國產(chǎn)高性能玄武巖纖維/滌綸長絲復(fù)合織物試織*

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(1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津,300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津,300387)

玄武巖屬于火山噴出巖,是地球上存在和分布最廣的礦物之一。玄武巖纖維是以火山噴出巖作為原料,在一定溫度(1 450 ℃左右)下充分熔融后[1]，通過一定手段在較高速度下迅速拉絲而制成的連續(xù)無機(jī)纖維[2]。純天然的連續(xù)玄武巖纖維的顏色一般為褐色,有些似金色，所以又稱“金色纖維”。玄武巖纖維是一種新型無機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料，是新材料產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)組成部分[3-4]。

玄武巖纖維一般可分為普通玄武巖棉、超細(xì)玄武巖纖維和連續(xù)無機(jī)玄武巖纖維[5]。連續(xù)玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度為4 100～4 500 MPa[6]，而碳纖維為2 500～3 500 MPa[7]，因此連續(xù)玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度在一定程度上優(yōu)于碳纖維。連續(xù)玄武巖纖維不僅具有較好的抗拉伸性能，而且還具備穩(wěn)定、抗酸堿腐蝕、耐高溫等多種優(yōu)良性能[8]。根據(jù)目前國內(nèi)玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝，整個(gè)工藝流程產(chǎn)生的廢棄物較少，對環(huán)境造成的污染可降低到最小[9-10]。玄武巖纖維制品廢棄后可直接進(jìn)入大自然生態(tài)環(huán)境中，幾乎不會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成任何危害，因此是一種新型的高科技綠色、無公害、環(huán)保型材料。本文所采用的是國產(chǎn)高性能連續(xù)玄武巖纖維。

玄武巖纖維在復(fù)合材料方面的應(yīng)用范圍正在迅速擴(kuò)大，而且在全世界范圍內(nèi)復(fù)合材料的生產(chǎn)及應(yīng)用量每年大約增長10%[11]。玄武巖纖維復(fù)合材料抗拉伸性能優(yōu)良，這類產(chǎn)品不會(huì)隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生蠕變或應(yīng)力松弛現(xiàn)象，更不會(huì)影響產(chǎn)品的強(qiáng)度或剛度[12-13]。滌綸是世界上產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的一種合成纖維，滌綸具有較高強(qiáng)度(滌綸短纖維的強(qiáng)度為2.5～5.8 cN/dtex，高強(qiáng)力滌綸的強(qiáng)度為5.8～8.2 cN/dtex)，彈性與羊毛相似，并具有較好的耐磨、耐光、耐酸堿腐蝕等優(yōu)良性能[14]。本文采用國產(chǎn)高性能玄武巖纖維作為經(jīng)紗，滌綸長絲作為緯紗，利用DWL5016型半自動(dòng)織樣機(jī)織造經(jīng)二重組織及上下接結(jié)組織織物，同時(shí)將丙綸作為緯紗進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

1 織物試織

本試驗(yàn)所織造的織物為玄武巖經(jīng)二重組織和上下接結(jié)組織。其中，經(jīng)二重組織織物的構(gòu)成是兩個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)紗與一個(gè)系統(tǒng)的緯紗交織進(jìn)行的。雙層組織的表里兩層緊密地連接在一起的織物稱為接結(jié)雙層織物，而在織里層時(shí)，表經(jīng)下降和里緯交織構(gòu)成接結(jié)，所形成的組織即為上下接結(jié)組織。

1.1 織物試織的要求

織物組織的選擇：織物組織是影響織物品種的重要因素之一?？椢锝M織的選擇要根據(jù)織物的用途及外觀風(fēng)格來決定，同時(shí)要考慮到對傳統(tǒng)織物的延續(xù)與變化。

織物的密度設(shè)計(jì)：織物經(jīng)緯密度的大小與經(jīng)緯密度之間的相對關(guān)系是影響織物結(jié)構(gòu)的主要因素之一。

1.2 材料參數(shù)

本試驗(yàn)采用DWL5016型半自動(dòng)織樣機(jī)織造織物，試驗(yàn)原材料的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)原材料的性能指標(biāo)

所設(shè)計(jì)的織物規(guī)格參數(shù)如表2所示。

表2織物的規(guī)格參數(shù)

組織結(jié)構(gòu)經(jīng)密/[根·(10 cm)-1]幅寬/cm筘號每筘入數(shù)總經(jīng)根數(shù)經(jīng)二重 20025504500上下接結(jié)13025652325

1.3 織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 經(jīng)二重組織織物設(shè)計(jì)

經(jīng)二重組織織物的組織圖如圖1所示，上機(jī)圖見圖2，截面圖見圖3。

1.3.2 上下接結(jié)組織織物設(shè)計(jì)

上下接結(jié)組織織物的組織圖如圖4所示，上機(jī)圖見圖5，截面圖見圖6。

1.4 織物展示

圖7所示為兩種組織織物的成品圖。

2 試驗(yàn)部分

2.1 織物拉伸斷裂測試

圖1 經(jīng)二重組織的組織圖

圖2 經(jīng)二重組織的上機(jī)圖

(a)橫向

(b)縱向圖3 經(jīng)二重組織的截面圖

由表3可知：玄武巖纖維織物的經(jīng)向斷裂伸長率小于緯向斷裂伸長率；玄武巖纖維織物的經(jīng)向彈性模量大于緯向彈性模量。需要說明的是，由于本試驗(yàn)室儀器的量程過小，測得的數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步考究。

2.2 織物耐磨性測試

織物的耐磨性是指織物抵抗與另一物體摩擦而磨損的性能[15]。采用常州第二紡織機(jī)械廠生產(chǎn)的織物平磨儀來測試織物的耐磨性，圓盤以70 r/min作等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。測試結(jié)果見表4。

(c)接結(jié)組織圖4 上下接結(jié)組織的組織圖

圖5 上下接結(jié)組織的上機(jī)圖

表3 織物的拉伸斷裂試驗(yàn)結(jié)果

(a)橫向

(b)縱向圖6 上下接結(jié)組織的截面圖

(a)經(jīng)二重組織織物

由表4可知：上下接結(jié)組織織物的質(zhì)量損失大于經(jīng)二重組織織物，即經(jīng)二重組織織物的耐磨性更好些。玄武巖/滌綸織物單位面積質(zhì)量損失大于玄武巖/丙綸織物，即玄武巖/丙綸織物的耐磨性相對更好些。

(b)上下接結(jié)組織織物圖7 織物實(shí)物圖

表4 織物的質(zhì)量變化

2.3 織物密度測試

本試驗(yàn)采用照布鏡、鑷子來分析規(guī)定尺寸織物的經(jīng)緯紗密度，再根據(jù)窗口寬度來得到織物的經(jīng)緯密度，見表5。

表5 織物的經(jīng)、緯紗密度

由織物的經(jīng)緯密度以及經(jīng)緯紗線的直徑可以計(jì)算得到織物的緊度。

總緊度：E=Ej+Ew-0.01EjEw

式中：k——紗線直徑系數(shù)；

dj、dw——經(jīng)、緯紗直徑(mm)；

Pj、Pw——經(jīng)、緯向密度(根/mm)；

Tj、Tw——經(jīng)、緯紗的特?cái)?shù)(tex)。

計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 織物的緊度

由表6可知,經(jīng)二重組織織物的經(jīng)密較大，但上下接結(jié)組織織物的緯密較大；由于滌綸與丙綸的線密度相同，所以在用滌綸或丙綸作緯紗的相同組織織物中，緯密相近。同時(shí)，經(jīng)二重組織織物的總緊度大于上下接結(jié)組織織物的總緊度，且經(jīng)二重組織織物的經(jīng)向緊度大于上下接結(jié)組織織物的經(jīng)向緊度，但其緯向緊度小于上下接結(jié)組織織物。

2.4 織物厚度測試

織物的厚度會(huì)影響織物的體積質(zhì)量、蓬松性、剛?cè)嵝浴⒈Ｅ浴⒛湍バ缘龋椢锖穸热Q于紗線的線密度、結(jié)構(gòu)相、密度、織物組織及紗線結(jié)構(gòu)等。

本試驗(yàn)按照GB/T 1380—1997，采用常州第二紡織機(jī)械廠YG141型厚度儀測試織物厚度。參數(shù)設(shè)置為壓力2 kPa，加壓時(shí)間30 s。每個(gè)樣品均測5次，取平均值，測試結(jié)果如表7所示。

表7 織物的厚度

由表7可知,上下接結(jié)組織織物厚度的變異系數(shù)明顯高于經(jīng)二重組織織物，說明上下接結(jié)組織織物的厚度不如經(jīng)二重組織織物的厚度穩(wěn)定。而上下接結(jié)組織織物中，丙綸作緯紗時(shí)的織物厚度不如滌綸作緯紗時(shí)的織物厚度穩(wěn)定。

3 結(jié)語

通過試織經(jīng)二重組織與上下接結(jié)組織兩種具有一定厚度的織物，并對織物性能進(jìn)行測試，為進(jìn)一步研究工程用復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。高性能纖維/滌(丙)綸長絲復(fù)合織物的試織，可獲知高性能纖維在一定環(huán)境中也會(huì)發(fā)生分束、單絲斷裂和耐磨強(qiáng)力不夠等現(xiàn)象。雙層織物在一定程度上提高了拉伸強(qiáng)度、緊密度，改善了其層間撕裂強(qiáng)度，為后續(xù)的復(fù)合材料研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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