基于濕法成形的玻璃纖維非織造材料加筋技術及原理

鄧　超，靳向煜，孟靈晉

(1. 東華大學 產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620；2. 宏祥新材料股份有限公司，山東 德州 253500)

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基于濕法成形的玻璃纖維非織造材料加筋技術及原理

鄧超1，靳向煜1，孟靈晉2

(1. 東華大學 產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620；2. 宏祥新材料股份有限公司，山東 德州 253500)

摘要：介紹了玻璃纖維斜網濕法加筋非織造材料的成形技術，討論了加筋耙與成形網所成夾角對濕法非織造材料加筋的影響. 分析了濕法非織造材料的加筋原理，并對該非織造材料的力學性能進行了測試. 結果表明：加筋能有效地減小濕法非織造材料的形變；通過加筋能有效提高玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力，但加筋后濕法非織造材料的橫向拉伸斷裂強力略低于未加筋濕法非織造材料；加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力與加筋數量呈線性關系.

關鍵詞：玻璃纖維； 濕法成形； 非織造材料； 加筋； 力學性能

濕法成形非織造材料與傳統的造紙在成形原理上是一致的，均是以水為載體，纖維在水中均勻分散后，在成形網上脫水沉積，形成纖維網層. 濕法成形制得的纖網縱、橫向強力均比較小，即具有良好的各向同性的力學性能.

文獻[1]通過對比玻璃纖維加筋濕法非織造材料與不加筋濕法非織造材料的縱向拉伸強力測試數據得出，加筋濕法非織造材料的性能明顯優于不加筋濕法非織造材料，即加筋可大大提高纖網材料的強度. 文獻[2]介紹了玻璃纖維加筋濕法非織造材料的加筋工藝，并進行了加筋濕法非織造材料撕裂試驗，但沒有分析加筋原理. 文獻[3]從短切纖維含濕量、黏結劑含量、成品濕法非織造材料含水量3個方面對玻璃纖維濕法非織造材料的強力進行了分析. 綜上可以看出，加筋技術對玻璃纖維加筋濕法非織造材料力學性能的提高至關重要，因此，有必要對玻璃纖維濕法非織造材料的加筋原理以及加筋對材料性能的影響進行分析研究.

本文采用在濕法成形過程中引入長絲加筋技術，以及固定、烘干等方法，最終形成加筋濕法非織造材料；同時探討濕法非織造材料加筋角度(θ)對加筋的影響、加筋原理，以及加筋對玻璃纖維濕法非織造材料性能的影響；測試加筋前后以及不同加筋數量的濕法非織造材料的力學性能，進行差異比較分析，建立濕法非織造加筋技術對材料性能影響的相關理論.

1試驗

1.1試驗原料

玻璃短切纖維，纖維直徑為13 μm，長度為15 mm，含水率為9.7%；無堿連續玻璃纖維加筋長絲，長絲直徑為(9.0±0.9) μm，線密度為(68.7±1.7) tex，捻度為(28±4) 捻/m，含水率≤0.15%.

1.2儀器設備

小型攪拌機；濕法斜網成形機；浸膠裝置；YG020A型拉伸試驗機；Instron萬能拉伸試驗機；JSM25600 LV型掃描電子顯微鏡(SEM)； FA2004型電子天平.

1.3試驗方法

玻璃纖維斜網濕法加筋非織造材料試驗流程如圖1所示.

圖1　玻璃纖維斜網濕法加筋非織造材料試驗流程圖Fig.1　Flowchart of filament reinforced glass fiber inclined wire wet-laid nonwoven materials

圖1中加筋技術是采用氣動方法將加筋長絲穿入加筋耙導管后，長絲在氣流的作用下被帶入漿料中，通過控制加筋耙的位置，真空脫水裝置的抽吸壓力以及采用奇數個真空脫水裝置，使加筋長絲的位置保持在濕法非織造材料的截面中間.

根據所用纖維原料的種類，本試驗利用斜網濕法成形低濃度、大流量的特點，保證了成網的可靠性和均勻性.

1.4力學性能測試

1.4.1無堿連續玻璃纖維加筋長絲強力測試

加筋長絲拉伸強力測試參照GB/T7690.3—2001.

1.4.2玻璃纖維濕法非織造材料強力測試

非織造材料拉伸強力測試參照GB/T 6006.2—2013中的第2部分：拉伸斷裂強力的測定. 試樣規格：(1)未加筋玻璃纖維濕法非織造材料，尺寸為30 cm×5 cm，縱橫向各5個試樣；(2)加筋玻璃纖維濕法非織造材料，尺寸為30 cm×5 cm，縱向材料加筋數為3根，橫向材料加筋數為19根，縱、橫向各5個試樣；(3)縱向加筋玻璃纖維濕法非織造材料，樣品加筋數為1～ 9根，尺寸為30 cm×加筋數(1～9根)每種加筋數量各5個試樣.

2玻璃纖維非織造材料加筋技術及原理

目前濕法加筋材料的加筋技術主要有兩種：一種是表面加筋，玻璃纖維長絲貼在濕法材料表面，但筋容易脫落；另一種是將筋材料加在濕法纖網中間，表面無筋凸露在外面，加筋長絲不易脫落，加筋效果好[1]. 本文采用后一種加筋技術.玻璃短纖維經過送料機進入攪拌罐內被攪拌分散成單絲，然后被送入料漿罐使其進一步勻化，再經過白水稀釋至一定質量濃度(0.2～0.8 g/L)后[4]，通過沖漿泵將玻璃纖維漿料輸送至斜網成形機的流漿箱中.

為了制造濕法加筋非織造材料，使加筋長絲添加在濕法材料內，本試驗在斜網成形機前搭建一個加筋裝置，即在斜網成形機上部安裝上一個加筋機構，也稱之為“加筋耙”.加筋長絲先經過張力器再進入加筋耙內，張力器賦予加筋長絲一定的張力，通過加筋耙將加筋長絲添加在濕法非織造材料內(如圖2所示).加筋耙可以自由升降并可調節其與成形網之間的距離及角度，因此在制備不同品種的濕法加筋非織造材料時，可以調節加筋長絲的位置使其保持在濕法非織造材料的截面中間[2].

圖2　斜網濕法成形及加筋裝置示意圖Fig.2　Schematic diagram of filament reinforcement of inclined wire wet-laid process

2.1θ對加筋的影響

θ是加筋耙的導管和成形網所成夾角，如圖3所示.

(a) θ為任意角度

(b) θ=90°

(c) θ=180°

reinforced rake and forming wire

由圖3(a)可以看出，加筋耙可以自由升降并可調節其與成形網之間的距離和夾角，θ設計是影響加筋效果的關鍵.不同θ帶來的加筋效果也不一樣.

由圖3(b)可知，當θ=90°時，加筋耙的導管與成形網垂直，當加筋長絲從加筋耙導管口出來時，由于漿料流體的涌動和受到玻璃纖維濕法纖網對其摩擦牽伸的作用，玻璃纖維加筋長絲從加筋耙導管口垂直出來，其容易與加筋耙管口產生摩擦而導致斷筋現象，或運動不暢堵塞加筋耙管口，從而給實際應用帶來困難. 由圖3(c)可知，當θ=180°時，玻璃纖維加筋長絲在漿料涌動和玻璃纖維濕法纖網對其摩擦牽伸的作用下，其與加筋耙導管平行地從管口出來，進入到玻璃纖維濕法纖網層材料中部，玻璃纖維加筋長絲不易發生因與加筋耙導管口摩擦而導致的斷筋現象，也不易堵塞加筋耙導管口，從而保證加筋的順利鋪設，因此θ=180°加筋效果是最理想的.綜上可發現，隨著θ的增大，鋪設效果逐漸改善，當θ達到180°時，加筋效果是最理想的.

2.2加筋原理

本試驗采用的斜網成形機設有多個真空脫水裝置(如圖4所示)，每一個真空脫水裝置都具有一定的脫水能力.纖維漿料隨著成形網的移動，每經過一個真空脫水裝置進行脫水，纖維就隨機沉積在成形網上形成薄纖網層[5]，通過調節各個真空脫水裝置的抽吸壓力參數，控制各纖網層的面密度，纖維漿料經過由下到上多個真空脫水裝置的脫水，最終形成了由多層疊合的濕法非織造材料，即濕法非織造材料成形的基本原理過程(如圖4(a)所示).

在加筋過程中調節加筋耙，使加筋耙的導管口定位在中間脫水箱的位置(如圖4(b)所示)，且導管與成形網接近平行，用氣動方法將加筋長絲穿入加筋耙導管后，長絲在氣流的作用下被帶入漿料中.加筋濕法非織造材料成形過程中，在加筋之前形成薄層的纖網層，然后導入加筋長絲，通過控制后面真空脫水裝置的抽吸壓力，再在加筋長絲上面覆蓋與前道等重的纖網層，由于加筋長絲是連續的，加筋長絲在上下纖網層對其摩擦力作用下持續恒速地從加筋耙導管口拉出，從而保證了加筋的連續性鋪設(如圖4(c)所示). 經加筋的濕法非織造材料在成形網的帶動下進入后道浸漬工序. 試驗樣品的SEM圖如圖5所示.由圖5可以發現，濕法非織造材料的實際加筋效果與加筋原理所得出的結論是一致的，纖網中的纖維隨機排列，并在黏合劑作用下互相固結，玻璃纖維長絲有效地被上下兩層纖網所夾持.

(a) 濕法非織造材料成形基本原理過程示意圖 　(b) 濕法成形加筋裝置示意圖

(c) 玻璃纖維濕法非織造材料加筋成形示意圖

(a) 平面　　　　　(b) 縱向截面

3加筋對非織造材料力學性能的影響

在實際的工程應用中，由于施工環境的復雜性，對非織造材料的性能提出了更高的要求，尤其是材料的強度和變形量.因此，玻璃纖維濕法非織造材料的力學性能控制，對其在實際工程中的應用有重要的影響.

3.1加筋對非織造材料力學性能的影響

玻璃纖維濕法非織造材料采用濕法成網，再浸膠固結，賦予纖網更高的強力.由于玻璃纖維的剛性比較大，纖網中的纖維之間幾乎不發生纏結，非織造材料的強力主要由玻璃纖維之間的摩擦力和玻璃纖維與黏合劑的黏合力所構成.

采用萬能拉伸試驗機對玻璃纖維加筋長絲、玻璃纖維未加筋濕法非織造材料(面密度為45 g/m2)、玻璃纖維加筋濕法非織造材料(面密度為45 g/m2，加筋數為3根)的力學性能進行測試，結果如圖6和7所示.

圖6　加筋長絲及濕法非織造材料縱向拉伸曲線Fig.6　The longitudinal tensile curves of filaments and wet-laid nonwoven materials

圖7　濕法非織造材料橫向拉伸曲線Fig.7　The transverse tensile curves of wet-laid nonwoven materials

由圖6可以看出，未加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力為95 N，加筋長絲的拉伸斷裂強力為29 N，而加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力為240 N，未加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力與相應數量的加筋長絲拉伸斷裂強力之和并不等于加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力，而是小于加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力. 這是因為玻璃纖維加筋濕法非織造材料的縱向斷裂強力構成，不僅有玻璃纖維之間的摩擦力和玻璃纖維與黏合劑的黏合力，還存在玻璃纖維和加筋長絲之間的摩擦力，加筋長絲和黏合劑之間多重作用力以及加筋長絲自身的強力.也就是說，通過加筋有效地提高了玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力，此外，玻璃纖維加筋濕法非織造材料的初始模量要遠大于未加筋濕法非織造材料的初始模量，說明玻璃纖維加筋濕法非織造材料在拉力作用下不易發生變形，材料具有良好的加筋效果.

由圖7可以看出，加筋濕法非織造材料的橫向拉伸強力反而略低于未加筋濕法非織造材料.一方面，加筋非織造材料的質量包括了加筋長絲的質量，所以除加筋長絲以外，材料的質量較未加筋的小，因而加筋濕法非織造材料橫向拉伸強力略低；另一方面，從圖5(b)可以看出，加筋長絲的存在使得加筋濕法非織造材料內部存在空隙，玻璃纖維之間的結合相對減弱，從而加筋濕法非織造材料的橫向拉伸強力略低于未加筋濕法非織造材料.

3.2加筋數量對非織造材料力學性能的影響

采用萬能拉伸試驗機對加筋數量為1～9 根的玻璃纖維加筋濕法非織造材料的力學性能進行測試，測得加筋數量為1～9根的玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力分別為70，141，203，268，335，396，460，521，587 N. 將玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力與加筋數繪制成曲線圖，如圖8所示.

圖8　濕法非織造材料縱向拉伸強力-加筋數曲線Fig.8　The longitudinal tensile-reinforced number curves of wet-laid nonwoven materials

由圖8可以看出，隨著加筋數量的增加，玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力成線性比例增加.由于每根加筋長絲對材料的貢獻是一定的，且其在濕法非織造材料中是平行排列的，加筋長絲之間沒有相互作用力，因此，加筋濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力與加筋數量之間呈線性關系.

通過在玻璃纖維濕法非織造材料中加入連續的玻璃纖維加筋長絲，可有效地防止纏繞過程中玻璃纖維材料斷裂[6]，減小玻璃纖維濕法非織造材料在實際使用過程中的變形和強力損失，因此，玻璃纖維加筋濕法非織造材料具有良好的尺寸穩定性，強度較高. 此外，玻璃纖維加筋濕法非織造材料的耐腐蝕性好，厚度均勻，耐溶劑性能和耐水汽侵蝕性能好，與瀝青和煤焦油瓷漆的相容性良好[7]，可被廣泛應用于管道復合材料.

4結論

(1) 濕法非織造材料的加筋角度θ對加筋效果起著至關重要的作用，當θ=90°時，由于漿料流體的涌動和受到玻璃纖維濕法非織造材料對其摩擦牽伸的作用，加筋過程中玻璃纖維加筋長絲容易發生斷筋或運動不暢堵塞加筋耙導管口，隨著θ的增大，加筋效果逐漸改善，當θ=180°時，加筋效果最理想.

(2) 在加筋濕法非織造材料成形過程中，加筋長絲加在中間脫水箱的位置，即處在多個薄層構成的濕法非織造材料的中間.由于加筋長絲是連續的，加筋長絲在上下纖維層對其摩擦作用力下持續恒速地被拉出，保證了加筋的連續性.

(3) 通過加筋能有效提高玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力，而加筋濕法非織造材料的橫向拉伸斷裂強力略低于未加筋濕法非織造材料.

(4) 玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力與加筋數量呈線性關系，隨著加筋數量的增加，玻璃纖維濕法非織造材料的縱向拉伸斷裂強力均勻增加.

參考文獻

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文章編號：1671-0444(2016)03-0380-06

收稿日期：2015-04-28

作者簡介：鄧超(1990—)，男，江蘇蘇州人，博士研究生，研究方向為非織造材料與工程.E-mail：dc199086@126.com 靳向煜(聯系人)，男，教授，E-mail：jinxy@dhu.edu.cn

中圖分類號：TS 174.8

文獻標志碼：A

Reinforcement Technology and Principle about Glass Fiber Nonwoven Materials Based on Wet-Laid

DENGChao1，JINXiang-yu1，MENGLing-jin2

(1. Engineering Research Center of Technical Textiles, Ministry of Education， Donghua University，Shanghai 201620， China；2. Hongxiang New Geo-Material Co. Ltd., Dezhou 253500， China)

Abstract:The filament reinforced glass fiber inclined wire wet-laid glass fiber reinforced nonwoven material forming technology was introduced, the impact of angle between reinforced rake and forming wire on reinforcement of wet-laid nonwoven materials was discussed. The reinforcement principle of wet-laid nonwoven materials was analyzed, and the mechanical properties of the nonwoven materials were tested. The results show that the reinforcement can effectively reduce the deformation of the nonwoven materials. The longitudinal tensile strength of wet-laid glass fiber nonwoven materials can be effectively improved, but the transverse tensile strength of reinforced wet-laid nonwoven materials is slightly less than the unreinforced wet-laid nonwoven materials. The longitudinal tensile strength of reinforced wet-laid nonwoven materials is proportional to the number of reinforced filaments correspondingly.

Key words:glass fiber； wet-laid； nonwoven material； reinforcement； mechanical property