賈 芳,張得昆

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院,陜西 西安 710048)

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多層針刺復(fù)合非織造土工布的性能測(cè)試

賈 芳,張得昆

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院,陜西 西安 710048)

研究多層針刺復(fù)合非織造土工布與一次性單層非織造土工布各種力學(xué)性能的不同．以滌綸為原料,利用針刺非織造生產(chǎn)方法,設(shè)計(jì)相同的針刺密度，生產(chǎn)面密度分別為70，140，210，280，350g/m2的單層非織造土工布;以70g/m2針刺非織造布為基礎(chǔ),加工面密度分別為140，210，280，350g/m2的復(fù)合非織造土工布．測(cè)試兩類非織造土工布力學(xué)性能．結(jié)果表明，與同規(guī)格的單層針刺土工布相比,多層針刺復(fù)合土工布的縱橫向撕破強(qiáng)力、縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力均高于一次性針刺形成的單層土工布，特別是頂破強(qiáng)力.在不同的面密度下,相同針刺密度的多層復(fù)合型土工布高于單層針刺土工布,隨著層數(shù)的增加差異明顯并且呈多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系.通過(guò)多層針刺復(fù)合的形式可以提高針刺土工布的力學(xué)性能．

針刺土工布；多層復(fù)合；頂破強(qiáng)力

0 引 言

刺破現(xiàn)象普遍存在于工業(yè)建筑、紡織服裝等領(lǐng)域,例如土工布被石子刺破,工業(yè)石油管道被尖銳物體刺破[1]．當(dāng)前,中國(guó)經(jīng)濟(jì)已進(jìn)入快速發(fā)展階段,各種工程的修復(fù)以及新的巨大工程建設(shè)都增加了對(duì)土工布的需求,也對(duì)土工布的性能提出更高的要求.非織造土工布因其具有生產(chǎn)流程短，效率高的特點(diǎn)，在建筑行業(yè)受到重視[2]．相關(guān)研究人員也對(duì)非織造土工布的各項(xiàng)性能進(jìn)行了一系列的研究工作．魏群等研究非織造土工布力學(xué)性能[3];姜寧等研究了非織造土工布破裂強(qiáng)力的測(cè)試方法,得出可以用于測(cè)試非織造土工布頂破強(qiáng)力的方法[4];錢(qián)競(jìng)芳研究試樣層數(shù)對(duì)針刺非織造土工布滲透性能的影響,得出不同層數(shù)對(duì)針刺非織造土工布滲透能力的影響[5];李素英等研究了土工布的力學(xué)性能,得出影響土工布力學(xué)性能的相關(guān)因素[6]．國(guó)外的許多學(xué)者也對(duì)土工布的性能做了研究,Tapir hashed等通過(guò)數(shù)學(xué)建模對(duì)針刺土工布進(jìn)行設(shè)計(jì)及性能研究[7];Morteza vadood等則使用電腦模擬技術(shù)分析了3種土工布的淤堵特性,為研究土工布特性提供新的思路[8]．在紡織服用方面，文獻(xiàn)[10]研究了碳纖維布層的復(fù)合材料在濕熱情況下對(duì)力學(xué)性能的影響，文獻(xiàn)[11]對(duì)于服用的多層織物的顯熱性能進(jìn)行了研究.針對(duì)土工布以及非織造材料的復(fù)合性能研究雖多,但是關(guān)于層數(shù)對(duì)于性能的影響方面較少,對(duì)于非織造土工布的破裂研究更少,這是復(fù)合材料研究的新內(nèi)容,新方向．織物抗刺破性能的研究還可為工程設(shè)計(jì)提供指標(biāo),也是進(jìn)一步研究材料性能和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的依據(jù)[9]．為了對(duì)多層土工布力學(xué)性能進(jìn)行研究,本文設(shè)計(jì)和加工了9種單層和多層針刺復(fù)合土工布,測(cè)試其各項(xiàng)性能,并將一次性針刺形成的單層針刺土工布與多層針刺復(fù)合土工布的性能進(jìn)行比較.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

樣品制作采用梳理針刺工藝流程,分別生產(chǎn)單層和多層復(fù)合型的針刺非織造土工布．其中,生產(chǎn)面密度分別為70，140，240，280，350g/m2的單層針刺土工布．多層復(fù)合非織造布則以70g/m2的單層針刺土工布為基礎(chǔ)進(jìn)行兩層、三層、四層、五層的復(fù)合,得到面密度分別為140，210，280，350g/m2的多層復(fù)合非織造土工布．最終得到的單層和多層復(fù)合土工布的面密度分別是140，210，280，350g/m2,總針刺密度都為300刺/cm2．

1.2 原料選取

滌綸纖維具有強(qiáng)度高,彈性好,耐磨性好的特點(diǎn),是土工布常用的原料,故本文選取的纖維原料為常規(guī)滌綸(細(xì)度6D,長(zhǎng)度61mm)．

1.3 樣品加工工藝

樣品加工工藝流程:纖維開(kāi)松→喂入→梳理→鋪網(wǎng)→針刺．加工設(shè)備為WL-GP-B-800型梳理機(jī),WL-GZ-A-800型鋪網(wǎng)機(jī)和WL-GZ-B-800型針刺機(jī),在樣品的加工過(guò)程中要特別注意纖維的開(kāi)松和均勻喂入,這是保證加工來(lái)的樣品均勻性好的基礎(chǔ)．經(jīng)過(guò)梳理及鋪網(wǎng)工藝生產(chǎn)出一定厚度的纖維網(wǎng),用針刺法進(jìn)行加固.為了進(jìn)行對(duì)比分析，先加工面密度為70，140，210，280，350g/m2的單層針刺非織造土工布,其中面密度為70g/m2的樣品針刺密度為100刺/cm2,作為多層復(fù)合土工布的基材,其余單層土工布針刺密度均為300刺/cm2．然后利用面密度為70g/m2、針刺密度為100刺/cm2的單層土工布分別以2，3，4，5層進(jìn)行針刺復(fù)合,復(fù)合后的樣品面密度分別為140，210，280，350g/m2,總的針刺密度為300刺/cm2．

2 性能測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 面密度

采用GB/T24218.1—2009《紡織品 非織造布實(shí)驗(yàn)方法第一部分:單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試．試樣大小30cm×30cm,每組測(cè)5塊并計(jì)算其面密度及平均值．單層針刺非織造土工布樣品的定量測(cè)試值見(jiàn)表1,多層復(fù)合土工布樣品的面密度測(cè)試值見(jiàn)表2．

從表1，2可以看出,實(shí)際面密度與設(shè)計(jì)面密度相對(duì)比雖然有一定誤差,但誤差都很小,說(shuō)明樣品制作的工藝參數(shù)比較合理,樣品的面密度可以滿足本課題的需要．

表 1 單層針刺非織造土工布的面密度Table 1 Quantitative units of needle-punched nonwoven geotextile (g·m-2)

表 2 多層復(fù)合型針刺非織造土工布的面密度Table 2 Quantitative units of multilayer composite needlepunched nonwoven geotextile (g·m-2)

2.2 厚度

采用GB/T 24218—2009《紡織品 非織造布測(cè)試方法 第二部分:厚度的測(cè)定》,利用YG(B)141D數(shù)字織物厚度儀,先將樣品在GB 6529規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣下調(diào)濕,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),壓腳面積為2 500mm2,取9種不同面密度的試樣進(jìn)行測(cè)試.單層針刺非織造土工布及多層復(fù)合針刺非織造土工布厚度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，4.

表 3 單層針刺非織造土工布的厚度Table 3 The thickness of single-layer needle-punched nonwoven geotextile mm

表 4 多層復(fù)合針刺非織造土工布的厚度Table 4 The thickness of the multilayer composite needle-punched nonwoven geotextile mm

從表3,4可以看出,在相同針刺密度下隨著面密度的增加土工布的厚度有著明顯的增加,在相同面密度和相同的針刺密度下,除2層復(fù)合土工布外,其它多層復(fù)合土工布的厚度都要略小于單層針刺土工布,這是因?yàn)橄鄬?duì)于單層針刺土工布來(lái)說(shuō),多層復(fù)合針刺土工布的厚度均勻性及面密度均勻性更好,因此,測(cè)試出來(lái)厚度值有可能比單層針刺土工布要略微小些.70g/m2，140g/m2的針刺密度相差比較大,70g/m2的產(chǎn)品雖然面密度低,但由于針刺密度小得多,所以產(chǎn)品更蓬松,所測(cè)的厚度較高．

2.3 撕破性能

采用GB/T13763《土工布梯形法撕破強(qiáng)力試驗(yàn)方法》，利用YG026D-1000型電子強(qiáng)力機(jī),將試樣剪成上底、下底、高分別為25mm，100mm，75mm的梯形．測(cè)試前先將樣品置于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣下調(diào)濕,并進(jìn)行測(cè)試,其測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，6所示．

表 5 單層針刺非織造土工布的撕破強(qiáng)力Table 5 Tearing strength of single acupuncture nonwoven geotextile N

表 6 多層復(fù)合型針刺非織造土工布的撕破強(qiáng)力Table 6 Tearing strength of multilayer composite needle-punched nonwoven geotextile N

從表5，6可以看出,對(duì)于兩種非織造布來(lái)說(shuō),隨著面密度的增加撕破強(qiáng)力逐漸增加,這是因?yàn)樵谄渌麠l件相同的情況下隨著面密度的增加試樣橫截面內(nèi)纖維數(shù)量增加,撕破強(qiáng)力也就越大．無(wú)論是單層土工布還是復(fù)合型土工布縱向撕破強(qiáng)力均大于橫向撕破強(qiáng)力,這是由梳理成網(wǎng)和交叉鋪網(wǎng)形成的纖維網(wǎng)特性所決定的．在相同面密度條件下,無(wú)論是縱向還是橫向多層復(fù)合型針刺土工布的撕破強(qiáng)力均大于單層針刺土工布, 這是因?yàn)槎鄬俞槾虖?fù)合非織造布是由單層復(fù)合而成的,單層針刺土工布的面密度、厚度等相對(duì)更不均勻,測(cè)試撕破強(qiáng)力時(shí)容易從薄弱環(huán)節(jié)斷裂,因此,多層復(fù)合型針刺土工布的撕破強(qiáng)力更高．

2.4 拉伸性能

采用GB/T 24218.3—2010《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(樣條法)》進(jìn)行測(cè)試,采用UTM4304電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),試樣大小50mm×200mm,縱橫向各測(cè)5塊．兩類樣品拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表7，8.

表 7 單層針刺非織造土工布的拉伸性能Table 7 Tensile properties of single needle-punched nonwoven geotextile N

表 8 多層復(fù)合型針刺非織造土工布的拉伸性能Table 8 Tensile properties of multilayer composite needle- punched nonwoven geotextile N

從表7，8可以看出,無(wú)論是一次針刺而成的單層土工布還是多層復(fù)合型的非織造布,隨著面密度的增加,拉伸強(qiáng)力逐步提高,橫向拉伸強(qiáng)力都大于縱向拉伸強(qiáng)力,這是交叉鋪網(wǎng)針刺非織造布基本特點(diǎn)所決定的．與一次針刺而成的單層土工布相比,多層復(fù)合針刺土工布的拉伸強(qiáng)力也明顯大于單層土工布．這可能是因?yàn)橐淮涡葬槾绦纬傻膯螌油凉げ嫉拿婷芏?、厚度、纖維的分布等均勻性都差于多層針刺復(fù)合非織造布,試樣拉伸時(shí)容易從薄弱的環(huán)節(jié)斷裂,因此多層復(fù)合土工布的拉伸強(qiáng)力相對(duì)較高．

2.5 破裂性能

破裂是指將垂直于試樣的負(fù)荷作用于一定面積，周圍固定的試樣上,直至試樣破裂的過(guò)程．它是多向受力的結(jié)果,所以破裂性能是土工布性能的一個(gè)重要指標(biāo)．土工布破裂性能的測(cè)試方法主要有彈子法和液壓脹破法,文中采用彈子法進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)GB/T14800—2010《土工合成材料 靜態(tài)頂破試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn),選用YG026D-100型電子強(qiáng)力儀進(jìn)行測(cè)試．每個(gè)試樣測(cè)5次求平均值．不同面密度下2種類型非織造土工布平均頂破強(qiáng)力比較如圖1所示．

圖 1 兩種非織造土工布平均頂破強(qiáng)力比較圖Fig.1 Comparison chart of average bursting strength of two nonwoven geotextiles

從圖1可以看出,不論是一次成型非織造土工布還是復(fù)合型非織造土工布,隨著面密度的增加，兩種非織造土工布的平均頂破強(qiáng)力都是不斷地增加,這是因?yàn)槠渌麠l件相同的情況下隨著面密度的增加,土工布橫截面內(nèi)纖維數(shù)量增加，頂破強(qiáng)力也增加．在針刺密度和面密度相同的情況下復(fù)合型非織造土工布的頂破強(qiáng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一次針刺形成的單層土工布,且隨著復(fù)合層數(shù)的增加頂破強(qiáng)力的這種差異有擴(kuò)大的趨勢(shì)．這是由于頂破強(qiáng)力對(duì)土工布面密度、厚度、纖維分布等均勻性更為敏感,多層復(fù)合型非織造土工布由于是多個(gè)單層疊加在一起復(fù)合而成的,改善了單層針刺非織造布的厚度、定量、纖維分布等方面的均勻性,使得多層針刺復(fù)合土工布的頂破強(qiáng)力明顯高于同規(guī)格的單層針刺土工布．

3 結(jié) 論

(1) 與同規(guī)格的單層針刺土工布相比,多層針刺復(fù)合土工布的厚度稍小于一次性針刺形成的單層土工布．

(2) 與同規(guī)格的單層針刺土工布相比,多層針刺復(fù)合土工布的縱橫向撕破強(qiáng)力、縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力均高于一次性針刺形成的單層土工布．特別是頂破強(qiáng)力,在不同的面密度下,相同針刺密度的多層復(fù)合型土工布都要明顯高于單層針刺土工布,且隨著層數(shù)的增加這種差異會(huì)更加明顯．

(3) 通過(guò)比較兩種非織造土工布的性能可以看出,多層復(fù)合型針刺土工布的機(jī)械性能優(yōu)于單層針刺土工布．因此,通過(guò)多層針刺復(fù)合的形式可以顯著提高針刺土工布的力學(xué)性能．

[1] 王永欣,王萍,馬倩.不同組織結(jié)構(gòu)滌綸織物的刺破實(shí)驗(yàn)分析及破壞形態(tài)[J].纖維復(fù)合材料,2010,30(2):30-35.

WANG Yongxin,WANG Ping,MA Qian.Puncture experimental investigations and damage mode of polyester fabrics with different weave structures[J].Journal of Fiber Composite Materials,2010,30(2):30-35.

[2] 范曉玲，郭秉臣.非織造土工布的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].非織造布，2001，9(1):37-40.

FAN Xiaoling,GUO Bingchen.The development and application of nonwoven geotextile[J].Journal of Nonwovens,2001,9(1):37-40.

[3] 靳向煜,吳海波，任慕蘇，等.我國(guó)土工織物技術(shù)及應(yīng)用前景[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，40(2):157-160.

JIN Xiangyu,WU Haibo,REN Musu,et al.Technology and applicational prospects of geotextiles[J].Jouranl of Donghua University:Natural Science Edition,20145,40(2):157-160.

[4] 姜寧.非織造布破裂強(qiáng)力測(cè)試方法的研究[J].紡織標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2000(3):25-28.

JIANG Ning.Study on nonwoven fabric bursting strength testing method[J].Textile Standards and Quality,2000(3):25-28.

[5] 錢(qián)競(jìng)芳.試樣層數(shù)對(duì)針刺非織造土工織物滲透性測(cè)定的影響[J].非織造布,2001,9(3):41-43.

QIAN Jingfang.Sample layer on measurement of needle-punched nonwoven geotextiles permeability[J].Journal of Nonwovens,2001,9(3):41-43.

[6] 李素英,張瑜,范立元，等.超長(zhǎng)滌綸短纖維針刺土工布性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2014,4(1):14-17.

LI Suying,ZHANG Yu，F(xiàn)AN Liyuan,et al.Study on properties of long polyester staple fiber needle-punched nonwoven geotextile[J].Journal of Industrial Textiles,2014,4(1):14-17.

[7] TAHIR H S.針刺土工布設(shè)計(jì)及性能的新進(jìn)展[J].吳英,譯.產(chǎn)業(yè)用紡織品,2002,20(11):36-41.

TAHIR H S.Nonwoven fabric design and performance of the new progress[J].Translated by Wuying.Industrial Textiles,2002,20(11):36-41.

[8] MORTEZA Vadood.Predicting the color index of acrylic fiber using fuzzy-genctic approach[J].The Textile Institute,2013,105(7):778-779.

[9 ] 李瑛,張得昆,張星.疊層織物的抗刺破性能研究[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2013，27(1):37-39.

LI Ying,ZHANG Dekun,ZHANG Xing.Anti-puncture performance of laminated fabrics[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2013,27(1):37-39.

[10] 孫璇，童明波.碳纖維織物布層壓復(fù)合材料濕熱環(huán)境疲勞后剩余壓縮強(qiáng)度[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2016，33(3):535-543.

SUN Xuan.TONG Mingbo.The carbon fiber fabric cloth laminated composite hot and humid environment after the fatigue residual compression strength[J].Journal of Composite Materials,2016,33(3):535-543.

[11] 鄭濤，倪波，史曉昆.復(fù)合多層織物的熱濕性能分析[J].棉紡織技術(shù)，2003，31(11):645-648.

ZHENG Tao,NI Bo，SHI Xiaokun.Moisture-heat permeability analysis of multi-layer fabrics[J].Cotton Textile Technology,2003，31(11):645-648.

編輯、校對(duì)：田莉

Testing of multilayer needle-punched composite nonwoven geotextile performance

JIA Fang,ZHANG Dekun

(School of Textile and Materials, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048,China)

The mechanical properties of the multi-layer needle-punched composite nonwoven geotextile are explored.With polyester fiber as raw material, using the method of needle-punched nonwoven production in the same density,monolayer nonwoven geotextile of density 70g/m2, 140g/m2, 210g/m2, 280g/m2, 350g/m2are respectively produced.Then on the basis of 70g/m2needle-punched nonwovens, the density of 140g/m2, 210g/m2, 280g/m2, 350g/m2composite nonwoven geotextile are produced.The two kinds of nonwoven geotextiles mechanical properties are tested and analyzed.The results show that compared with the same specification monolayer nonwoven fabric, the layer number of these differences will be more obvious and it has polynomial function relationship.Therefore, the form of a multilayer needle-punched compound acupuncture can significantly improve the mechanical properties of nonwoven fabric.

needle-punched geotexile; multi-layer composite; bursting strength

1674-649X(2016)04-0411-05

10.13338/j.issn.1674-649x.2016.04.001

2015-12-03

陜西省功能性服裝面料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(14JS038)

張得昆(1962—),男,甘肅省金昌市人,西安工程大學(xué)教授級(jí)高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榉强椩觳牧吓c工程．

E-mail:dk-zhang@163.com

賈芳,張得昆.多層針刺復(fù)合非織造土工布的性能測(cè)試[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，30(4)：411-415.

JIA Fang,ZHANG Dekun.Testing of multilayer needle-punched composite nonwoven geotextile performance[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2016，30(4)：411-415.

TS 106.5

A