用于工業(yè)防護(hù)服的進(jìn)口和國產(chǎn)芳綸水刺非織造布的性能對比分析

錢 程 (嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，嘉興，314001)

芳綸1313大分子由間苯二胺和間苯二甲酰氯縮聚而成［1］，是由酰胺橋鍵連接芳基所構(gòu)成的線性大分子，其晶體中的氫鍵在兩個平面內(nèi)排列成三維結(jié)構(gòu)，這種強(qiáng)烈的氫鍵作用使其化學(xué)結(jié)構(gòu)異常穩(wěn)定［2］，賦予了芳綸1313優(yōu)越的耐熱性、高強(qiáng)力、阻燃性和耐化學(xué)腐蝕等性能［3］，因而廣泛用于制作電子與通信行業(yè)的電絕緣防護(hù)服、爐前工作服、防輻射工作服及高壓屏蔽服等一系列工業(yè)防護(hù)服領(lǐng)域［4-5］。

芳綸1313在20世紀(jì)60年代末由美國杜邦公司首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)全球產(chǎn)能已超過3.7萬t/a。國外代表性生產(chǎn)企業(yè)主要有杜邦公司，產(chǎn)能約為全球總產(chǎn)能的75% 以上。我國在20世紀(jì)60年代初也開始了研究性開發(fā)，至今產(chǎn)能已超過1.1萬t/a，生產(chǎn)企業(yè)主要有煙臺氨綸、廣東彩艷和蘇州圣歐［6-7］。芳綸1313的大分子鏈呈柔性結(jié)構(gòu)，其模量與常規(guī)的聚酯和聚酰胺相當(dāng)，現(xiàn)已以芳綸1313為原料成功地開發(fā)出芳綸水刺非織造布。芳綸水刺非織造布具有質(zhì)量輕、表面整齊均勻、強(qiáng)力高、耐高溫和電絕緣性能好等諸多優(yōu)勢［8-9］。為此，本文針對用于工業(yè)防護(hù)服的進(jìn)口和國產(chǎn)芳綸及其水刺非織造布的性能進(jìn)行了測試和初步對比分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

試驗(yàn)所用國產(chǎn)和進(jìn)口芳綸的長度為38 mm，線密度為 1.67 dtex。1#、2#、3#和 4#樣品對應(yīng)的芳綸商品名分別為Nomex、Huvis、紐士達(dá)和彩芳斯。其中，1#和2#為進(jìn)口芳綸，3#和4#為國產(chǎn)芳綸。

1.2 芳綸水刺非織造布的制備

芳綸水刺非織造布的制備工藝如下：

芳綸原料→開松→混合→梳理成網(wǎng)→交叉鋪網(wǎng)→多輥牽伸→圓鼓水刺→后整理→穿透烘干→成卷→分切→成品。

1.3 儀器設(shè)備和試驗(yàn)方法

1.3.1 纖維橫截面

采用Y172型哈氏切片器制作纖維截面切片，用LLY-27型纖維細(xì)度分析儀觀察并拍攝纖維截面照片。

1.3.2 纖維強(qiáng)伸特性

采用LLY-06電子單纖維強(qiáng)力儀，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T14337—2008測試?yán)w維的拉伸性能。

1.3.3 芳綸非織造布力學(xué)性能

采用YG(B)026H-250型電子織物強(qiáng)力機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T60005—1991測試芳綸水刺非織造布的力學(xué)性能。

1.3.4 芳綸非織造布水洗縮率

剪取10 cm×10 cm的非織造布樣品5塊，使用YG701D型全自動織物縮水率試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 6330—2000在60℃水溫條件下測試，按照公式(1)計算樣品的縮水率。每一種樣品測試5塊，取平均值。

1.3.5 芳綸非織造布熱縮率

剪取10 cm×10 cm的非織造布樣品5塊，用DHG-9075A型鼓風(fēng)干燥機(jī)測試樣品的熱縮率。烘箱溫度為180℃，樣品置于烘箱內(nèi)5 min，取出樣品冷卻30 min后，分別測量熱收縮處理前、后樣品的縱向和橫向長度，按照公式(2)計算熱收縮率。每一種樣品測試5塊，取平均值。

1.3.6 芳綸非織造布介電常數(shù)

剪取直徑為28 mm的芳綸水刺非織造布圓片，用夾具夾緊，采用WCJSTD-A型介質(zhì)損耗及介電常數(shù)測試儀(0.1 μH～1 H，共7檔，頻率調(diào)整范圍25 kHz～10 MHz)，測試樣品的電容量，并按照公式(3)和公式(4)計算介電常數(shù)和介電損耗角正切。

式中：C——樣品的電容量(pF);

C1——未放樣品時的測量電容;

C2——放樣品時的測量電容;

ε——介電常數(shù);

d——樣品厚度(mm);

φ——樣品直徑(mm)。

式中：tg δ——介電損耗角正切;

Q1——未放樣品時測量的電感;

Q2——放樣品時測量的電感。

1.3.7 芳綸非織造布擊穿電壓強(qiáng)度

選用CS2671型耐壓測試儀，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3333—1999在交流電壓條件下，采用連續(xù)快速升壓的方式對樣品施加工頻電壓，測試芳綸水刺非織造布樣品發(fā)生擊穿時的電壓，然后按照公式(5)計算：

式中：E——測試樣品的電壓擊穿強(qiáng)度(kV/mm);

V——擊穿電壓(V)。

2 結(jié)果與討論

2.1 芳綸的截面特征

圖1 是在顯微鏡下觀察到的 1#、2#、3#和 4#樣品的橫截面形態(tài)。

圖1 在顯微鏡下觀察到的芳綸橫截面

從圖1可以看出，1#和4#樣品橫截面呈腰圓形，2#和3#樣品橫截面呈圓形，均屬于實(shí)心體。這是由于芳綸屬于液晶紡絲，其表層與內(nèi)層結(jié)構(gòu)基本沒有差異，即沒有明確的表層結(jié)構(gòu)。很明顯，腰圓形截面纖維的比表面積要大于圓形截面纖維，增加了纖維間的覆蓋能力。一方面，在織造加工過程中因截面異形化增加了纖維間的抱合力，更容易獲得高強(qiáng)力的非織造布;另一方面，由于纖維截面的異形結(jié)構(gòu)，會在非織造布中形成較多的孔隙，因而能提高服用透氣性。此外，由于纖維截面呈非圓形態(tài)，會在布面產(chǎn)生獨(dú)特的反光效應(yīng)［10］，這就是1#和4#樣品具有較好光澤的緣故。

2.2 芳綸的強(qiáng)伸特性

四種芳綸樣品的強(qiáng)伸性能測試結(jié)果見表1。

從表1可以看出，四種芳綸樣品斷裂強(qiáng)度的排序是1#＞3#＞2#＞4#。纖維的強(qiáng)度是表示其堅牢耐用程度的重要指標(biāo)，這一結(jié)果表明1#樣品更能承受后續(xù)非織造加工中受到的機(jī)械作用。表1還顯示四種芳綸樣品均有較高的斷裂伸長率。斷裂伸長率反映了纖維的柔韌性，在合理范圍內(nèi)其值大，所制成的非織造布具有較柔軟的手感，在后續(xù)加工時可以更好地緩沖所受到的外力。斷裂比功是量度纖維韌性的指標(biāo)，可以有效評定纖維的強(qiáng)韌性和耐磨性，斷裂比功大的纖維材料承受沖擊破壞的能力強(qiáng)。表1顯示出四種芳綸樣品斷裂比功的排序是1#＞3#=4#＞2#，表明進(jìn)口芳綸1#樣品具有較好的承受沖擊破壞的能力。

表1 四種芳綸拉伸性能測試結(jié)果

2.3 芳綸水刺非織造布的性能

2.3.1 基本性能

根據(jù)表1的測試結(jié)果，選擇1#和3#芳綸分別制備水刺非織造布，編號為5#和6#樣品。

對5#和6#兩種芳綸水刺非織造布的厚度、斷裂性能和撕破性能分別進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。

表2 芳綸水刺非織造布的基本性能

從表2可以看出，無論是縱向(MD)還是橫向(CD)，與6#樣品相比，5#樣品具有較好的斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力。主要原因是5#樣品采用的原料1#芳綸強(qiáng)力高于6#樣品的原料3#芳綸。

2.3.2 水洗縮率和熱收縮率

兩種芳綸水刺非織造布的水洗縮率和熱縮率測試結(jié)果見表3。

從表3可知：5#芳綸水刺非織造布橫向未發(fā)現(xiàn)任何縮水跡象，6#芳綸非織造布的橫向縮水率為0.12%，也比較小;6#樣品的縱向縮水率比5#樣品大32.1%;兩種芳綸水刺非織造布的縱向縮水率相對橫向要大，可能的原因是在生產(chǎn)芳綸水刺非織造布過程中，經(jīng)過交叉鋪網(wǎng)后，縱向又經(jīng)過了多級小倍數(shù)牽伸，纖維沿縱向滑移量要大于纖維之間橫向產(chǎn)生的滑移，因而在經(jīng)過水洗后發(fā)生縮水現(xiàn)象，部分纖維滑移區(qū)會產(chǎn)生回縮，導(dǎo)致縱向縮水率大于橫向縮水率。水洗縮率越小表示產(chǎn)品的洗后變形越小，所以5#芳綸水刺非織造布的尺寸穩(wěn)定性好于6#芳綸水刺非織造布。

表3 芳綸水刺非織造布水洗縮率和熱縮率測試結(jié)果

從表3可以看出，5#樣品的橫向熱縮率為0.23%，縱向收縮率為0.59%，6#樣品橫向和縱向熱縮率分別比5#樣品大73.9%和23.7%，說明國產(chǎn)芳綸非織造布的熱收縮率大于進(jìn)口芳綸非織造布。主要原因可能是在紡絲成形工藝中，為改善纖維的力學(xué)性能，受到了比較強(qiáng)烈的拉伸作用，在纖維內(nèi)殘留了過多的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)纖維遇到熱作用時就會產(chǎn)生明顯收縮。表3還顯示，兩種樣品的縱向熱收縮率均大于橫向，推測其原因與水洗縮率一樣，是因?yàn)榭v向施加了多級小倍率牽伸。

2.3.3 介電性能

兩種芳綸水刺非織造布的介電性質(zhì)測試結(jié)果見表4。

表4 芳綸水刺非織造布介電性質(zhì)

從表4可以看出，5#和6#樣品具有近似的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和介電強(qiáng)度。介電常數(shù)是衡量介電現(xiàn)象強(qiáng)弱的物理量，是指芳綸水刺非織造布在外加電場作用下，內(nèi)部分子形成電極化的現(xiàn)象，表示其在電場中貯存靜電能的相對能力。測得的介電常數(shù)越大，芳綸水刺非織造布的絕緣能力越強(qiáng)［11-12］。介電強(qiáng)度是所制備的樣品作為絕緣體時的電強(qiáng)度的量度，是當(dāng)樣品發(fā)生擊穿時的電壓除以測試樣品的厚度得到電壓擊穿強(qiáng)度，表示了單位厚度承受的最大電壓。介電強(qiáng)度越大，樣品作為絕緣體的質(zhì)量越好［13］。因此，5#和6#樣品具有相近的電氣絕緣性能。

3 結(jié)論

(1)四種芳綸斷裂強(qiáng)度的排序?yàn)?#＞3#＞2#＞4#;斷裂比功的排序?yàn)?1#＞3#=4#＞2#，說明1#進(jìn)口芳綸具有較好的斷裂強(qiáng)度和斷裂比功，其所制備的5#水刺非織造布也具有較好的力學(xué)性能。

(2)進(jìn)口芳綸水刺非織造布的縱橫向水洗縮率和熱縮率均小于國產(chǎn)芳綸水刺非織造布;進(jìn)口和國產(chǎn)芳綸水刺非織造布的縱向水洗縮率和熱縮率均大于橫向水洗縮率和熱縮率。

(3)進(jìn)口和國產(chǎn)芳綸水刺非織造布具有相近的電氣絕緣性能。

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