劉 群， 徐廣標(biāo)， 王向欽

(1. 東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620； 2. 廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東 廣州 510220)

兩種不同基布芳綸針刺非織造材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的測試評價(jià)

劉 群1a, 1b， 徐廣標(biāo)1a, 1b， 王向欽2

(1. 東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620； 2. 廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東 廣州 510220)

針對兩種不同基布(芳綸基、聚四氟乙烯基)芳綸針刺非織造材料，研究了織物的表面形態(tài)、拉伸性能、耐折疊性能、耐熱性和熱穩(wěn)定性．研究結(jié)果表明：非織造布表面為三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過高溫(260 ℃/3 h)處理，織物的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷，且燒毛面比未燒毛面損傷嚴(yán)重；織物縱、橫向斷裂強(qiáng)度存在差異，高溫處理后織物強(qiáng)度保持率較優(yōu)，均達(dá)到100%以上，能滿足高溫下過濾織物的強(qiáng)度要求；折疊后兩種織物的縱、橫向斷裂強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率均較高，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐折疊性能．熱重(TG)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種織物的熱分解溫度均高于400 ℃，且聚四氟乙烯基芳綸針刺非織造材料的熱穩(wěn)定性較芳綸基芳綸針刺非織造材料稍好．

芳綸； 針刺非織造材料； 表面形態(tài)； 力學(xué)性能； 熱性能

近年來，高技術(shù)新興工業(yè)不斷出現(xiàn)，耐高溫過濾織物的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大.耐高溫過濾織物廣泛應(yīng)用于能源、交通、冶金、化學(xué)、電子、環(huán)保、航天等[1]需要高溫操作的領(lǐng)域,阻止了有害物質(zhì)進(jìn)入空氣，從而保護(hù)人體健康[2]．

目前籠統(tǒng)地認(rèn)為220 ℃以上的煙氣為高溫?zé)煔鈁3].這一高溫條件對耐高溫材料的耐磨性、耐高溫性、穩(wěn)定性等方面提出了要求．國外從20世紀(jì)70年代開始研究耐高溫空氣過濾材料，并制備出一系列性能較好的纖維過濾材料．國內(nèi)的高溫過濾材料和技術(shù)起初基本是從國外引進(jìn)，發(fā)展速度相對較慢，織物結(jié)構(gòu)主要以合成纖維的機(jī)織布為主．20世紀(jì)80年代后期，國內(nèi)開始自主設(shè)計(jì)并生產(chǎn)過濾材料，合成纖維及其他高性能纖維制成的針刺氈逐漸用于過濾材料當(dāng)中，基本能滿足能源等行業(yè)對于高溫?zé)煔馓幚淼某龎m需求[4]．21世紀(jì)，耐高溫?zé)煔膺^濾進(jìn)入了材料的高速發(fā)展階段，涌現(xiàn)出一系列高性能的耐高溫過濾材料，包括芳綸1313纖維(polyisophthaloyl metaphenylene diamine fiber, Nomex)、芳綸1414纖維(polyterephthaloyl-p-phenylenediamine fiber, PPTA)、聚苯硫醚纖維(polyphenylene sulfide fiber, PPS)、芳砜綸(polysulfonamide fiber, PSA)、聚酰亞胺纖維(polyimide fiber, PI)、玻璃纖維(glass fiber, GF)、聚四氟乙烯纖維(polytetrafluoroethylene fiber, PTFE)等[5]．在眾多的高性能纖維中，芳綸的高強(qiáng)、高模、低密度、高耐磨等性能[6]使其成為全世界耐高溫材料中發(fā)展最快的一種.國內(nèi)的芳綸及其制品的需求量近年不斷增長，芳綸國產(chǎn)化得到長足發(fā)展[7-8]．織物類型由傳統(tǒng)的機(jī)織物、針織物向非織造布、復(fù)合材料等方向發(fā)展[9]，芳綸非織造布就是發(fā)展較快的空氣過濾材料之一[10]，應(yīng)用也最有成效．芳綸非織造布利用芳綸本身優(yōu)異的性能，通過針刺處理，獲得的針刺布具有過濾精度高、流量大等特點(diǎn)[11]，可以滿足特殊情況下的過濾需要．用于非織造材料基布的材料包括PTFE、芳綸等，基布的使用對于非織造材料的性能有較大影響[12]，但不同基布的使用對非織造材料的力學(xué)性能、耐高溫性能等方面影響的研究還不多．

織物的力學(xué)性能、耐高溫性能對耐高溫織物的生產(chǎn)、使用有重要影響[13]，在投入生產(chǎn)應(yīng)用前，需要對織物結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行測試評價(jià)．本文選擇國產(chǎn)PTFE基芳綸針刺非織造織物和芳綸基芳綸針刺非織造織物為研究對象，對織物表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、拉伸性能、耐折疊性能、耐熱性、熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試與評價(jià)，以便為芳綸非織造過濾織物的加工、使用提供參考依據(jù)．

1 試 驗(yàn)

1.1 材料

PTFE基芳綸針刺非織造布和芳綸基芳綸針刺非織造布由工廠提供，織物中的芳綸纖維均為芳綸1313纖維，織物的基本參數(shù)如表1所示．

表1 織物的基本參數(shù)

1.2 方法

1.2.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用日立臺式TM 3000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察織物的表面及橫截面的形態(tài)，并對經(jīng)過260 ℃高溫處理3 h后的織物表面及橫截面進(jìn)行形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察．

1.2.2 熱處理

采用DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱對織物進(jìn)行高溫加熱，織物在溫度為(20±2)℃和相對濕度為(65±2)%的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中平衡24 h后放入燒杯，入烘箱進(jìn)行加熱．試樣大小參照力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，溫度設(shè)定為260 ℃，時間3 h．取出的試樣在標(biāo)準(zhǔn)大氣中自然冷卻24 h后，進(jìn)行形態(tài)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的測試．

1.2.3 力學(xué)性能

(1) 拉伸性能.采用WDW-20型微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)，參照FZ/T 60005—1991《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長的測定》，對織物的單向拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了測試．試驗(yàn)條件：等速伸長拉伸(CRE)，夾持距離為200 mm，拉伸速度為100 mm/min，測試環(huán)境溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±3)%．試樣寬度為50 mm，長度為300 mm，兩端夾持長度分別為50 mm．織物的每個方向測試5次，測試指標(biāo)取平均值．

(2) 耐折疊性能.采用手工折疊法[14]測試織物的耐折疊性能．按照與拉伸性能測試相同的標(biāo)準(zhǔn)裁剪織物后將織物對折，用質(zhì)量為1 kg的重錘壓168 h，對處理后的織物進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)條件設(shè)置同拉伸性能部分．

1.2.4 熱穩(wěn)定性

采用德國耐馳公司的TG 209F1型熱重分析儀測試織物的熱重(TG)曲線，從TG曲線上可以得到織物的起始分解溫度，以此表征熱穩(wěn)定性[15]．測試條件：樣品質(zhì)量為10 mg，升溫速率為10 ℃/min，溫度掃描范圍為40～900 ℃，氮?dú)獗Ｗo(hù)．

2 結(jié)果與討論

2．1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

通過直接觀察發(fā)現(xiàn)，兩種非織造織物的未燒毛面呈現(xiàn)纖維本色，芳綸基芳綸針刺非織造布為白色，PTFE基芳綸針刺非織造布為黃色，燒毛面呈焦黃色．織物表面的掃描電鏡圖如圖1所示．由圖1可知，非織造布表面呈三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，空隙分布均勻，在同一濾料上可以完成一級、二級、多級過濾[16]．非織造布內(nèi)部纖維分布雜亂，加強(qiáng)了載體相流過纖維曲徑式系統(tǒng)時的分散效應(yīng)，使粒子懸浮相在欲分離時與單纖維碰撞或黏附的機(jī)會增多[17]，這是非織造織物作為濾料的優(yōu)勢．PTFE基芳綸針刺非織造布的纖維縱向表面形態(tài)光滑，沿纖維縱向有凹槽，橫截面近似啞鈴形．芳綸基芳綸針刺非織造布的纖維縱向表面光滑，略有凹槽，橫截面近似圓形．由于采用燒毛工藝，燒毛面頭端多，未燒毛面頭端少．其中PTFE基芳綸針刺非織造布燒毛面頭端有熔融結(jié)頭，較光滑，芳綸基芳綸針刺非織造布燒毛面纖維頭端多有孔洞等損傷，部分纖維呈中腔形態(tài)，這樣的立體結(jié)構(gòu)可增加對空氣中雜質(zhì)的過濾作用．總的來說，這兩種非織造織物作為濾料有優(yōu)勢，芳綸纖維縱向表面光滑，有凹槽結(jié)構(gòu)，燒毛面(正面)的頭端較未燒毛面的頭端多，但PTFE基芳綸針刺非織造布燒毛面燒毛頭端的熔融結(jié)頭較光滑，芳綸基芳綸非織造布燒毛面頭端則有孔洞，部分纖維呈中空結(jié)構(gòu)．

(a) 1# 燒毛面

(b) 1# 未燒毛面

(c) 2# 燒毛面

(d) 2# 未燒毛面

織物的橫截面形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示．由圖2可知，織物中的基布規(guī)整排列，芳綸1313纖維在基布上下雜亂分布.由圖2(a)可知，PTFE基布由PTFE單紗織成，紗線結(jié)構(gòu)緊湊，表面平滑.由圖2(b)可知，芳綸基布由芳綸1313紗線織成，紗線結(jié)構(gòu)松散.

(a) 1# 截面

(b) 2# 截面

高溫處理后的兩種非織造布的顏色焦黃，燒毛面較未燒毛面顏色變化更加明顯．高溫處理后的織物表面的掃描電鏡圖如圖3所示．由圖3可知，高溫處理后的織物正、反面均有損傷，且燒毛面的損傷更加嚴(yán)重，這可能是由于燒毛面在燒毛處理后，纖維更容易受損．具體來看，PTFE基芳綸針刺非織造布在高溫處理后纖維表面有較長的裂紋，而芳綸基芳綸針刺非織造布的纖維表面則出現(xiàn)大面積孔洞結(jié)構(gòu)．

(a) 1#燒毛面

(b) 1# 未燒毛面

(c) 2# 燒毛面

2．2 力學(xué)性能

2．2．1 拉伸性能

織物的拉伸性能直接影響織物的耐久性(或堅(jiān)牢度)，是評價(jià)織物品質(zhì)的重要內(nèi)容[18]．織物的基本拉伸性能與織物中所用的纖維、紗線結(jié)構(gòu)、織物結(jié)構(gòu)等特征有關(guān)，織物的縱、橫向拉伸曲線如圖4所示．

圖4 織物的拉伸曲線Fig.4 Tensile curves of fabrics

由圖4可知，芳綸基非織造布縱向有兩個峰值，第一峰值出現(xiàn)后織物發(fā)生頸縮，之后強(qiáng)度很快呈現(xiàn)上升趨勢，直到第二峰值后強(qiáng)度快速降低至斷裂；第二個峰值高于第一個峰值．這可能是由于織物在頸縮過程中，非織造織物密度增加，纖維排列方向趨近各向同性；同時，隨著縱向伸長變形的增大，經(jīng)密不斷增大，經(jīng)緯紗間的摩擦阻力增加，從而影響基布拉伸性能．芳綸基非織造布的橫向兩個峰值不太明顯，第一個峰值出現(xiàn)后不久便出現(xiàn)了第二個峰值，這也說明了織物的斷裂同時性好．PTFE基芳綸非織造布縱、橫向均有兩個明顯的峰值，原因與芳綸基非織造布相同．取織物拉伸曲線的兩個峰值中較大的強(qiáng)度和伸長率為斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率，具體力學(xué)指標(biāo)值如表2所示．

表2 織物常溫下的力學(xué)性能

由表2可知，這兩種非織造布的縱、橫向斷裂強(qiáng)度均較普通化纖織物[19]大，但縱、橫向差異明顯．芳綸基非織造布的縱向強(qiáng)度小于橫向強(qiáng)度，而PTFE基芳綸非織造布的縱向強(qiáng)度大于橫向強(qiáng)度．在外應(yīng)力較大的場合，需要考慮織物縱、橫向強(qiáng)度的差別．

從斷裂伸長率看，兩種織物的斷裂伸長率均較普通化纖織物[19]小，且縱、橫向差異大．PTFE基芳綸針刺非織造布的縱向伸長率小于橫向伸長率，芳綸基芳綸針刺非織造布則反之．

2．2．2 熱處理后的拉伸性能

衡量織物耐高溫性的主要指標(biāo)是測量其在高溫條件下的力學(xué)性能保持情況[20]．織物在一定高溫處理后的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性模量的保持率如表3所示．由表3可知，兩種織物高溫處理后的斷裂強(qiáng)度保持率較優(yōu)，均達(dá)到100%以上，能滿足高溫下的強(qiáng)力要求．但斷裂伸長率保持率不盡相同，且芳綸基芳綸針刺非織造布伸長降低比PTFE基芳綸基芳綸針刺非織造布明顯．PTFE基芳綸針刺非織造布的彈性模量降低，剛度下降，容易變形．芳綸基芳綸針刺非織造布的剛度上升，形態(tài)穩(wěn)定性提高．

2．2．3 耐折疊性能

在生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝過程中，織物不可避免地會遇到彎折或折疊問題．為了探索折疊對織物拉伸性能的影響，本文采用手工折疊法測試分析了織物折疊后的拉伸性能變化，測試結(jié)果如表4所示．由表4可知，兩種織物的縱、橫向斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率保持率均較高，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐折疊性能．兩種織物縱、橫向的斷裂強(qiáng)度保持率均達(dá)到100%，芳綸基芳綸針刺非織造布縱向斷裂伸長率保持率較低，表現(xiàn)為脆性稍大，在生產(chǎn)、使用過程中應(yīng)該注意減少折疊．

表3 織物在高溫下的力學(xué)性能變化

表4 織物耐折疊力學(xué)性能

2．3 熱穩(wěn)定性

通過熱重(TG)分析法在氮?dú)鈿夥諚l件下研究兩種織物的熱穩(wěn)定性，測試結(jié)果如圖5所示．

圖5 兩種織物的TG曲線Fig.5 TG curves of two fabrics

由圖5可以看出，PTFE基芳綸針刺非織造布的TG曲線有兩個分解階段，這是由于組成非織造布的PTFE纖維與芳綸纖維兩種組分的不同分解溫度造成的．第一階段的起始分解溫度為421.7 ℃，第二階段的起始分解溫度為540.6 ℃．在562.7 ℃時分解速率最高，分解速率為7.0%/min，600 ℃時的質(zhì)量損失達(dá)到60.8%．芳綸基芳綸針刺非織造材料的起始分解溫度為411.6 ℃，在438.7 ℃時分解速率最大，分解速率為3.8%/min，600 ℃時的質(zhì)量損失達(dá)到39.8%．綜合來看，兩種織物的起始分解溫度均高于400 ℃，溫度高于400 ℃后，質(zhì)量損失加快．其中PTFE基芳綸針刺非織造材料的起始分解溫度高于芳綸基芳綸針刺非織造材料，因而使用溫度稍高，熱穩(wěn)定性較好．

3 結(jié) 語

通過對兩種不同基布的芳綸非織造布的基本性能和熱學(xué)性能進(jìn)行測試與評價(jià)，得到以下結(jié)論．

(1) 表面形態(tài)結(jié)構(gòu).非織造布表面的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于織物的多級過濾.芳綸基芳綸針刺非織造布的纖維縱向表面光滑，略有凹槽，燒毛面的纖維頭端較未燒毛面的多.PTFE基芳綸針刺非織造布燒毛面燒毛纖維頭端的熔融結(jié)頭較光滑，芳綸基芳綸針刺非織造布的纖維則有孔洞，部分纖維呈中空結(jié)構(gòu)．織物經(jīng)過高溫處理，織物的表面結(jié)構(gòu)均發(fā)生了損傷，且燒毛面比未燒毛面損傷嚴(yán)重．

(2) 斷裂強(qiáng)度.兩種非織選布的縱、橫向強(qiáng)度存在差異，在外應(yīng)力較大的場合，需要考慮織物縱、橫向的差別．織物經(jīng)過高溫處理，兩種織物的斷裂強(qiáng)度保持率較優(yōu)，均達(dá)到100%以上，能滿足高溫下的強(qiáng)力要求，但縱、橫向斷裂伸長率保持率差異大．

(3) 耐折疊性.經(jīng)折疊后兩種織物的縱、橫向斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率保持率均較高，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐折疊性能．

(4) 熱穩(wěn)定性.TG分析發(fā)現(xiàn)，PTFE基芳綸針刺非織造布的熱穩(wěn)定性較芳綸基芳綸針刺非織造布優(yōu)．

總之，兩種織物都是常見的耐高溫過濾材料，而織物的生產(chǎn)和使用，需要對其形態(tài)結(jié)構(gòu)、耐彎折性能、熱性能等進(jìn)行測試評價(jià)，本文的研究可為該類產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用提供參考．

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Test and Evaluation on Structure and Mechanical Properties of Aramid Fiber Needle-Punched Nonwoven Materials with Two Different Base Cloth

LIUQun1a,1b,XUGuang-biao1a, 1b,WANGXiang-qin2

(a. College of Textiles; b. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, 1. Donghua University,Shanghai 201620，China； 2.Guangzhou Fiber Product Testing Institute, Guangzhou 510220, China)

The surface morphology, tensile properties, folding resistance, heat resistance and thermal stability of two aramid fiber needle-punched nonwoven materials with two different base cloth (aramid, polytetrafluoroethylene(PTFE)) were researched. Conclusions were gotten that the surface of nonwoven fabric was anisotropic mesh structure.When treated under 260 ℃ for 3 h, the surface of fabric changed, singeing surface was damaged more serious than untreated surface. There were differences between longitudinal and transverse strength.All over 100% strength retention when treated under high temperature satisfy the requirement of filter fabrics when temperature was under 260 ℃. After folded, retention of breaking strength and elongation were all high which showed a good folding resistance of two fabrics. TG curves were analyzed that the thermal decomposition temperature of two fabrics were higher than 400 ℃, aramid base fabric showed a slightly better thermal stability than PTFE base fabric.

aramid fiber; needle-punched nonwoven materials; surface morphology; mechanical properties; thermal performance

1671-0444(2015)05-0608-07

2014-07-09

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013QK285)

劉 群(1991—)，女，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邷夭牧?E-mail: 460447073@qq.com 徐廣標(biāo)(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail: guangbiao_xu@dhu.edu.cn

TS 176+.3

A