玄武巖、玻纖、丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的研制及其拉伸性能研究

劉雙雙，田 偉，裘柯檳，徐珊珊，祝成炎

(浙江理工大學(xué)a.現(xiàn)代紡織加工技術(shù)國家工程技術(shù)研究中心;b.先進紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室，杭州310018)

聚丙烯纖維俗稱丙綸，具有比重輕、熔點低、耐化學(xué)腐蝕、熱變形溫度高等優(yōu)良性能，同時具備加工工藝簡單、成本低、價格便宜等優(yōu)良品質(zhì)。因此，丙綸非常適合用作熱塑性復(fù)合材料的基體材料，與玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維等增強纖維復(fù)合而廣泛被研究和應(yīng)用[1-3]。纖維復(fù)合的方式有很多種[4-5]，一些學(xué)者采用非織造加工工藝將丙綸與玄武巖纖維復(fù)合制備復(fù)合材料[6];一些學(xué)者采用包纏復(fù)合的方式將增強纖維與丙綸復(fù)合[7]。這些研究都取得了重大進展，本文不再贅述。本文借鑒已有的研究成果，以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強纖維，丙綸為基體纖維，采用噴氣網(wǎng)絡(luò)的方式分別將兩種增強纖維與基體丙綸復(fù)合，制備不同體積比的玄武巖/丙綸、玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線 對兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線進行拉伸指標測試，分析增強纖維的不同體積比對網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能的影響。通過本研究可以得到一種將增強纖維與基體丙綸復(fù)合的新方式，同時得到力學(xué)性能優(yōu)良、加工工藝簡單的網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線，為丙綸基纖維增強復(fù)合材料的研究提供新思路，奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗

1.1 材料與儀器

材料:玄武巖纖維(浙江石金玄武巖纖維有限公司)，玻璃纖維(杭州泰克斯復(fù)合材料有限公司)，丙綸(紹興超特合纖有限公司)。原料規(guī)格及性能如表1所示。儀器 型高速絡(luò)筒機改裝噴氣網(wǎng)絡(luò)機(紹興超特合纖有限公司)，AL204-IC電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)，JSM-5610掃描電子顯微鏡(日本株式會社)，INSTRON 3367電子萬能材料測試儀(INSTRON)。

表1 原料規(guī)格及性能Tab.1 Specifications and properties of materials

1.2 方 法

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的研制

采用SDZ-108型高速絡(luò)筒機改裝而成的噴氣網(wǎng)絡(luò)機，按照表2中的復(fù)合方案制備玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線和玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線。改裝后的噴氣網(wǎng)絡(luò)機成紗原理如圖1所示。將玄武巖纖維或玻璃纖維與丙綸長絲1以一定的比例進行無捻并合，依次通過張力裝置2、噴氣裝置3、斷頭自停裝置4、上油裝置5，經(jīng)導(dǎo)紗鉤6纏繞在摩擦滾筒7上，對噴氣裝置3施加一定的氣壓，利用噴射氣流作用，將兩種纖維互相纏結(jié)，形成周期性網(wǎng)絡(luò)點，制成噴氣網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線。摩擦滾筒7經(jīng)過傳動帶傳動將網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線有序纏繞在其表面。其中，合理控制噴氣壓力是網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成型品質(zhì)的關(guān)鍵，既要保證兩種纖維形成的網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成型效果良好，同時保證增強纖維在噴氣壓力下不會損失太多，形成的網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線毛羽不要過多。

表2 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線加工方案Tab.2 Processingscheme of the interlaced yarns

圖1 改裝噴氣網(wǎng)絡(luò)機成紗原理Fig.1 Schematic of the modified jetting interlacing machine

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線細度及體積比測定

采用AL204-IC電子天平測定150 cm長網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的質(zhì)量，每種測量10次，取平均值。按照公式(1)計算兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的實際細度，按照公式(2)計算每種紗線中增強纖維與丙綸的體積比。

式(1)中:Nt為網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的實際成紗細度，tex;M為150 cm長網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的質(zhì)量平均值，g。

式(2)中:Nt1為玄武巖纖維或玻璃纖維的細度，tex;Nt2為丙綸的細度，tex;Nt同公式(1);M1為150 cm長玄武巖纖維或者玻璃纖維的質(zhì)量平均值2為長丙綸的質(zhì)量平均值，g;V1為玄武巖纖維或玻璃纖維的體積，cm3;ρ1為玄武巖纖維或玻璃纖維的密度，g/cm3;V2為丙綸的體積，cm3;ρ2為丙綸的密度，g/cm3。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線拉伸性能測試

采用Instron 3367萬能測試儀對所制網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線進行拉伸性能測試，以獲得不同復(fù)合比例網(wǎng)絡(luò)線的拉伸性能指標。拉伸試驗參照GB/T 7690.3－2013《增強材料紗線試驗方法 第3部分:玻璃纖維斷裂強力和斷裂伸長的測定》進行操作。測試前，將試樣放在溫度為(20±2)℃、相對濕度為(65±3)%的恒溫恒濕室調(diào)濕24 h[8]。測試條件:拉伸速度200mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品分析

圖2所示為網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品圖。從圖2可以看出，復(fù)合線成品均由開纖部和交絡(luò)部組成[9]。增強纖維在復(fù)合線中呈伸直狀態(tài)，而丙綸絲被吹散與兩種纖維交叉纏繞形成周期性網(wǎng)絡(luò)點，在網(wǎng)絡(luò)點處，增強纖維被丙綸絲緊緊地交絡(luò)在一起，形成比較穩(wěn)定的紗線結(jié)構(gòu)，同時，也能對增強纖維起到一定的保護作用，在一定程度上避免增強纖維在后續(xù)加工過程中的損傷，提高紗線的可織性。開纖部纖維在噴射氣流的作用下相對松散，形成的網(wǎng)絡(luò)線紗體比較蓬松，增強纖維與丙綸的混合效果也比較好。紗體中網(wǎng)絡(luò)部與開纖部均勻分布，紗體基本沒有毛羽，成型良好。

圖2 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品Fig.2 Finished product of the interlaced yarn

表3為網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品規(guī)格。由表3可知，采用噴氣網(wǎng)絡(luò)的方式制得的復(fù)合線實際成紗細度較理論細度有所減小，且隨著增強纖維體積比的增加，復(fù)合線的細度損失越大，復(fù)合線中增強纖維的實際體積比較理論值也越來越小。分析其原因可知，玄武巖纖維和玻璃纖維較脆，在高速噴射氣流作用下，極易產(chǎn)生脆斷，斷裂后的纖維在氣流作用下被剝離紗體，復(fù)合線中增強纖維的比例越多，受到氣流吹散的幾率就越大，而丙綸長絲屬于熱塑性高分子材料，膨松，單絲細而柔軟[10]，在氣流作用下不會產(chǎn)生脆斷，反而在噴嘴的絲道內(nèi)相互纏結(jié) 形成網(wǎng)絡(luò)點 增強纖維被丙綸長絲緊緊地交絡(luò)在一起，增強了網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的成紗質(zhì)量。因此，增強纖維的損失導(dǎo)致了復(fù)合線的實際細度減小，增強纖維的體積比也相應(yīng)減小。成紗網(wǎng)絡(luò)度是衡量成紗質(zhì)量的關(guān)鍵指標，根據(jù)絡(luò)筒速度和噴氣壓力而得，保證了所制網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線網(wǎng)絡(luò)效果良好，同時成紗毛羽少，細度損失相對較少。

在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)上，數(shù)據(jù)主要用來表示信息，核心要義是傳播、復(fù)制和分享。隨著互聯(lián)網(wǎng)與實體經(jīng)濟融合的不斷深化、大數(shù)據(jù)的興起，數(shù)據(jù)正在資產(chǎn)化，資產(chǎn)正在數(shù)據(jù)化。現(xiàn)在的數(shù)據(jù)，很多已經(jīng)是用來表示價值而不是信息了。數(shù)據(jù)表示價值，核心要義是所有權(quán)、控制和交易。

表3 網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線成品規(guī)格Tab.3 Finished productspecifications of the interlaced yarns

2.2 不同比例網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的拉伸性能分析

2.2.1 不同比例網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的強力曲線

圖3、圖4分別為不同比例玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線、玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的斷裂強力。從圖3、圖4可以看出，兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的強力曲線具有相同的變化趨勢，即隨著伸長的增加，兩種復(fù)合線的強力逐漸增大，拉伸斷裂后強力迅速減小，但仍具有一定的強力值，且隨著伸長的繼續(xù)增加有增大的趨勢。分析其原因可知，網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線由增強纖維、基體纖維復(fù)合而成，交絡(luò)處的增強纖維基本呈伸直狀態(tài)，丙綸絲相互纏結(jié)在增強纖維上，增強纖維的初始模量大，斷裂伸長率小，基體丙綸初始模量小，斷裂伸長率大，在強力迅速增加的過程中，由兩種纖維共同支撐復(fù)合線的強力，增強纖維斷裂后，強力迅速下降，但基體丙綸沒有完全斷裂，且交絡(luò)處的丙綸絲逐漸伸直，因此仍具有一定的強力值，且隨著丙綸伸長的增加，強力又逐漸增大。同時也可以看出，紗線細度越大，斷裂強力的值也越大，強力曲線的斜率越大。

圖4 不同比例玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的斷裂強力Fig.4 The breakingstrength of the GF/PP interlaced yarn with different proportions

2.2.2 不同比例網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的拉伸指標分析

圖5為玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能與玄武巖體積比的關(guān)系。從圖5可以看出，隨著復(fù)合線中玄武巖纖維體積比的增加，丙綸體積比的減小，復(fù)合線的斷裂強度逐漸增加，斷裂伸長率逐漸減小，兩者變化的幅度逐漸趨于平緩。

圖5 玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能與玄武巖體積比的關(guān)系Fig.5 Relationship between tensile properties of the BF/PP interlaced yarn and the volume ratio of BF

以Y1和Y2分別表示玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線斷裂強度與斷裂伸長率，X表示復(fù)合線中玄武巖纖維的體積含量，得到紗線斷裂強度與斷裂伸長率的回歸方程:

相關(guān)系數(shù) R2=0.983 01

相關(guān)系數(shù) R2=0.979

兩種擬合曲線和回歸方程的相關(guān)系數(shù)都大于0.975，可以得出擬合符合玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線斷裂強度和斷裂伸長率之間的關(guān)系，能夠較好地反映復(fù)合線力學(xué)性能的變化趨勢。

圖6為玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能與玻纖體積的關(guān)系。從圖6可以看出，隨著復(fù)合線中玻璃纖維體積比的增加，丙綸體積比的減少，復(fù)合線的斷裂強度逐漸增加，斷裂伸長率逐漸減小，兩者變化的幅度也逐漸趨于平緩。

圖6 玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線拉伸性能與玻纖體積比的關(guān)系Fig.6 Relationship between tensile properties of the GF/PP interlaced yarn and the volume ratio of GF

以Y1和Y2分別表示玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線斷裂強度與斷裂伸長率，X表示復(fù)合線中玻璃纖維的體積含量，得到紗線斷裂強度與斷裂伸長率的回歸方程:

Y1=0.952 6+0.002 51 －2.092 8E－5X2

相關(guān)系數(shù)R2=0.98462

相關(guān)系數(shù)R2=0.989 33

同樣地，兩種擬合曲線和回歸方程的相關(guān)系數(shù)都大于0.98，可以得出擬合符合玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線斷裂強度和斷裂伸長率之間的關(guān)系，能夠較好地反映網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線力學(xué)性能的變化趨勢。

分析兩種復(fù)合線的拉伸指標關(guān)系可知，兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的拉伸性能主要由增強纖維決定，增強纖維的體積比越大，復(fù)合線的拉伸性能就越好。相同體積比的變化過程中，玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的斷裂強力、斷裂強度變化幅度比玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線相對較大，說明玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的拉伸性能受玄武巖纖維體積含量的影響更大。

3 結(jié)論

以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強纖維，以丙綸為基體纖維，采用噴氣網(wǎng)絡(luò)復(fù)合的方式研制了不同比例的玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線和玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線，對所制紗線進行拉伸性能測試，分析了增強纖維的體積比對紗線拉伸性能的影響。得到如下結(jié)論:

1)采用噴氣網(wǎng)絡(luò)的方式制備的玄武巖/丙綸、玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線實際成紗細度比理論細度有所減小，且增強纖維的體積比越大，復(fù)合線細度損失越大，增強纖維所占的體積比越小;

2)隨著紗線伸長的增加，兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的強力逐漸增大，拉伸斷裂后強力迅速減小，但仍具有一定的強力值，且隨著伸長的繼續(xù)增加有增大的趨勢;

3)隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線中增強纖維體積比的增加，丙綸含量的減少，兩種網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線的斷裂強力、斷裂強度逐漸增加，斷裂伸長率逐漸減小，且玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)線的拉伸性能受玄武巖纖維體積含量的影響更顯著。

綜上所述，采用噴氣網(wǎng)絡(luò)加工技術(shù)將玄武巖纖維、玻璃纖維與丙綸復(fù)合，制備工藝簡單，加工成本低廉。所制玄武巖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線、玻纖/丙綸網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線，交絡(luò)部與開纖部均勻分布，紗體成型良好，力學(xué)性能優(yōu)良，為制備丙綸基纖維增強復(fù)合材料提供了新思路。網(wǎng)絡(luò)復(fù)合線紗體膨松，有利于直接熱壓制備復(fù)合材料時，熔融的丙綸充分浸潤和包覆增強纖維，保證復(fù)合材料成型和結(jié)構(gòu)良好，而優(yōu)良的力學(xué)性能則保證了后續(xù)加工過程的順利進行，結(jié)果具有一定的實際應(yīng)用價值。

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