劉元軍，趙曉明，拓　曉

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

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玻璃纖維空氣變形紗的性能研究*

劉元軍，趙曉明，拓曉

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

摘要：為了研究玻璃纖維空氣變形紗及其織物材料的特性，采用自主專利的氣流吹散法制備了玻纖空氣變形紗，表征其紅外光譜物理特征、微觀形貌、力學(xué)性能、固定樹脂能力及其織物的熱防護和導(dǎo)熱性能。結(jié)果表明，玻璃纖維經(jīng)高速氣流分散的形紗過程為物理變化，該空氣變形紗具備良好的蓬松性、固定樹脂能力和力學(xué)強度，所制備的紗織物具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)(<0.12 W/(m·K))，熱防護性能較無捻粗紗提高1倍以上，TPP值為21.62 cal/cm2。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維；空氣變形紗；蓬松性；熱防護

1引言

目前，玻璃纖維以其優(yōu)異的性能和較低的價格廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、環(huán)境、建筑等領(lǐng)域。高性能玻璃纖維復(fù)合材料已成為航空航天領(lǐng)域不可或缺的材料。玻璃纖維是現(xiàn)代無機非金屬材料中具有獨特功能的材料，其來源豐富，價格便宜，具有強度高、耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)異性能[1-3]，使其在熱防護領(lǐng)域發(fā)揮不可比擬的作用[4-5]，同時還可以作為復(fù)合材料的增強體[6-12]。

玻璃纖維空氣變形紗具有如下特性：(1) 仿短纖紗性，即其表層具有與短纖紗相近的幾何特性，從而有效地改善了紗線的極光性和蠟狀感；(2) 膨松性，指原絲束經(jīng)空氣變形加工后體積增加50%～150%，可改善紗線及其織物的服用性能[13-14]。膨體紗技術(shù)的適紡范圍大(22～18 000 dtex)，它屬于機械加工，對喂入原絲沒有特殊要求，可以用來加工包括熱塑性和非熱塑性材料在內(nèi)的各種長絲，而且通過空氣變形技術(shù)，可以將平行喂入或以不同超喂率喂入的兩組長絲紗或者一組長絲紗和一組短纖紗混合紡制。只要改變工藝參數(shù)，即可獲得不同外觀和性能的空氣變形[15-16]。同時，隨著質(zhì)量在線控制裝置的推廣使用，紗線質(zhì)量可望進一步穩(wěn)定和提高，而加工速度也有新的突破，因此生產(chǎn)成本將更加低廉。這一切都使得膨體紗技術(shù)具有更廣闊的市場空間以及美好的發(fā)展前景。

本文通過對玻璃纖維膨體紗制品的研究，預(yù)期為開發(fā)一種多功能玻璃纖維新制品奠定基礎(chǔ)，既能具備良好熱防護性能，又能夠作為復(fù)合材料的增強體。

2實驗

2.1主要材料和試劑

玻璃纖維無捻粗紗(400，1 250 tex)，淄博思創(chuàng)玻璃纖維有限公司提供；苯甲基硅樹脂，上海市樹脂廠提供。

2.2主要實驗儀器

PC-PH-Ⅱ型玻璃纖維專用空氣變形紗機，杭州蕭山天成機械有限公司；Tensor37型傅里葉變換紅外光譜儀，德國BRUKER公司；YG004E型電子單纖維強力儀，天祥紡儀器有限公司；TPP701D型熱防護性能儀，美國精密制造公司；TPS2500S型熱常數(shù)分析儀，Hot Disk儀器公司等。

2.3玻璃纖維空氣變形紗的制備

玻璃纖維空氣變形紗是利用課題組擁有自主專利的連續(xù)功能纖維束氣流分散法采用PC-PH-Ⅱ型玻璃纖維專用空氣變形紗機制備而成[17]；連續(xù)功能纖維束氣流分散方法是一種非接觸式物理分散方法，高速氣流通過膨化器噴嘴連續(xù)吹噴玻璃纖維長絲束而制成連續(xù)纖維膨松絲，形成單絲分散狀的連續(xù)纖維膨體絲(或稱為空氣變形紗)。膨化過程如圖1所示。

圖1　膨化過程示意圖

2.4測試指標(biāo)和方法

2.4.1紅外光譜測試

采用Tensor37型傅里葉變換紅外光譜儀對玻璃纖維空氣變形紗進行紅外圖譜測定。

2.4.2微觀形貌表征

采用Quamta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡，參照J(rèn)B/T 6842-93掃描電子顯微鏡實驗方法測試。

2.4.3拉伸性能測試

采用YG004E型電子單纖維強力儀，參照GB/T 7690.3-2001玻璃纖維斷裂強力和斷裂伸長測定。

2.4.4固定樹脂能力測試

取紗線長度為50 cm，稱其重量并將其完全浸入苯甲基硅樹脂中5 min，然后置于烘箱150 ℃烘燥3 h。取出樣品再次稱量并記錄，所增加之質(zhì)量即為樹脂的質(zhì)量。每組測試20個試樣，最后求各參數(shù)平均值。

2.4.5熱常數(shù)測試

采用德國進口熱常數(shù)分析儀對織物進行導(dǎo)熱系數(shù)測試。每組測試5個試樣，然后求平均值。

2.4.6熱防護性能測試

采用熱防護性能儀對織物進行隔熱性能測試，通過測試獲得織物傳感響應(yīng)曲線與二度燒傷曲線交叉時間，從而判斷織物的隔熱性能優(yōu)劣。

3結(jié)果與討論

3.1玻璃纖維空氣變形紗的紅外光譜分析

為了解玻璃纖維空氣變形紗的化學(xué)結(jié)構(gòu)和驗證玻璃纖維空氣變形紗的制備僅僅是通過物理方法使玻璃纖維單絲處于分離狀態(tài)，分別對玻璃纖維無捻粗紗和玻璃纖維空氣變形紗進行了紅外光譜測試，結(jié)果如圖2和3所示。

圖2　玻璃纖維無捻粗紗的紅外光譜圖

從圖2和3可以看出，硼硅酸鹽玻璃纖維無捻粗紗與玻璃纖維空氣變形紗紅外光譜圖基本一致，膨化前后，材料特征吸收峰未發(fā)生改變，說明其內(nèi)在物相結(jié)構(gòu)無變化，膨化過程是純物理過程。玻璃纖維特征吸收峰分別為3 340，2 923.9，2 854.5，1 743.5，1 460，912.3和686.6 cm-1。其中3 340 cm-1是一個較寬的吸收普帶，對應(yīng)的是分子間-OH伸縮振動，在2 923.9，2 854.5和1 743.5 cm-1處的吸收峰對應(yīng)分子中結(jié)晶水-OH伸縮振動，在1 460 cm-1處的中等強度吸收峰，對應(yīng)的是BO4四面體中B-O鍵伸縮振動，912.3 cm-1處附近較寬且強的吸收譜帶所對應(yīng)的是Si-O鍵和Si-O-H鍵的伸縮振動，686.6 cm-1處的吸收峰對應(yīng)的是由Si-O-B伸縮振動。依據(jù)無機非金屬材料圖譜手冊查詢可知，Si-O鍵吸收峰從1 100～1 000 cm-1偏移到1 000～900 cm-1，原因是玻璃纖維成分中加入了Al2O3。由此，根據(jù)所含基團進一步驗證了該玻璃纖維為硼硅酸鹽玻璃。

圖3　玻璃纖維空氣變形紗的紅外光譜圖

Fig 3 Infrared spectrogram of bulk yarn fabrics of glass fiber

3.2玻璃纖維空氣變形紗的外觀結(jié)構(gòu)

從圖4和5可以看出，玻璃纖維空氣變形紗和玻璃纖維無捻粗紗外觀結(jié)構(gòu)完全不同，無捻粗紗表面平整，纖維間抱合緊密；而空氣變形紗中玻璃纖維單絲處于分離狀態(tài)，其紗線直徑明顯高于無捻粗紗直徑，部分纖維長絲出現(xiàn)起圈現(xiàn)象，玻璃纖維空氣變形紗蓬松效果明顯。

圖4　玻璃纖維無捻粗紗外觀結(jié)構(gòu)

圖5　玻璃纖維空氣變形紗外觀結(jié)構(gòu)

3.3玻璃纖維空氣變形紗的形態(tài)結(jié)構(gòu)

由圖6(a)和(b)可以看出，玻璃纖維橫截面具有光滑的圓柱狀外觀結(jié)構(gòu)，對氣體和液體的阻力小，在高溫氣體過濾、降低粉塵排放量，廢水處理等方面得到了大量應(yīng)用。玻璃纖維縱向呈直線狀態(tài)，因此玻璃纖維間抱合力小。由圖6(c)和(d)可以看出玻璃纖維空氣變形紗雖然經(jīng)過高速氣流的吹噴，但是表面沒有明顯的損傷，其形態(tài)結(jié)構(gòu)與玻璃纖維無捻粗紗相似。

圖6　玻璃纖維無捻粗紗和空氣變形紗的形態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3.4玻璃纖維空氣變形紗的力學(xué)性能

從表1可以看出，高速氣流通過膨化器噴嘴連續(xù)吹噴玻璃纖維長絲束而制成連續(xù)纖維膨松絲，形成單絲分散狀的連續(xù)纖維膨體絲(或稱為空氣變形紗)，此過程并未對纖維強力造成影響，反而玻璃纖維空氣變形紗斷裂強力稍優(yōu)于相同特數(shù)無捻粗紗。

表1玻璃纖維空氣變形紗的斷裂強力

Table1 Breaking strength ofbulk yarn of glass fiber

樣品斷裂強力/N400tex玻璃纖維無捻粗紗101.97400tex玻璃纖維空氣變形紗111.071250tex玻璃纖維無捻粗紗321.681250tex玻璃纖維空氣變形紗351.36

3.5玻璃纖維空氣變形紗的固定樹脂能力

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的復(fù)合材料增強體。在復(fù)合材料成型過程中，玻璃纖維通常作為增強體，樹脂作為基體，其固定的樹脂量越多，復(fù)合材料的整體性相對越強。

從表2可以看出，玻璃纖維空氣變形紗比相同特數(shù)無捻粗紗固定樹脂能力強，空氣變形紗固定樹脂量是無捻粗紗固定樹脂量的2.33倍。原因可能是由于玻璃纖維空氣變形紗單絲處于分離狀態(tài)，比表面積明顯大于無捻粗紗，能夠有效地增加與樹脂的接觸面積，讓樹脂完全滲透，最終成為一個整體。

表2玻璃纖維空氣變形紗的固定樹脂能力

Table 2 Fixed resin properties of bulk yarn of glass fiber

樣品初始質(zhì)量/g烘干后質(zhì)量/g固定樹脂質(zhì)量/g400tex玻璃纖維空氣變形紗0.21801.18550.9675400tex玻璃纖維無捻粗紗0.21480.62970.4149

2.6織物的導(dǎo)熱系數(shù)

采用DWL5016型半自動織樣機制備了2種不同規(guī)格的玻璃纖維織物，織物規(guī)格參數(shù)如表3所示。

表3　織物規(guī)格參數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)反應(yīng)材料傳導(dǎo)熱量的能力，導(dǎo)熱系數(shù)越低，材料的保溫性能越好，通常把導(dǎo)熱系數(shù)低于0.12 W/(m·K)的材料稱為保溫材料。由表4可以看出，玻璃纖維空氣變形紗織物的保溫性明顯優(yōu)于玻璃纖維無捻粗紗織物，這是由于保溫性能好的織物中空隙較多，其中所含靜止空氣多，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.023 W/(m·K)，小于玻璃纖維導(dǎo)熱系數(shù)，所以空氣變形紗織物的保溫性能優(yōu)于普通無捻粗紗織物。

表4　織物導(dǎo)熱系數(shù)值

3.7織物的熱防護性能

采用DWL5016型半自動織樣機制備了2種不同規(guī)格的玻璃纖維織物，織物規(guī)格參數(shù)如表3所示。

TPP值反映織物的熱防護性能。相同測試條件下，織物傳感響應(yīng)曲線與二度燒傷曲線交叉的時間越長，TPP值越高，織物耐熱性越好，熱防護性能越好。如圖7和8所示，玻璃纖維空氣變形紗織物的熱防護性能明顯優(yōu)于玻璃纖維無捻粗紗織物。

圖7　玻璃纖維空氣變形紗織物的傳感響應(yīng)曲線

Fig 7 Sensing response curve of bulk yarn fabric of glass fiber

圖8　玻璃纖維無捻粗紗織物的傳感響應(yīng)曲線

Fig 8 Sensing response curve of roving fabric of glass fiber

4結(jié)論

(1) 玻璃纖維無捻粗紗與玻璃纖維空氣變形紗紅外光譜圖基本一致，說明玻璃纖維經(jīng)高速氣流分散變成玻璃纖維空氣變形紗的過程是物理變化過程--玻璃纖維長絲束從抱合狀態(tài)變?yōu)閱谓z分離狀態(tài)。

(2)玻璃纖維空氣變形紗形態(tài)結(jié)構(gòu)與玻璃纖維無捻粗紗相似，但外觀結(jié)構(gòu)完全不同，空氣變形紗中玻璃纖維單絲處于分離狀態(tài)，其紗線直徑明顯高于無捻粗紗直徑，部分纖維長絲出現(xiàn)起圈現(xiàn)象，玻璃纖維空氣變形紗蓬松效果明顯。

(3)玻璃纖維空氣變形紗具備良好的固定樹脂能力, 其固定樹脂量是無捻粗紗固定樹脂量的2.33倍。另外，玻璃纖維空氣變形紗力學(xué)性能良好，優(yōu)于相同特數(shù)無捻粗紗。

(4)玻璃纖維空氣變形紗具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)(<0.12 W/(m·K))，熱防護性能較無捻粗紗提高1倍以上，TPP值為21.62 cal/cm2。

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A study on the performance of the air textured yarn of glass fiber

LIU Yuanjun，ZHAO Xiaoming，TUO Xiao

(Cellege of Textiles， Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387，China)

Abstract:In order to study characteristics of the bulk yarn of glass fiber and fabric, the bulk yarn of glass fiber was prepared by independent patent air blow method. Then the infrared spectra, morphological structure, mechanical properties, fixed resin properties, coefficient of thermal conductivity and thermal protective performance of the bulk yarn of glass fiber were analyzed. The results showed that glass fiber dispersed into the bulk yarn of glass fiber was a physical change process by high-speed airflow. The fluffy properties, fixed resin properties and mechanical properties were good, and the coefficient of thermal conductivity was lower than 0.12 W/(m·K). The thermal protective performance of the bulk yarn was more than double than roving, and TPP was 21.62 cal/cm2.

Key words:glass fiber; air textured yarn; the fluffy properties; thermal protective performance

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.017

文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TS195.6

作者簡介：劉元軍(1986-)，女，山東青島人，在讀博士，師承趙曉明教授，從事玻璃纖維空氣變形紗制備和性能研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51206122)；天津應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃資助項目(13JCQNJC03000)；天津工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新實驗室2015年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項目(20150107)；2015年天津工業(yè)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新活動計劃資助項目(15101)

文章編號：1001-9731(2016)01-01082-05

收到初稿日期：2015-04-10 收到修改稿日期：2015-08-15 通訊作者：趙曉明，E-mail:texzhao@163.com