玄武巖、玻纖、丙綸網絡復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a.現代紡織加工技術國家工程技術研究中心;b.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，杭州310018)

聚丙烯纖維俗稱丙綸，具有比重輕、熔點低、耐化學腐蝕、熱變形溫度高等優良性能，同時具備加工工藝簡單、成本低、價格便宜等優良品質。因此，丙綸非常適合用作熱塑性復合材料的基體材料，與玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維等增強纖維復合而廣泛被研究和應用[1-3]。纖維復合的方式有很多種[4-5]，一些學者采用非織造加工工藝將丙綸與玄武巖纖維復合制備復合材料[6];一些學者采用包纏復合的方式將增強纖維與丙綸復合[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，采用噴氣網絡的方式分別將兩種增強纖維與基體丙綸復合，制備不同體積比的玄武巖/丙綸、玻纖/丙綸網絡復合線 對兩種網絡復合線進行拉伸指標測試，分析增強纖維的不同體積比對網絡線拉伸性能的影響。通過本研究可以得到一種將增強纖維與基體丙綸復合的新方式，同時得到力學性能優良、加工工藝簡單的網絡復合線，為丙綸基纖維增強復合材料的研究提供新思路，奠定技術基礎。

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(杭州泰克斯復合材料有限公司)，丙綸(紹興超特合纖有限公司)。原料規格及性能如表1所示。儀器 型高速絡筒機改裝噴氣網絡機(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 原料規格及性能Tab.1 Specifications and properties of materials

1.2 方 法

1.2.1 網絡復合線的研制

采用SDZ-108型高速絡筒機改裝而成的噴氣網絡機，按照表2中的復合方案制備玄武巖/丙綸網絡復合線和玻纖/丙綸網絡復合線。改裝后的噴氣網絡機成紗原理如圖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，經導紗鉤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，形成周期性網絡點，制成噴氣網絡復合線。摩擦滾筒7經過傳動帶傳動將網絡復合線有序纏繞在其表面。其中，合理控制噴氣壓力是網絡復合線成型品質的關鍵，既要保證兩種纖維形成的網絡復合線成型效果良好，同時保證增強纖維在噴氣壓力下不會損失太多，形成的網絡復合線毛羽不要過多。

表2 網絡復合線加工方案Tab.2 Processingscheme of the interlaced yarns

圖1 改裝噴氣網絡機成紗原理Fig.1 Schematic of the modified jetting interlacing machine

1.2.2 網絡復合線細度及體積比測定

采用AL204-IC電子天平測定150 cm長網絡復合線的質量，每種測量10次，取平均值。按照公式(1)計算兩種網絡復合線的實際細度，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為網絡復合線的實際成紗細度，tex;M為150 cm長網絡復合線的質量平均值，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量平均值2為長丙綸的質量平均值，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 網絡復合線拉伸性能測試

采用Instron 3367萬能測試儀對所制網絡復合線進行拉伸性能測試，以獲得不同復合比例網絡線的拉伸性能指標。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)%的恒溫恒濕室調濕24 h[8]。測試條件:拉伸速度200mm/min。

2 結果與討論

2.1 網絡復合線成品分析

圖2所示為網絡復合線成品圖。從圖2可以看出，復合線成品均由開纖部和交絡部組成[9]。增強纖維在復合線中呈伸直狀態，而丙綸絲被吹散與兩種纖維交叉纏繞形成周期性網絡點，在網絡點處，增強纖維被丙綸絲緊緊地交絡在一起，形成比較穩定的紗線結構，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，形成的網絡線紗體比較蓬松，增強纖維與丙綸的混合效果也比較好。紗體中網絡部與開纖部均勻分布，紗體基本沒有毛羽，成型良好。

圖2 網絡復合線成品Fig.2 Finished product of the interlaced yarn

表3為網絡復合線成品規格。由表3可知，采用噴氣網絡的方式制得的復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，復合線的細度損失越大，復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，極易產生脆斷，斷裂后的纖維在氣流作用下被剝離紗體，復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生脆斷，反而在噴嘴的絲道內相互纏結 形成網絡點 增強纖維被丙綸長絲緊緊地交絡在一起，增強了網絡復合線的成紗質量。因此，增強纖維的損失導致了復合線的實際細度減小，增強纖維的體積比也相應減小。成紗網絡度是衡量成紗質量的關鍵指標，根據絡筒速度和噴氣壓力而得，保證了所制網絡復合線網絡效果良好，同時成紗毛羽少，細度損失相對較少。

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表3 網絡復合線成品規格Tab.3 Finished productspecifications of the interlaced yarns

2.2 不同比例網絡復合線的拉伸性能分析

2.2.1 不同比例網絡復合線的強力曲線

圖3、圖4分別為不同比例玄武巖/丙綸網絡復合線、玻纖/丙綸網絡復合線的斷裂強力。從圖3、圖4可以看出，兩種網絡復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，且隨著伸長的繼續增加有增大的趨勢。分析其原因可知，網絡復合線由增強纖維、基體纖維復合而成，交絡處的增強纖維基本呈伸直狀態，丙綸絲相互纏結在增強纖維上，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/丙綸網絡復合線的斷裂強力Fig.4 The breakingstrength of the GF/PP interlaced yarn with different proportions

2.2.2 不同比例網絡復合線的拉伸指標分析

圖5為玄武巖/丙綸網絡線拉伸性能與玄武巖體積比的關系。從圖5可以看出，隨著復合線中玄武巖纖維體積比的增加，丙綸體積比的減小，復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/丙綸網絡線拉伸性能與玄武巖體積比的關系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/丙綸網絡復合線斷裂強度與斷裂伸長率，X表示復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:

相關系數 R2=0.983 01

相關系數 R2=0.979

兩種擬合曲線和回歸方程的相關系數都大于0.975，可以得出擬合符合玄武巖/丙綸網絡復合線斷裂強度和斷裂伸長率之間的關系，能夠較好地反映復合線力學性能的變化趨勢。

圖6為玻纖/丙綸網絡線拉伸性能與玻纖體積的關系。從圖6可以看出，隨著復合線中玻璃纖維體積比的增加，丙綸體積比的減少，復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/丙綸網絡線拉伸性能與玻纖體積比的關系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/丙綸網絡復合線斷裂強度與斷裂伸長率，X表示復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

相關系數R2=0.98462

相關系數R2=0.989 33

同樣地，兩種擬合曲線和回歸方程的相關系數都大于0.98，可以得出擬合符合玻纖/丙綸網絡復合線斷裂強度和斷裂伸長率之間的關系，能夠較好地反映網絡復合線力學性能的變化趨勢。

分析兩種復合線的拉伸指標關系可知，兩種網絡復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/丙綸網絡復合線的斷裂強力、斷裂強度變化幅度比玻纖/丙綸網絡復合線相對較大，說明玄武巖/丙綸網絡復合線的拉伸性能受玄武巖纖維體積含量的影響更大。

3 結論

以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強纖維，以丙綸為基體纖維，采用噴氣網絡復合的方式研制了不同比例的玄武巖/丙綸網絡線和玻纖/丙綸網絡線，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。得到如下結論:

1)采用噴氣網絡的方式制備的玄武巖/丙綸、玻纖/丙綸網絡復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，兩種網絡復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，且隨著伸長的繼續增加有增大的趨勢;

3)隨著網絡復合線中增強纖維體積比的增加，丙綸含量的減少，兩種網絡復合線的斷裂強力、斷裂強度逐漸增加，斷裂伸長率逐漸減小，且玄武巖/丙綸網絡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，采用噴氣網絡加工技術將玄武巖纖維、玻璃纖維與丙綸復合，制備工藝簡單，加工成本低廉。所制玄武巖/丙綸網絡復合線、玻纖/丙綸網絡復合線，交絡部與開纖部均勻分布，紗體成型良好，力學性能優良，為制備丙綸基纖維增強復合材料提供了新思路。網絡復合線紗體膨松，有利于直接熱壓制備復合材料時，熔融的丙綸充分浸潤和包覆增強纖維，保證復合材料成型和結構良好，而優良的力學性能則保證了后續加工過程的順利進行，結果具有一定的實際應用價值。

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