潘金峰,肖長發(fā),2,閆靜靜,封 嚴,朱正濤
(1.天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院,天津 300387;2.天津工業(yè)大學 分離膜與膜過程省部共建國家重點實驗室,天津 300387)
隨著科學技術的進步與發(fā)展,產(chǎn)業(yè)用紡織品在高新技術領域的應用引起廣泛關注。人們對其性能要求也越來越高,尤其是在一些苛刻條件下的應用,如酸堿環(huán)境或長期處于戶外等,這對紡織品的耐酸堿及耐老化性能等都是一個重大考驗。聚全氟乙丙烯(FEP)是四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)的共聚物,HFP的質量分數(shù)約為18%,是聚四氟乙烯(PTFE)的一種改性材料,具有良好的力學性能、優(yōu)異的耐化學穩(wěn)定性(耐酸堿、有機溶劑)、耐高溫、低摩擦、疏水、耐老化性能等,在具有與PTFE相似性能的同時,克服了其難熔融加工的缺點,具備良好的可熱塑加工性能,利于回收,有一定環(huán)保性[1-2]。故FEP纖維織物可用于高溫粉塵濾袋、耐強酸堿及有機腐蝕性氣體或液體的織物過濾材料、工業(yè)或特殊用布等。
FEP纖維織物的相關研究報道目前很少:姜兆輝等[3-4]研究了FEP纖維的基本性能;劉海輝等[5]對FEP纖維紡絲工藝及不同拉伸倍數(shù)后的性能進行了分析。部分專利敘述了FEP纖維及其濾網(wǎng)的制備方法:楊彥昊等[6]通過熔融紡絲法制備出FEP纖維,還提出FEP纖維編織的氣液過濾網(wǎng)可用于氣液分離裝置;鐘校[7]將FEP長絲經(jīng)織機編織成織物后經(jīng)浸漬、定型工藝制備出濾網(wǎng)成品,但對FEP纖維織物的制備及其性能未做深入研究。本文以實驗室自制FEP纖維為原料,通過紡紗、織造工藝制備平紋機織物,并對織物的性能進行表征與分析。
儀器:DSTw-01型數(shù)字式小樣并捻聯(lián)合機、半自動織樣機,天津市嘉城機電設備有限公司;YG(B)461D-I型數(shù)字式織物透氣量儀,常州第一紡織設備有限公司;KRüSS-DSA100型動態(tài)接觸角測定儀,德國Krussa公司;YG(B)216-II型織物透濕量儀、YG(B)522型織物耐磨儀,溫州大榮紡織儀器有限公司;JBDL-200 N型電子拉力試驗機,揚州精博實驗機械有限公司;UV-TEST型紫外冷凝老化試驗箱,云譜儀器(上海)有限公司;DSC2003F3型差式掃描量熱分析儀,德國NETZSCH公司;D8DISCOVER型X射線衍射儀(XRD),德國BRUKER公司;Nicolet iS50型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR),賽默飛世爾科技公司。
材料:聚全四氟乙丙烯 (FEP)纖維,實驗室自制;濃硫酸(H2SO4,質量分數(shù)為98%)、氫氧化鈉(NaOH),分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司;十氫萘,分析純,山東西亞化學工業(yè)有限公司。
1.2.1紡紗工藝
選用線密度為70 tex、斷裂強度為0.71 cN/dtex的FEP纖維加捻。設計捻度為20 捻/(10 cm),出條速度為10 m/min,Z捻。加捻所得紗線線密度為71 tex。
對加捻后的FEP紗線進行合股,設計捻度為 20捻/(10 cm),出條速度為10 m/min,S捻;選取鋼絲圈為240 mg。合股所得紗線線密度為128 tex,作為經(jīng)緯紗來織造織物。
1.2.2組織結構設計
在滿足使用強度條件下,織物組織結構和織造工藝要簡單方便,利于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。同時為減少因斷頭和開口不清產(chǎn)生的織疵,本文采用飛穿法穿綜,由于紗線較細,穿筘時選擇每筘2入。圖1為FEP纖維織物上機圖。
圖1 FEP纖維織物上機圖Fig.1 Looming draft of FEP fiber fabric
1.2.3織造參數(shù)
織物織造過程中,可根據(jù)所用紗線粗細、織物組織結構、性能要求以及產(chǎn)品用途等來設計經(jīng)緯密度,通過幅寬來確定整經(jīng)根數(shù)。本文織造FEP纖維織物時設定經(jīng)密為180 根/(10 cm),采用分條整經(jīng),筘號90#,綜片頁數(shù)為4。考慮到織物織造時會發(fā)生經(jīng)縮,因此,實際整經(jīng)根數(shù)為486,最后所得織物幅寬為250 mm,厚度為0.51 mm。
1.3.1織物透氣與透濕性能測試
采用織物透氣量儀,參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》測試織物的透氣性能。實驗面積為20 cm2,壓差為200 Pa,經(jīng)校準選用5號噴嘴。
參照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分:蒸發(fā)法》用織物透濕量儀測試織物透濕性能。實驗箱環(huán)境溫度為(38±2) ℃,相對濕度為(50±2)%,氣體流速為0.3~0.5 m/s。實驗組為封有FEP織物的組合體織物透濕率,由下式計算得出。
(1)
式中:WWVT為透濕率,g/(m2·24 h);Δm為實驗組實驗前后2次質量之差,g;Δm0為對照組實驗前后2次質量之差,g;本文實驗無對照組,Δm0的值為0;A為有效實驗面積,本實驗裝置為0.002 83 m2;t為實驗時間,h。
1.3.2織物力學性能測試
參考GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能》,采用電子拉力試驗機測試織物的經(jīng)、緯向拉伸斷裂性能。試樣尺寸為10 mm×150 mm,夾鉗隔距為100 mm,拉伸速度為100 mm/min,預加張力為5 N。
參照GB/T 3917.2—2009《紡織品 織物撕破性能》,用單縫褲型試樣法測試織物的經(jīng)、緯向撕破性能。褲型試樣尺寸為50 mm×200 mm,從寬度方向正中切100 mm平行于長度方向的裂口,在試樣中間距末切割端25 mm處標出撕裂終點;測試時兩夾鉗分別夾住2條褲腿,使切割線與夾具中心線對齊;夾鉗隔距為100 mm;拉伸速度為100 mm/min。
裁剪3塊圓環(huán)型試樣,外圓直徑為125 mm,內圓直徑為10 mm,分別稱取其質量并記錄,將試樣放入織物耐磨儀中試驗后再次稱取其質量。在轉速為60 r/min時磨損200次。根據(jù)下式計算織物的單位面積質量損失W,g/cm2和耐磨指數(shù)A,次/g。
(2)
(3)
1.3.3織物熱性能測試
裁剪尺寸為10 cm×10 cm的試樣若干,在恒溫恒濕環(huán)境中(溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(65±3)%)調濕24 h,分別放入到設定溫度為50、100、150、200 ℃的烘箱內處理1 h取出,測其經(jīng)、緯向長度;再將調濕后的試樣分別放入到設定溫度為100、150、200 ℃的烘箱內處理2、3、4、5 h后取出,測其經(jīng)、緯向長度。根據(jù)下式計算織物熱收縮率:
(4)
式中:L0為實驗前長度,cm;L1為實驗后長度,cm。
1.3.4織物耐化學試劑性能測試
裁剪3塊尺寸為200 mm×200 mm的試樣,分別浸漬到常溫下盛有質量分數(shù)為98%H2SO4、質量分數(shù)為10%NaOH及十氫萘的燒杯中,24 h后取出試樣,用去離子水洗滌,除盡織物上的化學試劑,在常溫下自然晾干。通過對處理前后試樣熱分析及結晶結構、化學結構、拉伸性能分析來表征織物的耐化學試劑性能。
熱分析:采用差式掃描量熱分析儀對試樣進行測試分析,實驗溫度從室溫升至300 ℃,升溫速度為 10 ℃/min,氮氣保護。
結晶結構:采用X射線衍射儀對試樣進行測試,采用Cu-Kα輻射源,波長λ為0.154 18 nm,掃描步長為0.05°,掃描范圍2θ為5°~40°。利用Peak-fit軟件對試樣晶面衍射峰半高寬進行分析,再通過謝樂公式計算晶粒尺寸[8]。
式中:L為晶粒尺寸,nm;k為Scherrer形狀因子,其值為0.89;λ為X射線波長,nm;B為晶面衍射峰半高寬,rad。
化學結構:采用傅里葉紅外光譜儀對試樣進行測試。掃描范圍為4 000~400 cm-1。
1.3.5織物耐老化性能
參考AATCC 186—2009《紡織品的耐氣候性:紫外光和濕態(tài)暴曬》和ISO 1419—1995《橡膠或塑料涂層織物 加速老化實驗》,采用紫外冷凝老化試驗箱測試織物耐老化性能。裁剪2塊尺寸為200 mm×200 mm的試樣,經(jīng)過老化實驗的FEP纖維織物為實驗組,未經(jīng)處理的為對照組。試樣連續(xù)輻照暴露,試驗箱黑板設定溫度為40 ℃,每個紫外燈管的紫外輻照度為1.40 W/m2(實驗箱含有4個同等規(guī)格的紫外燈管),實驗時間為168 h(7 d),通過測試拉伸性能表征織物耐老化性能。
對織物透氣性最主要的影響因素是孔徑分布、大小以及數(shù)量。從另一角度分析,透氣量主要取決于紗線直徑、密度和厚度[9]。通過測試,F(xiàn)EP纖維織物透氣率為791.21 mm/s,本文所織造織物相對較厚且孔徑較小,但FEP纖維制備的紗線摩擦系數(shù)小,表面光滑無毛羽,故氣流通過織物孔隙時幾乎不受阻力,因此,最后所得織物透氣率也相對較大。
對于光滑平面來說,僅使用接觸角可以說明其表面親疏水性能。圖2為FEP紗線的接觸角示意圖??芍現(xiàn)EP紗線的接觸角為115.8°,具有疏水性[10],間接表征FEP織物具有一定拒水特性。通過計算,F(xiàn)EP織物透濕率為2 429.68 g/(m2·24 h)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為:一方面織物織造時工藝的選擇以及打緯時較緊使得孔徑較小,故單位時間內通過織物的水蒸氣較少;另一方面,親水性纖維具有較高表面能,因此,比疏水性纖維更易吸收水分。相反,疏水性纖維具有較低表面能,排斥水分。而FEP紗線與水的接觸角為115.8°,當接觸角大于90°時,織物具有拒水特征,而且織物組織結構越緊密,經(jīng)緯密越大,織物孔隙越小,拒水效果越明顯,當水蒸氣從織物一面擴散到另一面時所受阻力也較大。由于機織物本身具有一定孔隙,使其有一定透濕率,但數(shù)值相對較小。
圖2 FEP紗線的接觸角Fig.2 Water contact angles of FEP yarn
圖3示出FEP纖維織物的拉伸性能??芍嚎椢锝?jīng)向所能承受的最大載荷為149.7 N,斷裂伸長率為37.7%,斷裂強度為29.4 MPa;緯向所能承受的最大載荷為125.2 N,斷裂伸長率為25.9%,斷裂強度為24.5 MPa,表現(xiàn)出良好的力學性能,且經(jīng)向強度高于緯向。主要是打緯時力度不足和用力不均,導致織物緯密偏小且不均勻,使得緯向力學性能低于經(jīng)向。
圖3 FEP纖維織物的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of FEP fiber fabrics
通過對織物撕破性能測試可知,F(xiàn)EP纖維織物經(jīng)、緯向撕破強力分別為71.05、88.44 N,緯向大于經(jīng)向。影響織物撕破強力的主要因素為紗線的斷裂強力和斷裂伸長率,且與紗線的力學性能成正相關,F(xiàn)EP紗線斷裂強力為10.11 N,斷裂強度為0.79 cN/dtex,斷裂伸長率為20.5%。采用單縫法測試織物撕裂性能時,紗線逐根發(fā)生斷裂,且牽伸力的方向與斷裂紗線的原軸向垂直[11]。由于FEP紗線有良好斷裂強力和斷裂伸長率,故織物撕裂強力也較大。本文所織造織物緯密小于經(jīng)密且打緯時力度不足,所以沿著緯向的撕破強力大于經(jīng)向。
通過對織物耐磨性能試與分析可知,F(xiàn)EP纖維織物的單位面積質量損失為5×10-5g/cm2、耐磨指數(shù)為 2×105次/g,表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。其原因是含氟纖維織造的織物表面光滑無毛羽,摩擦因數(shù)極小[12],故織物與砂輪接觸時,損耗較少,質量幾乎不變。此外,F(xiàn)EP纖維本身也具有較好的耐磨性能和力學強度,對織物的耐磨性能起到增強作用。
FEP纖維織物熱收縮率隨溫度變化曲線如圖4所示??芍椢锝?jīng)、緯向熱收縮率都隨溫度升高而增大。當溫度相同時,經(jīng)向熱收縮率大于緯向,其主要原因是織物在織造過程中,與緯紗相比,經(jīng)紗一直受到牽伸力的作用,儲存了部分內應力;自然狀態(tài)下織物會發(fā)生微小收縮來釋放部分內應力,另一方面,在熱收縮實驗過程中,高溫會促使經(jīng)、緯紗中內應力全部釋放[13],因此,經(jīng)向熱收縮率大于緯向。實驗時在溫度為200 ℃條件下處理1 h,織物經(jīng)向熱收縮率為23%,緯向熱收縮率為16%,考慮到內應力對織物熱收縮性能的影響,在熔融紡絲法制備FEP纖維時,通過調整牽伸輥速度比,F(xiàn)EP纖維的內應力部分釋放,使織物熱收縮性能得到一定程度改善,提高尺寸穩(wěn)定性。
圖4 FEP織物熱收縮率隨溫度變化曲線Fig.4 Thermal shrinkage curve of FEP fiber fabric with temperature
FEP纖維織物熱收縮率隨時間變化曲線如圖5所示。可知當處理時間超過一定數(shù)值后,織物經(jīng)、緯向熱收縮率不再發(fā)生變化,表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性能以及尺寸穩(wěn)定性,可將織物應用到高溫條件下長時間工作的領域,其性能滿足使用要求。
圖5 不同溫度下FEP纖維織物熱收縮率隨時間變化曲線Fig.5 Thermal shrinkage curve of FEP fiber fabric under different temperature with time.(a) Warp direction; (b) Weft direction
不同化學試劑處理后FEP纖維織物的熱分析曲線如圖6所示。可知曲線在250~280 ℃范圍內有一顯著吸收峰,是高聚物由黏流態(tài)向高彈態(tài)的轉變,其峰值為熔點(Tm),可知不同化學試劑處理前后試樣的熔融溫度幾乎沒有差異,都在265 ℃左右。
圖6 不同化學試劑處理后FEP纖維織物的熱分析曲線Fig.6 DSC curves of FEP fiber fabrics treated with different chemical reagents
表1示出試樣熔融溫度和相對結晶度。可知,不同化學試劑處理前后織物的熔點和相對結晶度均發(fā)生了微小變化,這可能是由于微量化學試劑滲透到FEP纖維結晶區(qū),破壞了大分子的有序結構,極少部分結晶區(qū)轉化為非結晶區(qū),因此,試樣結晶度有較小程度的下降,但經(jīng)化學試劑處理后,試樣的整體結晶結構并未被破壞,表現(xiàn)出優(yōu)異的耐化學試劑性能。
圖7示出不同化學試劑處理后FEP織物的X射線衍射圖??芍?,各曲線的強衍射峰幾乎在同一位置(2θ=18°)出現(xiàn),對應于FEP的(100)晶面,處理后的試樣對應的該衍射峰強度有一定程度減弱,但衍射峰的位置說明試樣經(jīng)化學試劑處理后并未改變結晶晶型,表明織物具有優(yōu)異的耐化學試劑性能。
表1 不同化學試劑處理后FEP纖維織物的熔融溫度和相對結晶度Tab.1 Melting temperature and relative crystallinity of FEP fabrics treated by different chemical reagents
注:ΔH為熔融焓,F(xiàn)EP標準熔融焓ΔHc=87.9 J/g[14];Xc為結晶度。
圖7 不同化學試劑處理后FEP纖維織物的X射線衍射圖Fig.7 XRD patterns of FEP fabrics treated with different chemical reagents
表2示出試樣的晶體結構參數(shù)。結果表明,經(jīng)化學試劑處理后試樣晶粒尺寸有微小程度的減小,可能是極少量的化學試劑滲透到纖維結晶區(qū)造成的。與衍射峰強度減弱和DSC分析結論一致。
表2 試樣的晶體結構參數(shù)Tab.2 Crystal structure parameters of sample
圖8為不同化學試劑處理后FEP纖維織物的紅外光譜圖??芍?,1 146.4、1 203.8 cm-1處的特征峰較強,主要是—CF2反對稱和對稱伸縮振動引起的,980 cm-1處出現(xiàn)的是—CF3特征峰,而 1 146 cm-1附近的特征峰對應于FEP的無定型結構[5],F(xiàn)EP由TFE和HFP共聚而成,且HFP所占比例低于TFE,故—CF2的特征峰值高于—CF3。通過比較各特征峰的位置,表明FEP的化學鍵及其基團結構并沒有被化學試劑破壞,主要是由于C—F鍵具有較高鍵能,特別是當1個碳原子上連接2個氟原子時,鍵長縮短,鍵能增大,表現(xiàn)出織物優(yōu)異的耐化學試劑性能。
圖8 不同化學試劑處理后FEP纖維織物的紅外光譜圖Fig.8 FT-IR spectra of FEP fabrics treated with different chemical reagents
不同化學試劑處理后FEP纖維織物的拉伸性能如圖9所示??芍?,織物經(jīng)酸堿、有機溶劑處理,其經(jīng)、緯向斷裂強度和斷裂伸長率均未發(fā)生明顯變化,表現(xiàn)出優(yōu)異的耐化學試劑性能。
圖9 不同化學試劑處理后FEP纖維織物的拉伸性能Fig.9 Tensile properties of FEP fiber fabrics treated with different chemical reagents.(a) Warp direction; (b) Weft direction
綜上所述,經(jīng)過對FEP纖維織物微觀與宏觀角度的性能測試與分析,其與市場現(xiàn)存大多數(shù)化纖織物相比,具有優(yōu)異的耐化學試劑性能,能夠滿足在酸堿及有機溶劑條件下使用的要求。
經(jīng)過老化實驗與未經(jīng)處理的FEP纖維織物的拉伸性能如圖10所示??芍椢锝?jīng)紫外光輻照 7 d,其經(jīng)、緯向斷裂強度和斷裂伸長率均未發(fā)生明顯變化,表現(xiàn)出優(yōu)異的耐老化性能。
圖10 經(jīng)過老化實驗與未經(jīng)處理的FEP纖維織物的拉伸性能Fig.10 Tensile properties between aged and untreated FEP fiber fabrics.(a) Warp direction; (b) Weft direction
1)利用實驗室自制的聚全氟乙丙烯(FEP)纖維,經(jīng)加捻、合股工藝制備出FEP紗線,通過半自動織機織造出幅寬為250 mm、厚度為0.51 mm的FEP平紋織物。
2)FEP紗線的力學性能較好,其斷裂強度為0.79 cN/dtex,斷裂伸長率為20.5%。其接觸角為115.8°,具有一定疏水性,使得FEP纖維織物具有拒水特性。
3)FEP纖維織物在50 ℃條件下不發(fā)生收縮,200 ℃條件下織物經(jīng)、緯向熱收縮率分別為23%、16%,隨著處理時間的增加,織物熱收縮率變化較小,一段時間后不再變化,表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性能和尺寸穩(wěn)定性。
4)FEP纖維織物經(jīng)、緯向斷裂強度分別為29.4、24.5 MPa,撕破強力分別為71.05、88.44 N,體現(xiàn)出良好力學性能。此外,織物還具有良好的透氣性及優(yōu)異的耐磨性能。
5)經(jīng)H2SO4、NaOH及十氫萘處理,從微觀角度分析,F(xiàn)EP纖維織物的熱性能、結晶結構及化學結構均未發(fā)生明顯變化;從宏觀角度分析,織物力學性能也未發(fā)生明顯變化,綜合可知該織物具有優(yōu)異的耐化學試劑性能。經(jīng)紫外光輻照7 d,織物力學性能未發(fā)生明顯變化,體現(xiàn)出優(yōu)異的耐老化性能。這些優(yōu)異性能使得FEP纖維織物可應用于特殊領域的產(chǎn)業(yè)用紡織品。
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