加工工藝對芳綸簾線性能的影響

姜云平，王 芳，羅之祥

（1.北京橡膠工業研究設計院有限公司，北京 100143；2.中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇 儀征 211900）

芳綸纖維是美國杜邦公司于20世紀60年代開發的一種高性能合成纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、耐酸堿等優點[1-4]，早期主要用于防彈頭盔、防彈衣、裝甲板等軍用物資生產，且產能主要集中在歐美國家及日本等發達國家。我國芳綸纖維生產雖然起步較晚，但通過我國科研工作者的不斷努力，現在已擁有多家技術成熟的大中型企業[5]。

本工作以國產對位芳綸纖維為主要對象，研究加捻工藝和浸膠工藝對芳綸簾線性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

1670dtex對位芳綸纖維，國內某公司產品。

1.2 主要設備和儀器

5567型萬能試驗機，美國英斯特朗公司產品；CC3型直捻機，德國阿爾瑪公司產品；簾線浸膠試驗機，北京萬匯一方科技發展有限公司產品。

1.3 試樣制備

簾線的加捻和浸膠工藝在很大程度上決定了簾線的最終性能，要獲得性能全面的簾線需要綜合考慮加捻工藝和浸膠工藝。

1.3.1 加捻工藝

加捻是簾線重要的加工步驟，由于原絲纖度很小，在經過噴絲頭之后的拉伸過程中難以避免斷絲現象，且原絲之間是一種比較松散的狀態，在受到外力拉伸時不能均勻承受外力。原絲加捻之后纖維之間產生抱合力，緩解了單絲缺陷造成的纖維斷裂問題，受力更加均勻，從而具備了一定的力學性能。合適的捻度可以使簾線具有更高的斷裂強力和斷裂伸長率，捻度過大會導致簾線斷裂強力迅速下降[6]。

本工作使用直捻機將芳綸單絲進行加捻，研究捻度對芳綸簾線力學性能的影響。傳統的加捻設備需要先將單股束絲加捻成初捻絲后再合股制成簾線，而直捻機以攬捻方式通過一道工序即可完成初捻和復捻的加工，即將兩束未加捻的原絲直接捻成簾線，通過高精度的張力控制系統和紗線張力平衡器，能夠保證產品的高質量，并且具有卷裝大、占地小等優點。簾線直捻機加捻工藝如圖1所示[7]。

圖1 簾線直捻機加捻工藝示意

用直捻機將1670dtex 芳綸原絲加工成1670dtex/2芳綸簾線，捻度分別為300，330，360和390 T·m-1。

1.3.2 浸膠工藝

浸膠也是簾線加工的主要步驟。芳綸纖維具有高結晶度，其表面光滑且缺少活性基團，不易與橡膠結合。在經過浸膠處理后，芳綸纖維表面附著一層膠膜，膠膜在硫化過程中與橡膠結合，從而使芳綸與橡膠之間形成牢固的界面，使芳綸/橡膠復合材料具備較好的力學性能。浸膠過程中纖維在不同溫度和張力作用下其強伸性能也會有所變化。使用實驗室簾線浸膠機進行330 T·m-1芳綸簾線的浸膠，在不改變浸漬體系的情況下，研究浸膠張力和溫度對浸膠芳綸簾線性能的影響，具體浸膠工藝參數見表1。

表1 浸膠工藝參數

1.4 性能測試

按GB/T 19975—2005《高強化纖長絲拉伸性能試驗方法》對芳綸原絲進行強伸性能測試，在試驗前先將芳綸原絲加捻，捻度為80 T·m-1，這是為了使復絲中的單絲均能承受一定的張力，并防止樣品打滑。

浸膠后的芳綸簾線按GB/T 36795—2018《浸膠芳綸簾子布技術條件和評價方法》進行強伸性能、粘合強度和耐疲勞性能測試。

2 結果與討論

2.1 原絲強伸性能

1670dtex芳綸原絲斷裂強力和斷裂伸長率測試結果分別為318.60 N和2.76%。

2.2 加捻工藝對簾線性能的影響

芳綸原絲經加捻制成簾線后，原絲之間產生抱合力，簾線受力時單絲間相互滑動摩擦力增大，阻礙了部分單絲從其強度薄弱點處斷裂，因此與原絲相比，簾線的強度得到了提高；但隨著捻度的進一步增大，單絲斷裂強力在簾線軸向的分量減小，因此會造成簾線強度的下降[6]。在加捻過程中，芳綸原絲因為相互纏繞發生傾斜而縮短，這種變化稱為捻縮；這種結構上的變化能夠為簾線在拉伸過程中提供更多的形變量，提高了芳綸簾線的斷裂伸長率。因此在加捻步驟中，要兼顧簾線的斷裂強力與斷裂伸長率才能保證簾線具有更好的應用性能。

簾線斷裂強力保持率（η）的計算公式為：η＝（原絲斷裂強力-加捻后簾線的斷裂強力）/原絲斷裂強力×100%。

不同捻度的芳綸簾線強伸性能見表2。

表2 加捻后芳綸簾線強伸性能

從表2可以看出，在300～390 T·m-1捻度范圍內，芳綸簾線的斷裂強力和斷裂強力保持率均隨捻度的增大而降低，斷裂伸長率隨捻度的增大而提高。

芳綸簾線斷裂強力隨捻度增大而降低是由于加捻過程中產生的變形使芳綸單絲與簾線軸向產生一定的夾角，導致簾線在拉伸過程中產生垂直于拉伸方向的分力，變形越大、夾角越大，垂直于拉伸方向的分力也就越大，因此捻度的增大會造成簾線在軸向上的分力降低，導致簾線斷裂強力隨捻度的增大而下降。

斷裂伸長率隨捻度的增大而提高是因為在加捻過程中，兩股芳綸單絲相互纏繞形成螺旋狀結構，芳綸束絲也由加捻前的直線變為加捻后的曲線，這部分由加捻產生的變形使簾線在拉伸過程中可以獲得更大的形變，因此隨著捻度的增大，簾線的斷裂伸長率提高。

由表2還可以看出，捻度為330 T·m-1的芳綸簾線具有較好的綜合性能，因此使用此規格的芳綸簾線進行浸膠工藝研究。

2.3 浸膠工藝對芳綸簾線性能的影響

纖維在原絲生產中經高度拉伸使強度得到提高，但在捻線、織布和浸膠等后續工序中由于長期機械摩擦則會導致強力的下降，在浸膠過程中纖維在一定溫度和張力的作用下經拉伸、定型可以在一定程度上彌補強力的損失[8]。提高浸膠溫度能提高纖維的結晶度，有利于簾線模量的提高和熱收縮率的降低。浸膠過程中需要給纖維施加一定的張力以提高其結晶度，但張力過大會破壞纖維的結晶度。在浸膠工藝參數的選擇上要根據浸膠簾線的強伸性能、熱收縮性能、粘合性能等綜合平衡[9-10]。采用實驗室用簾線浸膠試驗機對捻度為330 T·m-1的芳綸簾線進行浸膠處理，研究浸膠張力和溫度對簾線性能的影響。

2.3.1 浸膠張力

設定了低張力和高張力兩組浸膠張力條件，浸膠張力對浸膠芳綸簾線性能的影響見表3。

表3 浸膠張力對浸膠芳綸簾線性能的影響

從表3可以看出，浸膠張力提高，浸膠芳綸簾線的強伸性能和粘合性能沒有明顯變化。其原因是芳綸纖維具有高結晶度和高取向度，其玻璃化溫度在300 ℃以上，在本試驗中設定的浸膠溫度下張力的變化對浸膠芳綸簾線的斷裂強力影響很小。

2.3.2 浸膠溫度

采用低、中、高3組浸膠溫度參數，浸膠溫度對浸膠芳綸簾線性能的影響見表4。

表4 浸膠溫度對浸膠芳綸簾線性能的影響

從表4可以看出：隨著浸膠溫度的升高，浸膠芳綸簾線的強伸性能沒有明顯變化，這也是由芳綸纖維自身的高結晶度、高取向度及耐高溫性能所決定的；浸膠芳綸簾線的粘合強度隨浸膠溫度的升高有小幅下降，這說明適當降低浸膠溫度更適合于1670dtex芳綸簾線。

在上述浸膠工藝條件下，浸膠芳綸簾線的強伸性能并沒有如同錦綸、聚酯等簾線在經過浸膠處理后有明顯改善，其拉伸強度幾乎不受浸膠張力和浸膠溫度變化的影響，這主要是由于芳綸纖維自身的強度高、耐熱性能好，因此其斷裂強力在一定范圍內受浸膠溫度和張力的影響很小。此外，對1670dtex/2芳綸簾線來說，適當降低浸膠溫度有利于浸漬液與芳綸表面的化學反應，得到更好的粘合效果。

由此得到1670dtex芳綸纖維的最佳加捻工藝及浸膠工藝見表5。

表5 1670dtex芳綸纖維最佳加工工藝

3 結論

在300～390 T·m-1捻度范圍內，1670dtex/2芳綸簾線的斷裂強力隨捻度的增大而降低，斷裂伸長率隨捻度的增大而提高；在一定范圍內浸膠張力和浸膠溫度的變化對1670dtex/2浸膠芳綸簾線強伸性能的影響較小；適當降低浸膠溫度可獲得較好的粘合性能。