劉造芳,張得昆,張 星,賈 芳

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

墻紙作為室內(nèi)裝修的主要材料,已不再是簡單的裝飾品,而是彰顯人們品味的藝術(shù)品,目前市面上的墻紙大多都易燃,近年來室內(nèi)火災也頻繁發(fā)生,因此阻燃墻紙的需求日益迫切,具有廣闊的市場前景[1-2].玻璃纖維因具有良好的阻燃性、耐腐蝕性和耐化學性能[3],使其成為了防火阻燃墻紙的首選纖維.濕法非織造技術(shù)具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高、成本低等特點[4].因此采用濕法非織造技術(shù)開發(fā)的玻璃纖維墻紙,不僅阻燃效果優(yōu)良,成本低,還有利于減少火災的發(fā)生和損害,具有良好的社會經(jīng)濟效益.但利用玻璃纖維制成的濕法非織造薄氈基材也存在強力低、耐磨性差，玻璃纖維容易從薄氈中掉落的缺點[5-6],使其使用受到了限制.因此如何改善玻璃纖維濕法非織造薄氈的強力、耐磨性顯得尤為重要.姚剛[7]對玻璃纖維濕法薄氈強力進行了研究,得出短切纖維分散的均勻性、粘合劑的含量對玻璃纖維濕法非織造材料強力有影響,但粘合劑的含量不易控制,過低強力改善不明顯,過高易導致薄氈發(fā)脆、柔韌性下降.賈芳[8]等將木漿纖維與玻璃纖維進行混合制備玻璃纖維濕法薄氈,提高了玻璃纖維濕法薄氈的強力和耐磨性,但木漿纖維的加入在一定程度上降低了玻璃纖維濕法薄氈的阻燃性.鄧超[9]等對濕法成形的玻璃纖維非織造材料加筋技術(shù)進行研究,得出通過加筋能提高玻璃纖維濕法非織造材料的強力,但加筋技術(shù)需對濕法成型設備進行改裝,操作難度較大.涂層處理是指在織物表面涂覆一層材料,以達到改變織物性能的效果[10],而目前采用涂層處理來改善濕法玻璃纖維非織造薄氈的強力、耐磨性的研究卻鮮有報道.因此論文對玻璃纖維濕法非織造薄氈進行涂層處理,以期改善玻璃纖維濕法非織造薄氈的強力和耐磨性能,解決玻璃纖維濕法非織造薄氈中易掉落及染色困難的問題,使生產(chǎn)出的纖維薄氈滿足后續(xù)加工和實際使用時對強力和耐磨性能的要求.

1 實 驗

1.1 材料及儀器

1.1.1 樣品 玻璃纖維濕法非織造薄氈數(shù)塊(面密度為100.67 g/m2).

1.1.2 涂層劑 水性聚氨酯溶液(固含量為45%,黏度≤200 mPa·s,安徽安大華泰有限公司).

1.1.3 化學助劑 增稠劑(羥乙基纖維素,白色絮狀粉末,批號:M1438)，成膜助劑(丙二醇乙醚,天津市光復精細化工研究所)，pH調(diào)節(jié)劑(稀鹽酸)等.

1.1.4 儀器 FA1004A電子天平(上海皓莊儀器公司),YG461L型數(shù)字織物透氣儀(萊州市電子儀器公司),YD141D厚度儀、YG(B)026D-500型電子織物強力機、YG401C-8型織物平磨儀(溫州大榮紡織儀器公司),ZWHD-10平滑度測試儀(濟南三泉中石實驗儀器有限公司),202-3A型烘箱、M 601型織物垂直燃燒測試儀 (萊州市電子儀器有限公司),浸漬槽等.

1.2 正交試驗方案

涂層劑濃度、浸漬時間、烘焙溫度是影響涂層后玻璃纖維濕法非織造薄氈性能的重要因素,因此以涂層劑濃度、浸漬時間、烘燥溫度為因素,每個因素選擇4個水平,設計正交試驗方案.因素和水平見表1.分別以拉伸強力、透氣性、耐磨性作為考察指標,對涂層工藝參數(shù)進行優(yōu)化.

表 1 正交實驗因素水平表

1.3 涂層整理工藝

濕法涂層工藝能使織物與涂層材料充分接觸,涂層劑與織物之間能夠緊密結(jié)合[11],適合于經(jīng)不起張力的輕薄織物,且涂層后的織物具有較好的柔韌性和較高的封閉性.水性聚氨酯涂層劑具有不易燃燒、無毒無害、環(huán)境污染小以及易加工等特點[12],因此以水性聚氨酯為涂層劑，選用濕法涂層工藝對玻璃纖維濕法非織造薄氈進行涂層處理.

1.3.1 涂層液的制備 在固含量為45%的水性聚氨酯中添加適量的去離子水,分別制成體積分數(shù)為15%,25%,35%,45%的水性聚氨酯溶液.并在水性聚氨酯中添加適量的其他化學助劑，進行均勻混合，利用轉(zhuǎn)速為2 500 r/min高速攪拌器進行攪拌,制成均勻涂層液靜置24 h.所添加的化學助劑種類如表2所示.

表 2 化學助劑的種類與主要作用

1.3.2 涂層工藝 將濕法玻璃纖維薄氈浸漬在制備好的涂層液中,浸漬適當時間取出,刮涂掉多余的浸漬液.

1.3.3 烘燥工藝 利用烘箱對涂層后的玻璃纖維濕法非織造薄氈進行烘燥.

1.4 性能測試

1.4.1 定量測試 參照標準GB/T 24218.1—2009《紡織品非織造布實驗方法第1部分:單位面積質(zhì)量的測定》進行測試.實驗制得的玻璃纖維濕法非織造薄氈是直徑為200 mm的圓形薄片,取該試樣10塊,利用電子天平分別稱重,計算每個試樣的單位面積質(zhì)量,以10塊試樣的平均值作為樣品的單位面積質(zhì)量.

1.4.2 厚度測試 參照標準GB/T 24218—2009《紡織品非織造布測試方法 第二部分:厚度的測定》進行測試.取10塊直徑為200 mm的試樣,利用125cN的砝碼對待測織物進行加壓,壓腳面積為2 500 mm2,加壓10 s,每個試樣隨機選5個位置測試,得出每個試樣的平均厚度,最后再求出10塊試樣的平均厚度.

1.4.3 透氣性測試 參照標準GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測試》進行測試.取10塊試樣,設置壓強為200 Pa,每個試樣隨機選5個位置測試,得出每塊試樣的平均透氣率,最后再求出10塊試樣的平均透氣率.

1.4.4 拉伸性能測試 參照標準GB/T 24218.3—2010《非織造布斷裂強力及斷裂伸長率的測定 (樣條法)》進行測試.由于樣品尺寸的限制,試樣剪裁為50 mm×190 mm,強力機的夾持距離設置為100 mm,拉伸速度為100 mm/min;取10塊分別測定其斷裂強力和斷裂伸長率,再計算其平均值.在測試過程中,夾具夾持試樣時夾持力大小要合適,過大可能會壓傷玻璃纖維薄氈,過小試樣可能會在夾頭中打滑.拉伸過程中如果試樣在夾具鉗口部位斷裂或在夾具中發(fā)生滑動,則該次測試無效,需要換新試樣重新測試.

1.4.5 撕裂強力測試 參照標準FZ/T 60006—1991《非織造布撕破強力的測定》進行測試. 試樣剪裁為50 mm×190 mm,設置強力機的夾持距離為100 mm,拉伸速度為100 mm/min,取10塊試樣分別測定其撕裂強力,再計算其平均值.

1.4.6 耐磨性測試 參照標準ISO1247—2:1998《馬丁代爾織物耐磨性的測定 第二部分:試樣的破損》進行測試.把樣品裁剪為直徑為38 mm的試樣10塊,安裝在馬丁代爾試樣耐磨夾具內(nèi),添加597 g的試驗摩擦總負荷進行測試,根據(jù)試樣的破損情況來確定每個試樣總的摩擦次數(shù),再求其平均值.

1.4.7 阻燃性能測試 參照標準GB/T 5455—1997《紡織織物燃燒性能測定 垂直法》進行測試.取10塊試樣,分別測定每塊試樣的損毀長度、續(xù)燃時間、陰燃時間,再計算各平均值.

1.4.8 平滑度測試 參照標準GB/T456—2002《紙和紙板平滑度的測定(別克法)》進行測試,取10塊試樣,分別測定其涂層面平滑度,再求其平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果及分析

表3為正交試驗結(jié)果,以透氣性、耐磨性、拉伸強力作為考察指標,正交試驗結(jié)果分析見表4.

極差反映各因素對實驗結(jié)果的影響,極差越大,說明該因素對于實驗結(jié)果的影響越大,則該因素為主要因素.極差越小,說明該因素對于實驗結(jié)果的影響較小,則該因素為次要因素[13].

表 3 正交試驗結(jié)果

表 4 正交試驗結(jié)果分析

從表4可以看出,三個因素對于透氣性的影響程度依次為A>C>B,即涂層劑的濃度對透氣性的影響最大,是主要因素;烘燥溫度對透氣性的影響其次,即為次要因素,浸漬時間對于透氣性的影響最弱.對透氣性這一指標而言,隨著涂層劑濃度的增加,大量的涂層劑顆粒進入玻璃纖維濕法非織造薄氈的空隙里,使得玻璃纖維濕法非織造薄氈的孔徑減小,透氣性下降.當涂層劑的濃度達到45%時,其透氣性最低.所以要求涂層劑的濃度越小越好.從表4可以直觀地看出,當涂層劑的濃度為15%,浸漬時間為90 s,烘焙溫度為150 ℃時其透氣性最大,即最佳涂層方案為 A1B4C4.

三個因素對于拉伸強力的影響程度為A>C>B,即涂層劑的濃度對拉伸強力的影響最大為主要因素,浸漬時間對強力的影響最小為次要因素.從表4可以看出,對于拉伸強力而言最優(yōu)的涂層方案為A4B2C3.

對耐磨性而言,三個因素對耐磨性的影響程度為A>C>B,即涂層劑的濃度對涂層后玻璃纖維濕法薄氈耐磨性的影響最大,烘燥溫度次之,浸漬時間最小.且隨著涂層劑濃度的增加,耐磨性能增加,這是因為涂層后的玻璃纖維薄氈中玻璃纖維被裹在涂層劑中,使得玻璃纖維不易掉落.最優(yōu)涂層方案為A4B3C2.即涂層劑的濃度為45%,浸漬時間為70 s,烘燥溫度為90 ℃.

在正交試驗中,如果要求指標越大越好,則應取因素效應值比較大的水平；如果要求指標越小越好,則應取效應值比較小的水平[13].也可從優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗等原則進行考慮,這樣可以更加貼近實際進行優(yōu)化生產(chǎn).

本實驗中,涂層的主要目的是為了提高玻璃纖維濕法非織造薄氈的強力與耐磨性,通過正交實驗得出涂層劑的濃度是影響涂層后玻璃纖維濕法薄氈的強力與耐磨性的主要因素,當涂層劑濃度為45%時,其強力與耐磨性均達到最好.烘燥溫度對強力與耐磨性的影響次之,為次要因素;而浸漬時間對強力與耐磨性的影響最小.再考慮到低消耗、低耗能,因此選擇最優(yōu)的方案為A4B1C2.即涂層劑的濃度為45%,浸漬時間為30 s,烘燥溫度為90 ℃.

2.2 涂層后玻璃纖維濕法非織造薄氈的性能測試及分析

采用最佳的涂層工藝參數(shù)對玻璃纖維濕法非織造薄氈進行涂層,對涂層后的玻璃纖維濕法薄氈進行性能測試.

2.2.1 外觀效果 經(jīng)最佳涂層工藝處理過的玻璃纖維濕法薄氈表面平滑度很高,涂層劑在玻璃纖維濕法非織造薄氈的表面形成了一層均勻的薄膜,將玻璃纖維封閉在了里面,且該玻璃纖維濕法薄氈具有較好的柔韌性.為進一步探究涂層后玻璃纖維濕法非織造薄氈內(nèi)部情況,對涂層前后的玻璃纖維濕法非織造墻紙進行掃描電鏡測試,圖1(a),(b)分別為涂層前后掃描電鏡照片.可以看出未經(jīng)涂層的玻璃纖維濕法薄氈纖維之間空隙較大,纖維與纖維之間幾乎沒有相互糾纏,仍然是獨立的個體.而涂層后玻璃纖維濕法非織造薄氈內(nèi)部空隙已被涂層劑填滿,纖維不再是一個獨立的個體,而是通過涂層劑的結(jié)合而形成了一個整體,在薄氈的表面形成了一層薄膜,將玻璃纖維“封閉”在了內(nèi)部.

(a) 涂層前 (b) 涂層后圖 1 玻璃纖維濕法非織造薄氈電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of glass fiber wet-laid nonvoven felt

2.2.2 物理性能測試 對涂層前后的玻璃纖維濕法非織造薄氈進行面密度、厚度、拉伸強力、耐磨性、撕裂強力、透氣性測試.其中樣品的平均面密度為110 g/m2，平均厚度為0.39 mm.將其與未涂層的玻璃纖維濕法薄氈的性能進行測試,結(jié)果如表5所示.

表 5 最佳涂層工藝涂層后玻璃纖維濕法薄氈的物理性能測試

玻璃纖維為無機纖維,不能像植物纖維那樣有分絲潤脹現(xiàn)象,也不能通過氫鍵而結(jié)合在一起[14],而且濕法成網(wǎng)工藝中,使用的纖維均為短切纖維,這使得成型后的玻璃纖維濕法非織造薄氈機械性能較低.從表5可以看出,涂層后的玻璃纖維濕法薄氈的拉伸強力、撕裂強力、耐磨次數(shù)均得到了顯著的提高,這是因為涂層后,涂層劑滲透到玻璃纖維濕法非織造薄氈的內(nèi)部空隙中,存在于纖維之間,將纖維包裹起來,使得纖維不再是一個獨立的個體,而是通過涂層劑的結(jié)合形成了一個整體.也正由于涂層劑進入玻璃纖維濕法非織造薄氈的空隙里,使得玻璃纖維濕法非織造薄氈的孔徑明顯減少,故其透氣性下降.

2.2.3 封閉效果 涂層前玻璃纖維濕法薄氈在使用過程中輕微摩擦都易掉落出玻璃纖維粉塵,這是因為玻璃纖維比較脆,易折斷,耐磨性能較差;玻璃纖維濕法薄氈中玻璃纖維長度很短,纖維間抱合力很差,加上粘合劑用量少,導致纖維容易掉落.從圖1可以看出,未經(jīng)涂層的玻璃纖維濕法薄氈纖維之間空隙較大,幾乎沒有相互糾纏,是獨立的個體.圖1(b)為玻璃纖維濕法薄氈涂層后的電鏡圖,可以看出纖維薄氈內(nèi)部空隙已被涂層劑填滿,涂層劑在薄氈的表面形成了一層薄膜,將玻璃纖維“封閉”在內(nèi)部.因此涂層后的玻璃纖維濕法非織造薄氈表面光潔、平整,經(jīng)過彎折、抖動都不會有玻璃纖維粉塵掉落.

表 6 平滑度測試結(jié)果

2.2.4 平滑度 平滑度是評價涂層織物表面凹凸程度的一個重要標志[15],涂層織物的平滑度與纖維形態(tài)、涂層工藝等因素有關(guān).平滑度根據(jù)標準QB/T1011—1991《單面涂布白板》要求可分為三個等級,當平滑度(涂布面)≥50 s時,為A等;當28 s≤平滑度(涂布面)<50 s時,為B等,當18 s≤平滑度(涂布面)<28 s時,為C等.從表6可以看出,玻璃纖維濕法非織造薄氈涂層后的平滑度明顯優(yōu)于其涂層前的平滑度,涂層后達到了最高等級A等,未涂層的玻璃纖維濕法薄氈則無法達到等級評定要求.從圖1(a)涂層前玻璃纖維濕法非織造薄氈的電鏡照片可更直觀地看出,未涂層的玻璃纖維濕法薄氈結(jié)構(gòu)比較疏松,表面和內(nèi)部的空隙較大,許多玻璃纖維裸露在玻璃纖維濕法薄氈的表面,導致玻璃纖維濕法薄氈表面凹凸不平,影響后續(xù)的染色和印花效果.但從圖1(b)可以看出,經(jīng)過涂層后的玻璃纖維濕法薄氈表面更加光滑均勻.這說明對玻璃纖維濕法薄氈進行涂層,會顯著提高玻璃纖維濕法薄氈表面光滑度,使得后續(xù)的染色印花工藝能夠順利進行.

表 7 阻燃性能測試

2.2.5 阻燃性能測試 未涂層樣品和采用最佳涂層工藝后樣品的阻燃性能測試結(jié)果如表7所示．

根據(jù)GB17591—2006《阻燃織物》標準要求,阻燃性能可根據(jù)試樣燃燒后的損毀長度、續(xù)燃時間、陰燃時間來評定,裝飾類織物當損毀長度≤150 mm,續(xù)燃時間≤5 s,陰燃時間≤5 s時為B1級阻燃．從表7可以看出,經(jīng)過涂層整理后玻璃纖維濕法薄氈的損毀化長度有所增加,即阻燃性能有所降低,這可能是因為涂層液中添加的成膜助劑阻燃性較差.但依據(jù)阻燃織物標準,涂層后的玻璃纖維濕法薄氈仍為B1級阻燃,達到了最高的阻燃要求．

3 結(jié) 論

(1) 以涂層劑濃度、浸漬時間、烘燥溫度三因素設計正交試驗,對涂層后的玻璃纖維濕法薄氈進行透氣性、拉伸強力、耐磨性等測試,得出影響各性能的因素依次為涂層劑濃度>烘燥溫度>浸漬時間.最佳涂層工藝為涂層劑濃度45%,浸漬時間30 s,烘燥溫度90 ℃.

(2) 涂層后的玻璃纖維濕法非織造墻紙的拉伸強力、耐磨性、染色性顯著提高,避免了玻璃纖維粉塵的掉落.且涂層后墻紙的平滑度、阻燃性都達到了墻紙標準.

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