刘可欣,张得昆

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着我国经济进入高速发展的阶段,以资源、能源消耗性为主的工业发展迅速,然而,高耗能、高污染产业的发展带来了严重的环境污染问题[1].因此,人们越来越关注于解决工业化生产所带来的环境污染问题,而原料使用不仅是工业化生产中极其重要的一环,也是导致工业化生产中环境污染的一个重要因素,所以通过选取新的产品原料成为了人们解决污染问题的新途径.玄武岩纤维是一种新型的无机纤维,是用火山爆发形成的玄武岩矿石在1 450 ℃～1 500 ℃高温熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维[2].它作为一种新型无机环保绿色高性能纤维材料,不仅强度高,而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐久性、弹性棤大，化学稳定性好，可在600 ℃甚至更高温度下使用等多种优异性能[3-4],但目前玄武岩纤维及其制品的研制仍处于探索和小规模生产状态[5].

玄武岩纤维具有的优良特性,使其完全具备产业用纺织品开发的条件[6].但玄武岩纤维是脆性材料,纤维密度较大,耐磨性差,传统织造性能不理想[7].杨莉等[8]研究了玄武岩纤维针刺毡对复合材料工艺及力学性能的影响.肖同亮等[9]研究了玄武岩纤维的改性方法.刘志军[10]对玄武岩纤维进行改性,改善了玄武岩在针刺成网过程中的诸多弊端,提高了针刺毡的综合性能.王萍等[11]等利用水刺工艺替代针刺工艺开发玄武岩纤维过滤材料,讨论了水刺压强、输网帘速度与水刺道数等工艺参数对水刺毡性能的影响.贾芳等[12]研究了改善玻璃纤维湿法毡的性能方法,扩展了湿法加工技术的运用范围.而利用非织造湿法技术开发玄武岩湿法毡的研究报道却寥寥无几.因此本文利用湿法成网技术研究玄武岩纤维湿法毡,分析在选择相同实验助剂的条件下,玄武岩纤维的不同质量梯度对悬浮液中纤维分散效果以及不同的烘干温度和烘干时间对湿法毡性能的影响,并得出优化工艺.

1 实 验

1.1 材料、试剂及仪器

1.1.1 材料 玄武岩纤维(长度51 mm,直径12 μm，浙江石金玄武岩纤维股份有限公司).

1.1.2 试剂 分散剂(聚氧化乙烯,分子量为200×104,质量浓度1.25%,30 mL)；粘合剂(聚乙烯醇,质量浓度2%,10 mL)；增稠剂(羟甲基纤维素,质量浓度1%,30 mL).

1.1.3 仪器 湿法纤网快速成型仪(902201型，德国HG公司)；烘箱(202-3A型，中国莱州市电子仪器有限公司).

1.2 方法

玄武岩纤维在水中的分散效果直接影响到湿法毡的物理性能,为了得到理想的湿法毡,先对玄武岩纤维进行简单的开松梳理,再对纤维进行酸处理,最后利用湿法成网设备和烘箱制备玄武岩纤维湿法毡.

1.2.1 玄武岩纤维预处理 玄武岩纤维的主要成分是SiO2和一系列金属氧化物,表面十分光滑,整体呈化学惰性,玄武岩纤维在悬浮液中的分散和聚合物基体间的黏合效果很差,因此要对玄武岩纤维进行表面改性处理[13].酸碱刻蚀法是一种常见的纤维表面改性方法,将纤维泡在酸碱液中使纤维表面产生沟槽或凹陷,增加纤维的比表面积[14],以达到提高纤维表面活性基团含量和纤维在悬浮液中分散效果的目的.

首先使用小型梳毛机对玄武岩纤维进行开松梳理,然后将浓盐酸稀释到pH值2～3左右,再将开松梳理好的玄武岩纤维放入盐酸中,常温下密封浸泡12 h.随后再从盐酸中取出,用清水冲洗3～5次后再放到烘箱中，在140 ℃条件下烘干后取出备用.

1.2.2 玄武岩纤维悬浮液的制备 湿法成网技术中最为关键的一步就是纤维悬浮液的制备,针对不同类型纤维会有不同工艺参数,因此决定悬浮液纤维分散效果的因素有很多.对于玄武岩纤维悬浮液来说,纤维投放的质量就是一个很重要的影响因素.

在制备纤维悬浮液时,预先在1 000 mL的水中加入分散剂、增稠剂、稀盐酸等实验助剂,将纤维按照5 mm的长度规格剪断,将不同质量的纤维分别加入配好的溶液中,质量梯度为1.00 g,1.50 g,2.00 g,2.50 g,3.00 g,3.50g,4.00 g,4.50 g,制得的产品相应编号依次为1,2,3,4,5,6,7,8.分别就纤维酸处理和未经酸处理设置对照组.从表1可以看出,在不同纤维质量梯度下悬浮液的纤维分散效果不同.通过对比,当纤维质量梯度在3～3.5 g时,悬浮液的纤维分散均匀,纤维密度合适,效果最好.同时通过数据对比分析可知,经过酸处理后的纤维悬浮液分散效果要明显优于未经过酸处理的纤维悬浮液分散效果.

表 1 不同纤维质量梯度下纤维悬浮液分散效果

1.2.3 玄武岩纤维湿法毡的制备 使用湿法成型工艺设备制备纤维网,经过搅拌、沉降、滤水和抽真空等流程,然后对所形成的纤维网进行黏合,最后在不同的设定温度下进行烘干成型,烘干条件设计方案见表2.

表 2 实验方案

1.3 相关性能测试

1.3.1 面密度测定 根据GB/T24218.1—2009《纺织品 非织造布实验方法第一部分:单位面积质量的测定》进行测试.由于设备生产试样大小限制,实验制备的样品均为直径200 mm的圆形样品,每组实验选取10块试样,经调湿后利用电子天平对试样进行质量测试,求得每个试样的面密度,然后计算10块试样的平均面密度.

1.3.2 力学性能测试 参考GB/T24218.3—2010《纺织品 非织造布试验方法第三部分:断裂强力和断裂伸长率的测定》标准,在YG(B)026N500型电子织物强力机进行测试.设置强力机的夹持距离为100 mm,试样大小为50 mm×190 mm.每组实验各测10块试样,然后计算试样的测试数据平均值.

1.3.3 透气性测试 根据GB/T5453—1997《纺织品织物透气性的测定》标准,设置压强为200 Pa,用YG461L型数字织物透气量仪对试样进行透气性能的测试. 每组实验各取试样10块,每个试样随机选5个部位进行测试,最后计算出试样的平均透气率．

2 结果与讨论

2.1 不同面密度下湿法毡的外观表征

玄武岩纤维湿法薄毡表面较为平整,弹性较小,具有一定的硬度.在光线充足的条件下,观察到产品表面为褐色,有些似金色,与纤维原料的色泽区别较小.纤维分布比较均匀,有极少的纤维长丝存在,且有少数纤维脱落迹象,纹路呈不规则分布.

不同质量梯度下的产品面密度如图1所示,在成网过程中的排水、滤水等过程会造成的纤维损失,所以实际产品面密度会比理想设计的略低.酸处理后的纤维产品面密度会随着纤维质量的增加而增加,并且在等梯度纤维质量变化下,产品面密度且呈线性增加趋势.相比较于未经过纤维酸处理的产品,纤维酸处理后的产品面密度会比较低.因为纤维经过酸处理后,纤维悬浮液的纤维分散效果更优异,从成型网的孔隙中漏走的纤维量更多且容易滞留在成型桶壁上,导致产品的面密度较小,但产品表面纤维分散均匀,无纤维块凸起现象,厚度较薄且均匀.

2.2 不同面密度湿法毡的力学性能

图2为经过酸处理湿法毡和未经过酸处理湿法毡的平均断裂强力对比图.可以看出,同等质量同等长度条件下未经过表面酸处理的纤维制作出的产品比表面酸处理过的纤维制作出的产品的断裂强力要小.

当纤维质量小于3.5 g时,断裂强力会随着产品面密度的增加而增大,但超过这个数值后,断裂强力反而开始下降.因为随着产品面密度的增加,厚度也会随之增大,平均断裂强力会增加.当纤维处于3 g～3.5 g时,纤维悬浮液的分散效果最好,湿法毡的纤维缠结均匀且断裂强力达到最大值.而用3.50 g及以上纤维制备出的产品在成网时纤维极易出现成块缠结现象,纤维分散不均匀,造成制备的样品均匀性变差,在纤维大量堆积的部分粘合剂无法完全渗透到纤维内部,只能粘结于表面,从而导致产品强力下降.

图 1 不同纤维质量梯度下的湿法毡面密度 图 2 不同纤维质量梯度下的湿法毡断裂强力 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

图 3 不同纤维质量梯度下的湿法毡平均透气率Fig.3 Mean permeability of wet-laid felt with different fiber quality gradients

2.3 不同面密度湿法毡的透气性能

不同纤维质量梯度下湿法毡的平均透气率如图3所示.可以看出,相比较于纤维酸处理过的湿法毡,未经过纤维酸处理的湿法毡透气性能要差一些,这是因为酸处理后的纤维悬浮液分散效果要优于未经酸处理的纤维悬浮液,纤维成网时分布更均匀,纤维间的孔隙也更加均匀,提高了湿法毡的透气性.不管纤维是否经过酸处理,玄武岩湿法毡的透气性能都是十分突出的.当纤维质量为4.5 g时,湿法毡的透气性能最低,为1 100 mm/s；随着纤维质量的减小,湿法毡的纤维密度会下降,纤维之间的缠结也会相对减少,纤维间的孔隙会增大；从而透气率随之增大,当纤维质量为1 g时,湿法毡的透气性能达到最大,平均透气率高达2 350 mm/s；当纤维质量超过3.5 g时,纤维悬浮液的分散系统趋近于饱和状态,所以湿法毡的透气率趋于平稳,变化较小.

2.4 同等纤维质量下湿法毡在不同烘干条件下性能表征

玄武岩纤维湿法成网后最重要的一步是烘干,而烘干温度和时间决定了湿法毡的性能.通过对不同纤维质量下纤维悬浮液分散情况的对比,本文选取质量为3 g的经过酸处理纤维而制成的玄武岩湿法网,设计实验方案，见表3.

表 3 实验结果

根据对试样的观察可以发现,在相同烘干温度下,随着烘干时间的延长,试样的外观表征发生变化,手感会随之变硬,且表面的纤维掉落情况也有所改善,这是因为烘干时间的延长会改变粘合剂的粘合状况;从表3，4可以看出烘干时间的变化对试样透气性能并无明显影响,而随着烘干时间的增加,它的平均断裂强力也随之有所增加,烘干时间越长,粘合剂粘合效果越好.从实验结果看，在相同的烘干温度下,烘干时间在3 h时试样的性能表征最好.

表 4 实验结果分析

当烘干时间一定时,烘干温度越高,试样的手感会越硬,表面纤维掉落情况会越少.但当烘干温度为120 ℃时,试样的手感过于干硬,且有明显黏合剂痕迹;同时，温度的增加对透气性能没有明显影响,而拉伸性能会随着温度的增加略有提高.从表4中可以看出,烘干温度和烘干时间对试样的性能都有影响.对于透气性而言,烘干温度对透气性的影响要大于烘干时间对透气性的影响,当烘干温度为90 ℃,烘干时间为2 h时,透气性达到最大.对于拉伸强力来说,烘干温度对其的影响要略大一些,当烘干时间为3 h,烘干温度为120 ℃时,其拉伸强力最大.结合拉伸强力和透气性测试数据与实际低消耗、低耗时条件下生产情况分析,选择烘干温度90 ℃,烘干时间1 h为最优烘干条件.

3 结 论

(1) 酸处理后的玄武岩纤维悬浮液分散效果要优于未经酸处理过的纤维悬浮液.当悬浮液中纤维质量在3～3.5 g时,纤维的分散效果最好.玄武岩湿法毡的拉伸性能也最好,断裂强力为145.2 N,透气性能较好,透气率为1 240 mm/s.

(2) 选取经过酸处理纤维质量为3 g的纤维悬浮液制备出湿法毡.在综合考虑样品强力、透气性能、能耗、耗时等情况下,确定最佳烘干条件为烘干时间1 h,烘干温度90 ℃,在此条件下,湿法毡断裂强力为133.6 N,透气率为1 294 mm/s.

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