三種耐高溫紗線的結構與性能測試評價

劉 群 徐廣標 王向欽

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620;3.廣州市纖維產品檢測院，廣州，510220)

鋼鐵、水泥、電力等行業排放的高溫煙氣對大氣造成污染的問題越來越受到重視［1］，耐高溫纖維及其制品的需求量隨之增長。針對高溫煙氣這一特殊的使用環境，對耐高溫材料的耐磨性、耐高溫性、穩定性等方面提出了更高的要求［2-6］。符合條件的煙氣過濾材料包括芳綸(Nomex)、PTFE(聚四氟乙烯)等，玄武巖以其優良的熱力學性能［7-8］近年來成為研究熱點。國外從20世紀70年代開始研究開發耐高溫合成纖維［9］，技術較為成熟。而國內受化纖工業的影響，國產的高溫合成纖維較少［10-13］，對常見的耐高溫紗線的熱力學性能研究還不多。因此，本文對國產的芳綸紗線、玄武巖紗線、PTFE紗線的形態結構、力學性能、熱學性能進行了測試與評價，為高溫煙氣過濾材料的研究和使用提供參考依據。

1 試驗

1.1 試樣

試驗所用玄武巖紗線、芳綸紗線及PTFE膜裂紗由工廠提供。其中，玄武巖紗線是用單股平行原絲在不加捻的狀態下并合而成的集束體，芳綸紗線由芳綸1313短纖紗加捻后四股合制而成，PTFE紗線由PTFE單紗加捻后三股合制而成。紗線的結構參數如表1所示。

表1 三種紗線的基本結構參數

1.2 測試

1.2.1 紗線的熱處理

采用DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱對三種紗線進行高溫加熱。溫度分別設置為140、170、200、230、260 ℃［14］，各溫度下分別放置 3、6 h。取出的試樣在空氣中自然冷卻24 h后，進行形態結構、力學性能的測試。

1.2.2 形態結構測試

采用TM3000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀測紗線的表面形態結構，以及經一定溫度、時間處理后紗線的表面形態結構。

1.2.3 力學性能測試

1.2.3.1 拉伸性能

采用華龍WDW-20型微機控制萬能材料試驗機，參考GB/T7690.3—2001，對紗線的斷裂強力、斷裂伸長、彈性模量等指標進行測試。夾持時，試樣表面光滑易滑脫，制樣方法如圖1所示。試驗條件設定為：等速伸長，夾持隔距200 mm，拉伸速度200 mm/min，預加張力 2.5 mN/tex，環境溫度(20±2)℃，相對濕度(65±3)%。每個試樣測試10次，結果取平均值。對于高溫處理后的紗線，采用相同的試驗方法進行測試。

圖1 拉伸試驗制樣方法

1.2.3.2 勾結強度

采用華龍WDW-20型微機控制萬能材料試驗機，對紗線的勾結強度、勾結強度率進行測試。制樣方法如圖2所示，在與拉伸性能測試相同的條件下進行試驗，每個試樣測試10次，結果取平均值。

圖2 勾結強度試驗制樣方法

1.2.4 熱重(TG)分析

采用德國耐馳公司的TG209F1型熱重分析儀對材料的熱分解溫度進行測試，用哈氏切片器將紗線切成粉末狀作為待測樣。測試條件：升溫速率10℃/min，掃描溫度范圍40～900℃，氮氣保護。

2 結果與討論

2.1 表面形態結構

采用SEM觀測未處理紗線的表面形態結構，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 玄武巖紗線表面形態結構

圖4 芳綸紗線表面形態結構

圖5 PTFE紗線表面形態結構

從圖3中可以看出，玄武巖纖維表面光滑，呈圓柱狀，截面為較圓整的圓形。這主要是由于在拉絲紡制過程中，高溫熔融狀態下的玄武巖礦石被牽拉伸長及冷卻形成玄武巖纖維之前，在表面張力的作用下逐漸收縮，最后形成表面積最小的圓形。從圖4中可以看出，芳綸整體上呈規則的圓柱體，表面存在一些條狀碎片，這是由于芳綸長絲制成短纖維再紡成紗線的過程中纖維受到磨損，使得纖維表面被撕裂［14］。從圖5中可以看出，PTFE纖維表面光滑、無毛羽，橫截面呈不規則的多邊形。總的來看，三種紗線表面光滑，用作過濾材料都可提高過濾效率。

采用SEM觀測經高溫處理后紗線的表面形態結構，如圖6所示。對比未處理的紗線表面形態結構發現，經高溫處理后紗線表面都出現不同程度的損傷。由圖6(a)可知，玄武巖紗線經230℃處理后，表面光滑，無明顯變化，經260℃處理后表面出現刻蝕，損傷明顯。相對其他紗線，玄武巖纖維表面在較高溫度下才會發生變化，且處理時間對表面形態結構的影響不大。由圖6(b)可知，芳綸紗線經170℃處理3 h后表面輕度損傷，出現黑色斑點;處理6 h后表面出現明顯孔洞結構;時間越長，溫度越高，損傷越明顯。由圖6(c)可知，PTFE紗線經170℃處理3 h后表面無明顯變化，處理6 h后表面有刻蝕現象;時間越長，溫度越高，刻蝕越明顯，范圍越大。

圖6 紗線經高溫處理后的表面形態變化

2.2 力學性能

2.2.1 未處理紗線的拉伸性能

用華龍WDW-20型微機控制萬能材料試驗機測得的三種紗線的斷裂強力、斷裂伸長、彈性模量等指標如表2所示。從表中可以看出，三種紗線的強度為2.8～5.8 cN/dtex，相較常規化纖強度高;斷裂伸長率為2.9%～4.8%，伸長相對較小;彈性模量為1 943～9 096 MPa，較大的彈性模量保證了制品的剛度，但不同紗線之間差異較大。

表2 紗線的基本力學性能

比較而言，PTFE紗線的斷裂強度最小，是其他兩種紗線的1/2左右，斷裂伸長率最大，彈性模量最小，因此PTFE紗線比較容易變形，給紡織生產加工造成困難。對于那些對織物的尺寸保持率要求比較高的場合，需采用斷裂伸長較小的紗線。玄武巖紗線的彈性模量遠大于其他兩種紗線，且斷裂伸長最小，強度則稍低于芳綸紗線。玄武巖紗線的剛度大，其制品不容易變形。芳綸紗線的斷裂強度最大，保證了制品的耐磨性，在外力作用比較大的情況下，可以優先考慮芳綸。

2.2.2 紗線熱處理后的拉伸性能

高溫處理后紗線的強度變化如圖7所示。由圖7可以看出，在260℃以下的溫度范圍內，三種紗線的力學性能均比較穩定，強度保持率均在70%以上;溫度越高，強度保持率越低。

圖7 高溫處理后紗線的強度變化

隨著溫度的提高，芳綸紗線的強度下降明顯。當溫度超過170℃以后強度下降迅速，230℃后的強度下降速率最快;在230℃下處理3 h后芳綸紗線的強度保持率為88.8%，處理6 h后的強度保持率為84.6%;在260℃下處理3 h后強度保持率僅為71.7%。處理時間、溫度對芳綸紗線強度的影響顯著，呈負相關，說明芳綸紗線的熱穩定性比較差，高溫下不能長時間使用。玄武巖紗線在高溫下處理3 h后，強度保持率在95%以上，處理6 h后的強度保持率也在90%以上，強度基本保持穩定。這可能是由于玄武巖紗線的材料中含有Fe2O3和FeO能改變溶質參數，影響導熱性能，提高了紗線的熱穩定性［15］，因而玄武巖紗線能夠滿足長時間耐高溫的要求。PTFE紗線的強度隨著溫度的上升稍有下降，但變化不明顯，強度保持率始終在90%以上，時間對PTFE紗線強度的影響不大，說明PTFE紗線耐高溫且熱穩定性好，能在高溫條件下長時間使用。

總的來說，芳綸紗線在高溫下強度降低最快，PTFE紗線的強度稍有降低，而玄武巖紗線的強度保持率最高。

2.2.3 勾結拉伸性能

勾結拉伸性能反映了紗線的耐彎曲性能，即紗線的脆性［16］。三種紗線的勾結拉伸性能測試結果如表3所示。

由表3可知，三種紗線的勾結強度保持率差別較大，PTFE紗線的勾結強度明顯高于其他兩種紗線。PTFE紗線的勾結強度率達到100.9%，可見PTFE紗線的韌性大，可繞曲性強。玄武巖紗線和芳綸紗線在常溫下的勾結強度僅為單向拉伸時斷裂強度的29%和27%，脆性大，因此在生產、運輸及使用過程中，要注意減少對膜材的折疊，如用于織造機織布需改善經緯紗線的彎曲狀態。

2.3 熱重分析

使用德國耐馳公司的TG209F1型熱重分析儀對三種紗線的熱分解溫度進行了測試，熱重曲線如圖8所示。

圖8 紗線的熱重曲線

材料的熱穩定性通常用其在空氣或惰性氣體中開始分解的溫度來表征，或通過熱失重來說明［17］。從圖8中可以看出：芳綸紗線的起始分解溫度為530.9℃，在560.1℃時分解速率最高，為-2.64%/min，600℃時的質量損失率為11.9%;PTFE紗線的起始分解溫度為545.1℃，在569.3℃時分解速率最高，為-28.9%/min，失重率最大，600℃時的質量損失率為86.1%;玄武巖紗線在900℃以下的溫度范圍內基本不發生分解，600℃時的質量損失率僅為1.1%。

從起始分解溫度可以確定紗線的最高使用溫度，從而比較紗線的熱穩定性。試驗表明，三種紗線的起始分解溫度均在500℃以上，其中玄武巖紗線的起始分解溫度最高，熱穩定性最好，PTFE紗線、芳綸紗線相差不大，芳綸紗線的熱穩定性稍差。所以，如果不考慮酸堿環境的話，可優先考慮玄武巖紗線。

3 結語

(1)從表面形態結構來看，玄武巖、芳綸、PTFE三種紗線中的纖維表面光滑，適宜用作過濾材料，但長時間高溫下會出現刻蝕現象。

(2)從強伸性來看，三種紗線的強力均較大。其中，PTFE紗線的強度相對較低、變形大，形態穩定性差，玄武巖紗線的剛度大，芳綸紗線的斷裂強度最大。經高溫處理后，紗線的力學性能穩定性好，相較而言，芳綸紗線高溫下強度降低最快，PTFE紗線的強度稍有降低，而玄武巖紗線的強度保持率最高。勾結試驗表明，PTFE紗線的勾結強度明顯高于其他兩種紗線，耐彎曲性較好。

(3)由熱重分析可知，三種紗線的起始分解溫度均在500℃以上。比較起始分解溫度，即最高使用溫度，玄武巖紗線最高、PTFE紗線較低、芳綸紗線最低。

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