劉可欣,張得昆

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展的階段,以資源、能源消耗性為主的工業(yè)發(fā)展迅速,然而,高耗能、高污染產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[1].因此,人們越來越關(guān)注于解決工業(yè)化生產(chǎn)所帶來的環(huán)境污染問題,而原料使用不僅是工業(yè)化生產(chǎn)中極其重要的一環(huán),也是導(dǎo)致工業(yè)化生產(chǎn)中環(huán)境污染的一個重要因素,所以通過選取新的產(chǎn)品原料成為了人們解決污染問題的新途徑.玄武巖纖維是一種新型的無機(jī)纖維,是用火山爆發(fā)形成的玄武巖礦石在1 450 ℃～1 500 ℃高溫熔融后,通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維[2].它作為一種新型無機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料,不僅強(qiáng)度高,而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐久性、彈性棤大，化學(xué)穩(wěn)定性好，可在600 ℃甚至更高溫度下使用等多種優(yōu)異性能[3-4],但目前玄武巖纖維及其制品的研制仍處于探索和小規(guī)模生產(chǎn)狀態(tài)[5].

玄武巖纖維具有的優(yōu)良特性,使其完全具備產(chǎn)業(yè)用紡織品開發(fā)的條件[6].但玄武巖纖維是脆性材料,纖維密度較大,耐磨性差,傳統(tǒng)織造性能不理想[7].楊莉等[8]研究了玄武巖纖維針刺氈對復(fù)合材料工藝及力學(xué)性能的影響.肖同亮等[9]研究了玄武巖纖維的改性方法.劉志軍[10]對玄武巖纖維進(jìn)行改性,改善了玄武巖在針刺成網(wǎng)過程中的諸多弊端,提高了針刺氈的綜合性能.王萍等[11]等利用水刺工藝替代針刺工藝開發(fā)玄武巖纖維過濾材料,討論了水刺壓強(qiáng)、輸網(wǎng)簾速度與水刺道數(shù)等工藝參數(shù)對水刺氈性能的影響.賈芳等[12]研究了改善玻璃纖維濕法氈的性能方法,擴(kuò)展了濕法加工技術(shù)的運用范圍.而利用非織造濕法技術(shù)開發(fā)玄武巖濕法氈的研究報道卻寥寥無幾.因此本文利用濕法成網(wǎng)技術(shù)研究玄武巖纖維濕法氈,分析在選擇相同實驗助劑的條件下,玄武巖纖維的不同質(zhì)量梯度對懸浮液中纖維分散效果以及不同的烘干溫度和烘干時間對濕法氈性能的影響,并得出優(yōu)化工藝.

1 實 驗

1.1 材料、試劑及儀器

1.1.1 材料 玄武巖纖維(長度51 mm,直徑12 μm，浙江石金玄武巖纖維股份有限公司).

1.1.2 試劑 分散劑(聚氧化乙烯,分子量為200×104,質(zhì)量濃度1.25%,30 mL)；粘合劑(聚乙烯醇,質(zhì)量濃度2%,10 mL)；增稠劑(羥甲基纖維素,質(zhì)量濃度1%,30 mL).

1.1.3 儀器 濕法纖網(wǎng)快速成型儀(902201型，德國HG公司)；烘箱(202-3A型，中國萊州市電子儀器有限公司).

1.2 方法

玄武巖纖維在水中的分散效果直接影響到濕法氈的物理性能,為了得到理想的濕法氈,先對玄武巖纖維進(jìn)行簡單的開松梳理,再對纖維進(jìn)行酸處理,最后利用濕法成網(wǎng)設(shè)備和烘箱制備玄武巖纖維濕法氈.

1.2.1 玄武巖纖維預(yù)處理 玄武巖纖維的主要成分是SiO2和一系列金屬氧化物,表面十分光滑,整體呈化學(xué)惰性,玄武巖纖維在懸浮液中的分散和聚合物基體間的黏合效果很差,因此要對玄武巖纖維進(jìn)行表面改性處理[13].酸堿刻蝕法是一種常見的纖維表面改性方法,將纖維泡在酸堿液中使纖維表面產(chǎn)生溝槽或凹陷,增加纖維的比表面積[14],以達(dá)到提高纖維表面活性基團(tuán)含量和纖維在懸浮液中分散效果的目的.

首先使用小型梳毛機(jī)對玄武巖纖維進(jìn)行開松梳理,然后將濃鹽酸稀釋到pH值2～3左右,再將開松梳理好的玄武巖纖維放入鹽酸中,常溫下密封浸泡12 h.隨后再從鹽酸中取出,用清水沖洗3～5次后再放到烘箱中，在140 ℃條件下烘干后取出備用.

1.2.2 玄武巖纖維懸浮液的制備 濕法成網(wǎng)技術(shù)中最為關(guān)鍵的一步就是纖維懸浮液的制備,針對不同類型纖維會有不同工藝參數(shù),因此決定懸浮液纖維分散效果的因素有很多.對于玄武巖纖維懸浮液來說,纖維投放的質(zhì)量就是一個很重要的影響因素.

在制備纖維懸浮液時,預(yù)先在1 000 mL的水中加入分散劑、增稠劑、稀鹽酸等實驗助劑,將纖維按照5 mm的長度規(guī)格剪斷,將不同質(zhì)量的纖維分別加入配好的溶液中,質(zhì)量梯度為1.00 g,1.50 g,2.00 g,2.50 g,3.00 g,3.50g,4.00 g,4.50 g,制得的產(chǎn)品相應(yīng)編號依次為1,2,3,4,5,6,7,8.分別就纖維酸處理和未經(jīng)酸處理設(shè)置對照組.從表1可以看出,在不同纖維質(zhì)量梯度下懸浮液的纖維分散效果不同.通過對比,當(dāng)纖維質(zhì)量梯度在3～3.5 g時,懸浮液的纖維分散均勻,纖維密度合適,效果最好.同時通過數(shù)據(jù)對比分析可知,經(jīng)過酸處理后的纖維懸浮液分散效果要明顯優(yōu)于未經(jīng)過酸處理的纖維懸浮液分散效果.

表 1 不同纖維質(zhì)量梯度下纖維懸浮液分散效果

1.2.3 玄武巖纖維濕法氈的制備 使用濕法成型工藝設(shè)備制備纖維網(wǎng),經(jīng)過攪拌、沉降、濾水和抽真空等流程,然后對所形成的纖維網(wǎng)進(jìn)行黏合,最后在不同的設(shè)定溫度下進(jìn)行烘干成型,烘干條件設(shè)計方案見表2.

表 2 實驗方案

1.3 相關(guān)性能測試

1.3.1 面密度測定 根據(jù)GB/T24218.1—2009《紡織品 非織造布實驗方法第一部分:單位面積質(zhì)量的測定》進(jìn)行測試.由于設(shè)備生產(chǎn)試樣大小限制,實驗制備的樣品均為直徑200 mm的圓形樣品,每組實驗選取10塊試樣,經(jīng)調(diào)濕后利用電子天平對試樣進(jìn)行質(zhì)量測試,求得每個試樣的面密度,然后計算10塊試樣的平均面密度.

1.3.2 力學(xué)性能測試 參考GB/T24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法第三部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》標(biāo)準(zhǔn),在YG(B)026N500型電子織物強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行測試.設(shè)置強(qiáng)力機(jī)的夾持距離為100 mm,試樣大小為50 mm×190 mm.每組實驗各測10塊試樣,然后計算試樣的測試數(shù)據(jù)平均值.

1.3.3 透氣性測試 根據(jù)GB/T5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置壓強(qiáng)為200 Pa,用YG461L型數(shù)字織物透氣量儀對試樣進(jìn)行透氣性能的測試. 每組實驗各取試樣10塊,每個試樣隨機(jī)選5個部位進(jìn)行測試,最后計算出試樣的平均透氣率．

2 結(jié)果與討論

2.1 不同面密度下濕法氈的外觀表征

玄武巖纖維濕法薄氈表面較為平整,彈性較小,具有一定的硬度.在光線充足的條件下,觀察到產(chǎn)品表面為褐色,有些似金色,與纖維原料的色澤區(qū)別較小.纖維分布比較均勻,有極少的纖維長絲存在,且有少數(shù)纖維脫落跡象,紋路呈不規(guī)則分布.

不同質(zhì)量梯度下的產(chǎn)品面密度如圖1所示,在成網(wǎng)過程中的排水、濾水等過程會造成的纖維損失,所以實際產(chǎn)品面密度會比理想設(shè)計的略低.酸處理后的纖維產(chǎn)品面密度會隨著纖維質(zhì)量的增加而增加,并且在等梯度纖維質(zhì)量變化下,產(chǎn)品面密度且呈線性增加趨勢.相比較于未經(jīng)過纖維酸處理的產(chǎn)品,纖維酸處理后的產(chǎn)品面密度會比較低.因為纖維經(jīng)過酸處理后,纖維懸浮液的纖維分散效果更優(yōu)異,從成型網(wǎng)的孔隙中漏走的纖維量更多且容易滯留在成型桶壁上,導(dǎo)致產(chǎn)品的面密度較小,但產(chǎn)品表面纖維分散均勻,無纖維塊凸起現(xiàn)象,厚度較薄且均勻.

2.2 不同面密度濕法氈的力學(xué)性能

圖2為經(jīng)過酸處理濕法氈和未經(jīng)過酸處理濕法氈的平均斷裂強(qiáng)力對比圖.可以看出,同等質(zhì)量同等長度條件下未經(jīng)過表面酸處理的纖維制作出的產(chǎn)品比表面酸處理過的纖維制作出的產(chǎn)品的斷裂強(qiáng)力要小.

當(dāng)纖維質(zhì)量小于3.5 g時,斷裂強(qiáng)力會隨著產(chǎn)品面密度的增加而增大,但超過這個數(shù)值后,斷裂強(qiáng)力反而開始下降.因為隨著產(chǎn)品面密度的增加,厚度也會隨之增大,平均斷裂強(qiáng)力會增加.當(dāng)纖維處于3 g～3.5 g時,纖維懸浮液的分散效果最好,濕法氈的纖維纏結(jié)均勻且斷裂強(qiáng)力達(dá)到最大值.而用3.50 g及以上纖維制備出的產(chǎn)品在成網(wǎng)時纖維極易出現(xiàn)成塊纏結(jié)現(xiàn)象,纖維分散不均勻,造成制備的樣品均勻性變差,在纖維大量堆積的部分粘合劑無法完全滲透到纖維內(nèi)部,只能粘結(jié)于表面,從而導(dǎo)致產(chǎn)品強(qiáng)力下降.

圖 1 不同纖維質(zhì)量梯度下的濕法氈面密度 圖 2 不同纖維質(zhì)量梯度下的濕法氈?jǐn)嗔褟?qiáng)力 Fig.1 Areal density of wet-laid felt with different fiber quality gradients Fig.2 Breaking strength of wet-laid felt with different fiber quality gradients

圖 3 不同纖維質(zhì)量梯度下的濕法氈平均透氣率Fig.3 Mean permeability of wet-laid felt with different fiber quality gradients

2.3 不同面密度濕法氈的透氣性能

不同纖維質(zhì)量梯度下濕法氈的平均透氣率如圖3所示.可以看出,相比較于纖維酸處理過的濕法氈,未經(jīng)過纖維酸處理的濕法氈透氣性能要差一些,這是因為酸處理后的纖維懸浮液分散效果要優(yōu)于未經(jīng)酸處理的纖維懸浮液,纖維成網(wǎng)時分布更均勻,纖維間的孔隙也更加均勻,提高了濕法氈的透氣性.不管纖維是否經(jīng)過酸處理,玄武巖濕法氈的透氣性能都是十分突出的.當(dāng)纖維質(zhì)量為4.5 g時,濕法氈的透氣性能最低,為1 100 mm/s；隨著纖維質(zhì)量的減小,濕法氈的纖維密度會下降,纖維之間的纏結(jié)也會相對減少,纖維間的孔隙會增大；從而透氣率隨之增大,當(dāng)纖維質(zhì)量為1 g時,濕法氈的透氣性能達(dá)到最大,平均透氣率高達(dá)2 350 mm/s；當(dāng)纖維質(zhì)量超過3.5 g時,纖維懸浮液的分散系統(tǒng)趨近于飽和狀態(tài),所以濕法氈的透氣率趨于平穩(wěn),變化較小.

2.4 同等纖維質(zhì)量下濕法氈在不同烘干條件下性能表征

玄武巖纖維濕法成網(wǎng)后最重要的一步是烘干,而烘干溫度和時間決定了濕法氈的性能.通過對不同纖維質(zhì)量下纖維懸浮液分散情況的對比,本文選取質(zhì)量為3 g的經(jīng)過酸處理纖維而制成的玄武巖濕法網(wǎng),設(shè)計實驗方案，見表3.

表 3 實驗結(jié)果

根據(jù)對試樣的觀察可以發(fā)現(xiàn),在相同烘干溫度下,隨著烘干時間的延長,試樣的外觀表征發(fā)生變化,手感會隨之變硬,且表面的纖維掉落情況也有所改善,這是因為烘干時間的延長會改變粘合劑的粘合狀況;從表3，4可以看出烘干時間的變化對試樣透氣性能并無明顯影響,而隨著烘干時間的增加,它的平均斷裂強(qiáng)力也隨之有所增加,烘干時間越長,粘合劑粘合效果越好.從實驗結(jié)果看，在相同的烘干溫度下,烘干時間在3 h時試樣的性能表征最好.

表 4 實驗結(jié)果分析

當(dāng)烘干時間一定時,烘干溫度越高,試樣的手感會越硬,表面纖維掉落情況會越少.但當(dāng)烘干溫度為120 ℃時,試樣的手感過于干硬,且有明顯黏合劑痕跡;同時，溫度的增加對透氣性能沒有明顯影響,而拉伸性能會隨著溫度的增加略有提高.從表4中可以看出,烘干溫度和烘干時間對試樣的性能都有影響.對于透氣性而言,烘干溫度對透氣性的影響要大于烘干時間對透氣性的影響,當(dāng)烘干溫度為90 ℃,烘干時間為2 h時,透氣性達(dá)到最大.對于拉伸強(qiáng)力來說,烘干溫度對其的影響要略大一些,當(dāng)烘干時間為3 h,烘干溫度為120 ℃時,其拉伸強(qiáng)力最大.結(jié)合拉伸強(qiáng)力和透氣性測試數(shù)據(jù)與實際低消耗、低耗時條件下生產(chǎn)情況分析,選擇烘干溫度90 ℃,烘干時間1 h為最優(yōu)烘干條件.

3 結(jié) 論

(1) 酸處理后的玄武巖纖維懸浮液分散效果要優(yōu)于未經(jīng)酸處理過的纖維懸浮液.當(dāng)懸浮液中纖維質(zhì)量在3～3.5 g時,纖維的分散效果最好.玄武巖濕法氈的拉伸性能也最好,斷裂強(qiáng)力為145.2 N,透氣性能較好,透氣率為1 240 mm/s.

(2) 選取經(jīng)過酸處理纖維質(zhì)量為3 g的纖維懸浮液制備出濕法氈.在綜合考慮樣品強(qiáng)力、透氣性能、能耗、耗時等情況下,確定最佳烘干條件為烘干時間1 h,烘干溫度90 ℃,在此條件下,濕法氈?jǐn)嗔褟?qiáng)力為133.6 N,透氣率為1 294 mm/s.

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