曾月寧，于 賓，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

針刺參數(shù)對PAN預(yù)氧化纖維損傷和纏結(jié)程度的影響

曾月寧，于 賓，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

PAN預(yù)氧化纖維具有優(yōu)良的耐高溫性能，可用來制備高溫濾料。采用常規(guī)實驗測試和霍夫變換法分析了針刺頻率、針刺深度和針刺道數(shù)對PAN預(yù)氧化纖維針刺非織造材料中纖維損傷和纖維纏結(jié)的影響,并分析了使用霍夫變化法獲得的纖維直線段長度在表征纖維纏結(jié)程度受針刺深度影響時的局限性。

針刺參數(shù) PAN預(yù)氧化纖維 纖維損傷 纖維纏結(jié)

0 引言

非織造材料是由隨機排列的纖維網(wǎng)經(jīng)機械、熱粘合或化學(xué)粘合等方式加固獲得的，其獨特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使非織造材料具有孔隙率高、透氣性好和吸附性能優(yōu)良等特點[1]。經(jīng)過不斷發(fā)展，非織造材料廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)療衛(wèi)生、過濾、汽車和航空航天等領(lǐng)域[2-5]。隨著近年來我國環(huán)境治理壓力的不斷增大，針刺耐高溫過濾材料獲得極大的關(guān)注。目前主要使用的耐高溫過濾材料有玻璃纖維、聚苯硫醚纖維、芳香族聚酰胺纖維、聚酰亞胺纖維、玄武巖纖維、芳砜綸纖維和聚四氟乙烯纖維等[6-10]。聚丙烯腈(PAN)預(yù)氧化纖維是由PAN在空氣中經(jīng)180℃-300℃的高溫氧化獲得的，它是制備高品質(zhì)碳纖維的前驅(qū)體[11]。由于其具有優(yōu)良的耐高溫性能、一定的紡織加工性和價格低廉等優(yōu)點，它可以適用于防火、保溫、阻燃等領(lǐng)域，也是耐高溫濾料的潛在使用原料[12-13]。但由于預(yù)氧化纖維強力低和易脆性的缺點，在針刺加固過程中難免會受到損傷。研究針刺工藝對預(yù)氧化纖維損傷的影響，有利于現(xiàn)實生產(chǎn)中產(chǎn)品的設(shè)計和針刺工藝的選擇。

非織造材料的主要性能由構(gòu)成其纖維的性能和結(jié)構(gòu)特征決定，其中結(jié)構(gòu)特征的主要指標(biāo)中包括纖維的排列方向和纏結(jié)程度。近二十年來，計算機技術(shù)不斷的被應(yīng)用于紡織材料領(lǐng)域，其中圖像分析技術(shù)在非織造材料微觀結(jié)構(gòu)分析和建模分析中的應(yīng)用得到不斷的深化[14-16]。非織造材料結(jié)構(gòu)圖像中亮度會由亮到暗或由暗到亮的周期性變化，傅里葉變換(Fourier transform)能把這一灰度強度空間分布轉(zhuǎn)化成一定規(guī)律的頻率分布，以獲取纖維的取向分布等結(jié)構(gòu)信息[17-18]。另外，將非織造材料中的纖維段理想化為均勻無卷曲的直線段，采用霍夫變換(Hough transform)法將這些纖維段識別出來，以獲取纖維取向和相對長度信息[19-20]。拉夫堡大學(xué)的學(xué)者，以霍夫變換法獲得的纖維取向為基礎(chǔ)，使用有限元分析軟件Msc.marc建立纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)熱粘合非織造材料模型，分析了織物在受到拉伸載荷下纖維的再取向、載荷在纖維中的分布變化以及織物失效等現(xiàn)象[21]。在非織造材料纖維纏結(jié)程度研究方面，利茲大學(xué)的學(xué)者基于動態(tài)遞歸分割，以模擬的纖維網(wǎng)為研究對象，采用拓撲和幾何原理量化纖維纏結(jié)程度[22-23]。

在預(yù)氧化纖維耐高溫針刺濾料制備過程中，我們發(fā)現(xiàn)織物強力受針刺工藝影響非常顯著，而非織造材料的強度主要由纖維強度及其纏結(jié)程度決定。為此，我們嘗試結(jié)合常規(guī)測試和圖像分析技術(shù)的方法研究針刺頻率、針刺深度和針刺道數(shù)對纖維損傷和纏結(jié)程度的影響。

1 實驗材料和方法

實驗所用的預(yù)氧化纖維針刺非織造材料由唯多維(天津)科技有限公司提供，所使用的PAN預(yù)氧化纖維相關(guān)性能如表1所示。在制備過程中，預(yù)氧化纖維經(jīng)開始、梳理和平行鋪網(wǎng)制備成面密度為400 g/m2的纖維網(wǎng)，纖維網(wǎng)以1.66m/min的速度喂入針刺機。在其他工藝不變的條件下，改變針刺頻率、針刺深度或針刺道數(shù)以獲得相關(guān)樣品。所使用的7種樣品相關(guān)針刺工藝參數(shù)如表2所示。

表1 預(yù)氧絲基本性能

表2 針刺實驗參數(shù)

根據(jù)GB/T24218.3-201非織造布拉伸性能測試方法，用Instron3369萬能強力儀進行拉伸實驗以獲取樣品的縱向拉伸強度。樣品尺寸為50mm×200mm，夾持距離為100 mm，定速拉伸速度為100mm/min，每個樣品測試5組試樣求平均值。從非織造材料樣品的不同部位逐根抽出纖維，測量其伸直長度作為非織造材料中纖維的長度。抽拔纖維過程中要避免纖維斷裂，每個樣品測試500根。樣品的顯微圖像由掃描電鏡(SEM，TM-1000，日本)獲得。采用圖像分析技術(shù)中的霍夫變換法獲取纖維直線段相對長度信息。

2 霍夫變換

霍夫變換最初是為了簡化從二值圖像中檢測直線段的過程，隨后其被推廣用來檢測不同的曲線，如圓形、橢圓，甚至是實體結(jié)構(gòu)。霍夫變換的中心思想是將圖像中的某種結(jié)構(gòu)特征映射成合適的參數(shù)空間形式[24]。通過霍夫變換可以識別非織造材料圖像中直線纖維段以獲得纖維取向分布函數(shù)。直角坐標(biāo)系中的一條直線L可以用兩個參數(shù)在極坐標(biāo)系中進行表示：r=xcos(θ)+ysin(θ)，其中r為從原點到直線L的法線距離，θ為法線與x軸的夾角。二值圖像經(jīng)過邊緣檢測后，霍夫變換將直角坐標(biāo)系中的一點(x，y)轉(zhuǎn)換為θ-r參數(shù)空間內(nèi)的一條正弦曲線。圖像空間中同一直線上的點(xi，yi)在參數(shù)空間中形成一系列的正弦曲線r=xicos(θ)+yisin(θ)，它們彼此交叉于一點P(θ，r)。對于一定范圍的參數(shù)θ和r，每個點(xi，yi)都映射到霍夫空間里，映射到位置(rm，θm)上的點被累加到一個二維直方圖中，在霍夫空間內(nèi)的強度局部最大值被識別為原圖像中的直線部分[25]。這樣就可以檢測出非織造材料中的纖維直線段部分。

霍夫變換檢測非織造材料纖維在MATLAB 軟件中進行，所編寫的程序處理過程中如圖1所示。

圖1 霍夫變換檢測纖維過程

樣品的顯微圖像由SEM 獲得，這是因為與其他光學(xué)顯微鏡相比，SEM 即使在較高放大倍數(shù)下仍舊有較大的景深，有利于獲得樣品厚度方向上更多的纖維信息[14]。為了獲得清晰的單根纖維和更多的結(jié)構(gòu)信息，我們選擇放大100倍的SEM 圖像用來進行霍夫變換處理。另外，為了避免圖片的明亮度不均勻?qū)Y(jié)果的影響，我們預(yù)先將圖片分解成4個不重疊的方形子圖進行計算，并綜合每個子圖的結(jié)果作為整個樣品圖片的最終結(jié)果[26]。

3 針刺工藝對纖維損傷的影響

針刺非織造材料的強度是經(jīng)刺針的機械加固作用獲得的。在針刺過程中，刺針刺入纖維網(wǎng)，在刺鉤帶動作用下，纖維網(wǎng)上層的纖維隨著刺針在垂直方向上向下層運動。當(dāng)刺鉤達到一定深度后，刺針回升，但產(chǎn)生移動的纖維會保持以幾乎垂直狀態(tài)留在纖維網(wǎng)中，形成許多的纖維束，從而形成纖維纏結(jié)，提高織物強度。在此過程中，纖維主要發(fā)生了兩方面的變化，一是纖維位置變化，二是纖維損傷。其中纖維損傷主要有兩種形式：斷裂比強度降低[27]。由于PAN 預(yù)氧絲的斷裂強度較低(如表1所示)，我們發(fā)現(xiàn)針刺對纖維損傷主要表象為纖維斷裂。不同工藝條件所制備樣品的纖維長度分布如圖2所示。

不同針刺頻率對纖維長度分布影響如圖2(a)所示。在其他工藝條件不變的情況下，隨著針刺頻率的增加短纖維數(shù)量增多，纖維長度整體呈逐漸減小趨勢。這是因為針刺頻率的增加意味著單位時間內(nèi)針刺數(shù)增加，而步進量不變，造成非織造材料單位面積內(nèi)針刺數(shù)增加，針刺作用對纖維損傷度增加。對于A1和A2，他們相應(yīng)的纖維主體長度范圍分別為40mm～45mm和31mm～36mm，可以發(fā)現(xiàn)針刺頻率由100刺/min增加到240刺/min時，纖維長度有明顯降低。然而，對于針刺頻率增加到380刺/min的A3，其纖維主體長度范圍僅為22mm～24mm，與A1比較，長度減小更為明顯。造成這一現(xiàn)象的原因是，隨著針刺頻率增加，刺針作用力提升，當(dāng)作用力達到一定程度后，部分纖維受到刺鉤作用還沒有來得及轉(zhuǎn)移就發(fā)生斷裂。

圖2(b)是不同針刺深度時針刺預(yù)氧絲非織造材料中纖維長度分布情況。針刺深度增加，纖維在纖維網(wǎng)厚度方向上的位移增大，纖維受到刺鉤拉力增大，容易造成纖維的斷裂，因此隨著針刺深度增加，纖維長度有減小的趨勢。適當(dāng)增加針刺深度有利于纖維在織物平面和厚度方向上的勾結(jié)加強，提高非織造材料的拉伸斷裂強度。但是，當(dāng)針刺深度增加到一定程度后，針刺作用對纖維的損傷會變大更加明顯，當(dāng)針刺深度由9 mm增加到12 mm時，纖維主體長度下降了約6 mm，遠大于針刺深度由6 mm增加到9 mm時，纖維主題長度下降的3 mm。由此可知，選擇合適的針刺深度對獲得較高的織物強力和減小纖維損傷至關(guān)重要。

圖2(c)為不同針刺道數(shù)對纖維長度分布的影響。隨著針刺道數(shù)的增加，預(yù)氧絲針刺非織造材料的針刺密度提高，單位面積內(nèi)纖維受到刺針的作用增加。針刺作用難免會對纖維造成損傷，因此纖維長度有一定的減小。然而，針刺道數(shù)由2變?yōu)?時的纖維長度變化明顯大于針刺道數(shù)由1變?yōu)?時的變化，這是由于針刺道數(shù)由1變?yōu)?時，纖維網(wǎng)中纖維相互間作用力較小，刺針帶動纖維轉(zhuǎn)移較容易，纖維不易造成斷裂。當(dāng)針刺道數(shù)增加為3時，纖維網(wǎng)中的纖維束較多，纖維間纖維纏結(jié)作用力較強，纖維隨刺針的轉(zhuǎn)移就不那么容易，纖維斷裂增多。

(a)

(b)

(c)

4 針刺工藝對纖維纏結(jié)的影響

纖維經(jīng)針刺作用發(fā)生纏結(jié)，使纖維網(wǎng)機械強度增加。在纖維纏結(jié)過程中，纖維從纖維網(wǎng)的表層或次表層向垂直方向運動，部分纖維段留在了垂直方向，同時纖維發(fā)生彎轉(zhuǎn)、扭曲。這一現(xiàn)象導(dǎo)致纖維在水平面上直線段長度減小，小的纖維直線段長度意味著較大的纖維纏結(jié)[28]。本部分，我們使用由霍夫變換獲得的纖維直線段長度表征纖維纏結(jié)程度。不同針刺工藝參數(shù)下纖維直線段長度分布如圖3所示。圖中水平軸所示的纖維長度并非纖維真實長度，而是纖維直線段相對長度指數(shù)。

圖3(a)為不同針刺頻率下纖維直線段長度變化。A1、A2和A3纖維直線段主體長度范圍分別為240～270，180～210 和120～150，由此我們發(fā)現(xiàn)隨著針刺頻率的增加，纖維直線段長度整體呈下降趨勢。其他工藝參數(shù)一定的情況下，較高的針刺頻率意味著較大的針刺密度。隨著針刺頻率增加，纖維網(wǎng)單位面積內(nèi)形成的纖維束增加，平面上更多的纖維在刺針作用下轉(zhuǎn)移到垂直方向，提高纖維纏結(jié)程度。由上一部分可知，較高針刺頻率帶來較大程度纖維纏結(jié)的同時，也會增加纖維損傷。因此在PAN預(yù)氧絲針刺非織造材料加工時要均衡纖維纏結(jié)和損傷之間的關(guān)系，選擇合適的針刺頻率參數(shù)尤為重要。

針刺深度對PAN預(yù)氧絲非織造材料纖維直線段長度影響如圖3(b)所示。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，樣品B1和B2的纖維直線段長度指標(biāo)在150～210之間，所測試的三種針刺深度的樣品纖維直線段主體長度變化不明顯。但是，隨著針刺深度的增加，較短的纖維直線段數(shù)量有所增加，而較長的纖維段數(shù)量有所減少，說明纖維纏結(jié)程度有一定增加。隨著針刺深度的增加，隨刺鉤運動的纖維在垂直方向上轉(zhuǎn)移量增加，提高纖維間纏結(jié)長度。然而，刺鉤從纖維網(wǎng)表層帶走的纖維數(shù)量是一定的，不會隨著針刺深度增加而有明顯變化。我們通過霍夫變換獲得的纖維直線段長度僅局限于纖維網(wǎng)表層或次表層的纖維，而無法獲得垂直方向上纖維變化的信息。為此采用霍夫變換法獲得的纖維直線段長度變化不甚明顯，用該方法表征纖維纏結(jié)程度受針刺深度影響時有一定的局限性。

針刺道數(shù)對PAN預(yù)氧絲非織造材料纖維直線段長度分布影響如圖3(c)所示。如分布圖所示，隨著針刺道數(shù)增加，樣品A2和C2的纖維直線段長度相對于C1有明顯降低。增加針刺道數(shù)意味著提高非織造材料的針刺密度，單位面積內(nèi)更多的纖維在垂直方向上由一層到另一層發(fā)生轉(zhuǎn)移彼此產(chǎn)生相互作用，更多的纖維段保留在纖維網(wǎng)厚度方向上，纖維直線段長度減小。由表2可知，隨著針刺道數(shù)增加，結(jié)合纖維纏結(jié)和纖維損傷的雙重作用，PAN預(yù)氧絲針刺非織造材料的斷裂強度C1到A2有所增加，而A2到C2有所降低。因此對于本研究而言，針刺道數(shù)為2是較理想的選擇。

(a)

(b)

(c)

5 結(jié)論

PAN預(yù)氧絲是制備高性能碳纖維的理想材料，其本身具有的耐高溫和耐化學(xué)穩(wěn)定性及較低價格使其有望成為較理想的耐高溫濾料原料。在制備PAN針刺耐高溫過濾材料的過程中，我們采用常規(guī)試樣和圖像分析技術(shù)研究了針刺頻率、針刺深度和針刺道數(shù)對纖維損傷和纖維纏結(jié)的影響。

通過實際測量非織造材料中纖維的真實長度來評價針刺工藝參數(shù)對纖維損傷的影響。隨著針刺頻率、針刺深度和針刺道數(shù)的增加，纖維長度下降，纖維損傷加劇。另外，相對于針刺道數(shù)由1增加到2，針刺道數(shù)由2增加到3時刺針對纖維的損傷更加嚴(yán)重。通過霍夫變換法獲得非織造材料中纖維直線段長度用來表征纖維纏結(jié)程度。隨著針刺頻率和針刺道數(shù)的增加，纖維直線段長度具有明顯降低。但是，針刺深度對纖維直線段長度變化的影響較小，分析原因是受限于霍夫變換所檢測的纖維僅局限于非織造材料纖維網(wǎng)的表層。

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2016-11-05

國家自然科學(xué)基金項目(51206122)

曾月寧(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：非織造耐高溫過濾材料的制備。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

TS101

A

1008-5580(2017)01-0069-05