濕法膨化和編織工藝用玻璃纖維直接紗的研究

費其鋒，宋長久，章建忠，李 明，廖晚鳳，鐘洪強，李 輝，張志堅*

（巨石集團有限公司，桐鄉 314500）

0 前言

玻璃纖維膨體紗屬于空氣變形紗的一種［1］，其工藝是利用氣流流體學的動能轉換原理，將玻璃纖維通入特殊裝置，在高壓空氣的作用下，使絲束長度收縮、單絲分離、滑移、彎曲、纏繞，從而產生大量絲圈。玻璃纖維膨體紗兼具連續纖維的高強度和短纖維的蓬松性［2-4］，是一種耐高溫、低導熱系數、耐腐蝕、高容空量、高過濾效率、對人體無害的一種新型材料，在熱防護領域發揮重要的作用［5］。

玻璃纖維膨體紗在熱防護領域的作用原理是通過膨體紗空隙中的空氣或充入惰性氣體來實現優異的隔熱效果。由此可見，玻璃纖維膨體紗的孔隙率越高，氣體分布越均勻，絕熱效果越好［6-8］。由于玻璃纖維膨體紗的孔隙率與膨化率成正相關，因此必須要求玻璃纖維單絲分散性好。行業內傳統玻璃纖維產品為了使含水率≤0.1%，必須經過烘制成膜環節，并使玻璃纖維紗形成一定的集束性，來滿足傳統纏繞、拉擠、編織、膨化等成型工藝的使用要求。由于浸潤劑成膜后對玻璃纖維單絲之間產生一定黏連效果，影響膨化過程中單絲分離，導致膨化率和孔隙率不高。如果此類產品不經烘制成膜，含水率往往高達9%以上，一方面過高的水分會減弱噴嘴中的高壓氣流，降低膨化率；另一方面，此類不經烘制成膜的玻璃纖維產品耐磨性較差，導致膨化過程中產生大量毛羽堵塞噴嘴，無法正常生產。

本文介紹了通過采用自主知識產權的專利技術，開發出一種新型高含水率玻璃纖維直接紗702產品，不經烘制成膜，含水率≤7%，具有膨化率高、低毛羽、易織造等特性，滿足濕法膨化和編織工藝的使用要求，并成功投入市場。

1 實驗部分

1.1 原材料

浸潤劑：702，巨石集團有限公司；

浸潤劑：386T，巨石集團有限公司；

玻璃纖維：702，巨石集團有限公司；

玻璃纖維：386T，巨石集團有限公司；

玻璃纖維：A，市場同類產品。

1.2 儀器和設備

毛羽測試儀：自制；

紗團硬度測試儀：自制；

電子天平：BS2202S，賽多利斯；

膨化機：DS90E，迪策舍爾。

1.3 玻璃纖維直接紗樣品的制備

按照702、386T的浸潤劑配方及配置工藝要求分別配置穩定的浸潤劑，在拉絲成形過程中對玻璃纖維原絲表面進行均勻涂覆，并按各產品的生產工藝要求分別制備702和386T產品，玻璃纖維A選用市售產品，共3種玻璃纖維直接紗樣品作為試驗材料。

1.4 膨化成型和膨體紗樣品的制備

膨化成型工藝可簡單概括為，將粗紗引入膨化機中，在壓縮空氣氣流作用下將粗紗打散膨化，然后再將膨化后的粗紗重新繞成紗團的過程。具體生產工藝如下：

噴嘴型號：98P；

膨化線速：300 m/min；

空氣壓力：0.6 MPa；

膨化工藝過程見圖1。

圖1 膨化工藝過程示意圖

1.5 性能測試

玻璃纖維含水率的測試：按GB/T9914.1-2013標準《增強制品試驗方法 第1部分：含水率的測定》測試；

玻璃纖維膨化率的測試：采用線密度差值比的方法，即：膨化率（%）=（膨化后的線密度T2-膨化前的線密度T1）/膨化前的線密度T1×100%［9］；

毛羽性能測試：通過毛羽測試儀對樣品紗線自身的毛羽以及經過毛羽測試儀測試過程中所產生的毛羽進行收集，并對所測試的紗團進行稱重。毛羽量的計算方法：

毛羽量（mg/kg）=毛羽的重量（mg）/所測試紗團的重量（kg）［10］。

紗團硬度測試：左手抵住玻璃纖維紗團一側，右手持紗團硬度儀并將測針垂直對準紗團另一側中心處的紗線交叉處，勻速用力按壓直至測針全部壓入到玻璃纖維紗團內得到力值N（牛頓），紗團硬度值H=N/26.18×3.873。其中，H為紗團硬度；N為硬度計測得的力值，單位牛頓；26.18和3.873是在硬度計的測針錐度為60°、有效長度為5 mm時的換算系數。

2 結果與討論

2.1 玻璃纖維含水率測試分析

對3種玻璃纖維直接紗樣品分別進行含水率測試，結果如表1所示：

表1 含水率對比測試結果

從表1中的數據對比分析，可以看出經過烘干后的386T以及A產品的含水率均＜0.1%，而702產品通過在生產過程中減少噴霧冷卻水以及浸潤劑中的水分的引入量，在不經烘制的前提下，實現了含水率≤7%，滿足濕法膨化工藝對紗線含水率的要求。

2.2 玻璃纖維毛羽性能測試評價

表面經過702浸潤劑處理的玻璃纖維紗線在濕紗狀態下手感滑爽、柔韌，耐彎折性好。對此，本文對3種玻璃纖維直接紗樣品的毛羽性能進行了對比測試，具體如表2和圖2所示。

表2 毛羽性能對比測試結果

圖2 毛羽性能對比示意圖

從表2中的數據對比分析，可以看出烘干后的386T、A產品的毛羽均較少，說明浸潤劑烘干成膜后對玻璃纖維起到了一定的保護作用，提高了纖維的耐磨性能。而未經烘干成膜的702產品同樣表現出了優異的耐磨性能，毛羽測試結果甚至接近于烘干成膜的386T、A產品，這主要是由于702產品浸潤劑中選用了適量的具有濕潤滑效果的潤滑劑組分以及在未烘干成膜狀態下能夠在玻纖表面鋪展均勻并起到保護作用的成膜劑，賦予紗線在高含水率條件下具有柔軟、滑爽、耐磨等性能，確保客戶使用的順暢性和生產效率。

2.3 玻璃纖維膨化率的測試

在相同工藝條件下分別對6組樣品進行膨化，并對樣品膨化后的膨化率進行對比測試分析，結果見表3和圖3。

表3 不同產品膨化率對比

圖3 膨化率對比示意圖

通過表3和圖3分析，702產品的紗線膨化率明顯高于其他產品。分析原因，主要是由于702產品的表面處理劑未經烘制成膜，因此纖維之間幾乎不存在黏連，并且含水率控制在7%以內，滿足濕法膨化工藝的最佳使用條件。相比之下，經過烘干成膜的386T和A產品由于纖維之間通過浸潤劑產生粘結性較強，因此膨化率均不及702，可見浸潤劑成膜后的粘結性對玻璃纖維的膨化率有較大的影響。

2.4 玻璃纖維紗團硬度測試評價

一款新產品在投入市場前，除了性能必須滿足客戶的使用要求之外，還需滿足包裝運輸要求。如果紗團偏軟，在運輸過程中極易導致托盤傾斜、紗團嚴重變形等問題發生，影響客戶正常使用。紗團硬度是衡量玻璃纖維直接紗產品能否滿足包裝運輸要求的重要評價指標，本文采用巨石集團有限公司自制的紗團硬度儀對3種玻璃纖維直接紗樣品分別進行紗團硬度測試，結果如表4和圖4所示：

表4 紗團硬度對比測試結果

圖4 紗團硬度對比示意圖

根據生產經驗，紗團硬度需要達到7H以上才能滿足包裝運輸要求，而未經烘干的直接紗濕基紗團往往非常軟。通過圖4可以看出，386T和A產品紗團硬度均達到了9H以上，分析原因主要是由于經過烘干成膜后，紗團內部層與層之間的紗線交疊處產生一定的黏連，起到了良好的紗團內部結構支撐作用。相比之下，702產品雖然未經烘制成膜，但在拉絲過程中通過增加拉絲張力并選用了新的卷繞比來提高紗團密度而實現紗團硬度的增加，成功將紗團硬度做到接近9H，滿足了包裝運輸的設計要求。

3 結論

（1）通過對比測試3種玻璃纖維樣品的含水率、膨化率和毛羽性能，說明702產品綜合性能最好，在不經烘制、高含水率的狀態下兼具耐磨性好和膨化率高等特點，滿足濕法膨化和編織工藝的使用要求。

（2）通過3種玻璃纖維樣品紗團硬度的測試對比，702產品紗團硬度達到8H以上，能夠滿足包裝運輸的要求。

（3）目前702產品已批量投入市場，在使用工藝順暢性、膨化率等方面獲得熱防護領域和保溫材料領域客戶的一致好評。