫向強力;直鋪纖網中的纖維大體呈縱向排列。交叉鋪網機原理示意見圖2。

(3)牽伸。總牽伸比達到2.447。

圖2 交叉鋪網機原理示意

(4)水刺。7個水刺頭水刺壓力依次設定為：3.5、9.0、12.0、15.0、14.0、10.0 和 3.0 MPa。

(5)烘干。烘干機溫度控制在(110±10)℃。

2 性能測試與儀器

(1)用TM3000掃描電鏡對材料進行表面形態觀察。

(2)按照GB/T24218.2—2009 標準，在YG141N型數字式織物厚度儀上進行材料厚度測試。

(3)按照GB/T24218.2—2009標準，用圓盤取樣機進行面密度的測試。

(4)按照 FZ/T60005—1991標準，采用HD026N型電子織物強力儀進行斷裂強力的測定。拉伸速度100 m/min，隔距20 cm，試樣寬度50 mm。

(5)按照 GB/T3917.3—1997 標準，采用HD026N型電子織物強力儀進行梯形法撕裂強力的測定。拉伸速度100 m/min，隔距10 cm。

3 性能測試結果與分析

3.1 表面形態

圖3是覆蓋材料兩面表面形態的掃描電鏡照片。

在圖3(a)覆蓋材料纖維直鋪纖網面中，兩層纖網經水針的沖擊，水刺孔附近纖維上下交纏顯著，局部纖網區域有纏結現象，但纖維總體仍呈各向異性。因為直鋪纖網中纖維排列趨于機器輸出方向，盡管經過強烈的水針沖擊，纖維間有所纏繞，但總體纖維排列取向變化不大。而在圖3(b)覆蓋材料的六層交叉鋪網面中，纖維交纏顯著，纖網各向同性明顯，且由水針沖擊形成的水刺孔附近，纖維上下交纏程度更加復雜。因為交叉鋪網經雜亂牽伸所形成的纖網本身呈各向同性，水針作用使纖維上下間的纏繞更加明顯。

圖3 覆蓋材料兩面的纖維排列

3.2 力學性能

圖4為分別由纖維A和纖維B制得的兩種建筑覆蓋材料樣品(樣品A和樣品B)的基本力學性能。兩種材料的面密度均為100 g/m2，厚度均為0.6 mm。

圖4 兩種樣品的力學性能

由圖4可見，樣品A的縱橫向基本力學性能均優于樣品B，兩種樣品的斷裂強力均為縱向大于橫向，斷裂伸長率和撕裂強力均為橫向大于縱向。這是因為盡管纖維A較纖維B略粗，但纖維A較纖維B長，且長徑比略大，纖維A相互間接觸的概率較大，在同等水針強力沖擊作用下，纖維A之間更易纏繞，其所形成的纖網總體纏結效果會更加明顯。兩種建筑覆蓋材料纖網中，均有六層交叉鋪網層與兩層直鋪層纖維緊密纏結組成，直鋪層沿設備輸出方向(縱向)排列，交叉鋪網層呈各向同性。在縱向拉伸時，纖網中纖維交纏結構可提供一定的拉伸張力，同時縱向排列的纖維可承受較大的拉伸張力，而橫向拉伸僅由交叉纏結的纖維提供張力，故纖網斷裂強力縱向大于橫向?？v向拉伸時，主要是纖網中縱向排列的纖維徑向受力，使纖網的伸長較小;而橫向拉伸時，主要是破壞纖維的纏結點，使纖網的伸長較大，故斷裂伸長率橫向大于縱向。同理，在撕裂強力測試中，沿縱向撕裂強力僅由交鋪層纖網來提供，直鋪層纖維幾乎不起作用，而橫向撕裂不僅要考慮到交鋪層纖網的作用，也涉及到直鋪層纖維的作用，故撕裂強力橫向大于縱向。比較圖4(a)和圖4(c)，兩種樣品的縱橫向的斷裂強力均明顯高于撕裂強力。斷裂強力由直鋪縱向排列的纖維徑向張力和交叉鋪網纏結解體來承擔，且前者承擔主要的作用力;而撕裂強力主要由交鋪層纖網中纖維纏結的破壞來提供。因此，纖網層的結構對斷裂強力和撕裂強力均有較大影響。

3.3 耐劃破性

由于當前國內還沒有具體測量耐劃破強力的儀器設備，根據耐劃破強力特性自行設計了測試方法。該測試方法是在電子強力測試儀上增加劃破裝置(圖5)，其他方法均與國家標準GB/T24218.3—2010《紡織品非織造布試驗方法》一致。改進的測試方法如下：

(1)試樣在標準大氣環境中進行，標準大氣依據GB/T6529—2008的規定;

(2)設定拉伸試驗儀的夾持距離為(200±1)mm，在上夾持器中間位置夾持試樣，下夾持器中間位置夾持圖5所示劃破裝置的下端，試樣末端放入劃破裝置上面的狹縫內，試樣平直，將放入試樣后的劃破裝置上端兩鐵片握緊并在小孔中插入與圓孔大小相似的鐵釘，穿過試樣;

(3)開動機器，以100 mm/min的恒定伸長速度劃破試樣直至試樣劃裂;

(4)記錄試樣劃裂過程中最大的力值，作為耐劃破強力，單位為N。

圖5 劃破裝置的正面圖和側視圖

從圖6可以看出，樣品A縱橫向耐劃破強力明顯大于樣品B，且兩者縱向和橫向的耐劃破強力差別不大。按照建筑工地的相關要求，國際上規定建筑覆蓋材料相關耐劃破強力必須大于80 N。上述兩種材料中，只有樣品A的縱橫向耐劃破強力達到要求。主要因為在耐劃破性能的測試中，耐劃破強力是由纖網中纖維的纏結破壞的張力來提供，纖維A和纖維B同為滌綸，而纖維A長度較長、纖維長徑比較大、比表面積大，在水針作用下纖維間的相互纏繞度高，緊密性好，故樣品A的耐劃破性能較樣品B好。另外，盡管兩種樣品均為多層纖網復合，但縱橫向纖維纏結效果所能提供的破壞機理張力接近，故縱橫向的耐劃破強力相近。比較圖6和圖4(c)，即進行耐劃破強力和撕裂強力比較，可以發現不管縱橫向前者均大于后者。從力學測試要求與測試中材料形態變化關系來分析，耐劃破強力是對纏結面上的纖維纏結體進行拉伸劃破，所涉及到纖網中的纖維纏結體量大，而撕裂強力是對類似線上(一維)的纏結纖維進行破壞所提供的張力，故耐劃破測試時對纖維纏結的破壞所需要的力明顯高于撕裂強力。

圖6 兩種纖網層縱橫向耐劃破強力的對比

4 覆蓋材料相關性能及應用機理分析

所設計的用六層交叉鋪網層與兩層直鋪層制備的水刺加固覆蓋材料，在水針的沖擊作用下，纖維緊密纏結，很難把兩種結構相互分開。交叉鋪網層總體顯各向同性;直鋪層纖維總體沿設備輸出方向排列，各向異性明顯。在風吹雨打的環境中以及人為因素的作用下，建筑工地中的木或鋼筋機架機構與覆蓋材料的交叉鋪網層的接觸部位間一定會有滑動，機架結構局部區域會對建筑覆蓋材料產生劃破力，而與機架結構的接觸層為交叉鋪網層，其各向同性可滿足小范圍劃破力的不同方向性的要求，大范圍劃破力則需要兩種纖維結構層共同來承受，故對建筑覆蓋材料最大耐劃破強力有相應的要求。與交叉鋪網層結合的是直鋪層纖網，兩層纖網通過水針進行加固形成良好的纖維結合體，直鋪層各向異性明顯，作為覆蓋材料外層直接與環境接觸，在該層上雨水風沙可沿纖網中纖維的排列走向順流而下，同時纖維間交纏致密，纖網拉伸強力大，具有良好的防水、防滲透的性能，可有效保護所覆蓋的工地的木或鋼筋機架機構。同時，覆蓋材料的原料是滌綸，耐腐性、抗老化能力強，可作為能長時間使用的建筑工地覆蓋材料。

5 結論

(1)采用100%疏水性滌綸經六層交叉鋪網和兩層直鋪網的復合，再經水刺加固纏結所制成的建筑工地水刺多層覆蓋材料，兼有兩種鋪網結構的優勢，纖維相互交纏致密。

(2)分別以規格為2.2 dtex×5 1 mm和1.67 dtex×38 mm的滌綸(纖維A和纖維B)制備建筑覆蓋材料(樣品A和樣品B)，樣品A的縱橫向基本力學性能均優于樣品B，且兩種樣品的斷裂強力均為縱向大于橫向，斷裂伸長率和撕裂強力均為橫向大于縱向。

(3)樣品A的拉伸強力大，且防水、防潮、防滲性強，低面密度高強度覆蓋材料耐劃破強力已超過80 N的國際施工要求，且使用壽命長，成本低，是當今理想的建筑工地覆蓋材料。

［1］蔡倩.建筑用非織造材料更新的超前考量［J］.非織造布，2013(5)：82-83.

［2］中國標準化協會.建筑現場安全標準［J］.中國標準化，2000(3)：57.

［3］柯勤飛，靳向煜.非織造學［M］.上海：東華大學出版社，2004：59-60.