国产高性能玄武岩纤维/涤纶长丝复合织物试织*

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(1. 天津工业大学纺织学部，天津,300387；2. 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津,300387)

玄武岩属于火山喷出岩,是地球上存在和分布最广的矿物之一。玄武岩纤维是以火山喷出岩作为原料,在一定温度(1 450 ℃左右)下充分熔融后[1]，通过一定手段在较高速度下迅速拉丝而制成的连续无机纤维[2]。纯天然的连续玄武岩纤维的颜色一般为褐色,有些似金色，所以又称“金色纤维”。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，是新材料产业中的一个组成部分[3-4]。

玄武岩纤维一般可分为普通玄武岩棉、超细玄武岩纤维和连续无机玄武岩纤维[5]。连续玄武岩纤维的拉伸强度为4 100～4 500 MPa[6]，而碳纤维为2 500～3 500 MPa[7]，因此连续玄武岩纤维的拉伸强度在一定程度上优于碳纤维。连续玄武岩纤维不仅具有较好的抗拉伸性能，而且还具备稳定、抗酸碱腐蚀、耐高温等多种优良性能[8]。根据目前国内玄武岩纤维的生产工艺，整个工艺流程产生的废弃物较少，对环境造成的污染可降低到最小[9-10]。玄武岩纤维制品废弃后可直接进入大自然生态环境中，几乎不会对生态环境造成任何危害，因此是一种新型的高科技绿色、无公害、环保型材料。本文所采用的是国产高性能连续玄武岩纤维。

玄武岩纤维在复合材料方面的应用范围正在迅速扩大，而且在全世界范围内复合材料的生产及应用量每年大约增长10%[11]。玄武岩纤维复合材料抗拉伸性能优良，这类产品不会随着时间的推移产生蠕变或应力松弛现象，更不会影响产品的强度或刚度[12-13]。涤纶是世界上产量最大、应用最广的一种合成纤维，涤纶具有较高强度(涤纶短纤维的强度为2.5～5.8 cN/dtex，高强力涤纶的强度为5.8～8.2 cN/dtex)，弹性与羊毛相似，并具有较好的耐磨、耐光、耐酸碱腐蚀等优良性能[14]。本文采用国产高性能玄武岩纤维作为经纱，涤纶长丝作为纬纱，利用DWL5016型半自动织样机织造经二重组织及上下接结组织织物，同时将丙纶作为纬纱进行了相应的研究。

1 织物试织

本试验所织造的织物为玄武岩经二重组织和上下接结组织。其中，经二重组织织物的构成是两个系统的经纱与一个系统的纬纱交织进行的。双层组织的表里两层紧密地连接在一起的织物称为接结双层织物，而在织里层时，表经下降和里纬交织构成接结，所形成的组织即为上下接结组织。

1.1 织物试织的要求

织物组织的选择：织物组织是影响织物品种的重要因素之一。织物组织的选择要根据织物的用途及外观风格来决定，同时要考虑到对传统织物的延续与变化。

织物的密度设计：织物经纬密度的大小与经纬密度之间的相对关系是影响织物结构的主要因素之一。

1.2 材料参数

本试验采用DWL5016型半自动织样机织造织物，试验原材料的性能指标如表1所示。

表1 试验原材料的性能指标

所设计的织物规格参数如表2所示。

表2织物的规格参数

组织结构经密/[根·(10 cm)-1]幅宽/cm筘号每筘入数总经根数经二重 20025504500上下接结13025652325

1.3 织物组织结构设计

1.3.1 经二重组织织物设计

经二重组织织物的组织图如图1所示，上机图见图2，截面图见图3。

1.3.2 上下接结组织织物设计

上下接结组织织物的组织图如图4所示，上机图见图5，截面图见图6。

1.4 织物展示

图7所示为两种组织织物的成品图。

2 试验部分

2.1 织物拉伸断裂测试

图1 经二重组织的组织图

图2 经二重组织的上机图

(a)横向

(b)纵向图3 经二重组织的截面图

由表3可知：玄武岩纤维织物的经向断裂伸长率小于纬向断裂伸长率；玄武岩纤维织物的经向弹性模量大于纬向弹性模量。需要说明的是，由于本试验室仪器的量程过小，测得的数据还需进一步考究。

2.2 织物耐磨性测试

织物的耐磨性是指织物抵抗与另一物体摩擦而磨损的性能[15]。采用常州第二纺织机械厂生产的织物平磨仪来测试织物的耐磨性，圆盘以70 r/min作等速回转运动。测试结果见表4。

(c)接结组织图4 上下接结组织的组织图

图5 上下接结组织的上机图

表3 织物的拉伸断裂试验结果

(a)横向

(b)纵向图6 上下接结组织的截面图

(a)经二重组织织物

由表4可知：上下接结组织织物的质量损失大于经二重组织织物，即经二重组织织物的耐磨性更好些。玄武岩/涤纶织物单位面积质量损失大于玄武岩/丙纶织物，即玄武岩/丙纶织物的耐磨性相对更好些。

(b)上下接结组织织物图7 织物实物图

表4 织物的质量变化

2.3 织物密度测试

本试验采用照布镜、镊子来分析规定尺寸织物的经纬纱密度，再根据窗口宽度来得到织物的经纬密度，见表5。

表5 织物的经、纬纱密度

由织物的经纬密度以及经纬纱线的直径可以计算得到织物的紧度。

总紧度：E=Ej+Ew-0.01EjEw

式中：k——纱线直径系数；

dj、dw——经、纬纱直径(mm)；

Pj、Pw——经、纬向密度(根/mm)；

Tj、Tw——经、纬纱的特数(tex)。

计算结果如表6所示。

表6 织物的紧度

由表6可知,经二重组织织物的经密较大，但上下接结组织织物的纬密较大；由于涤纶与丙纶的线密度相同，所以在用涤纶或丙纶作纬纱的相同组织织物中，纬密相近。同时，经二重组织织物的总紧度大于上下接结组织织物的总紧度，且经二重组织织物的经向紧度大于上下接结组织织物的经向紧度，但其纬向紧度小于上下接结组织织物。

2.4 织物厚度测试

织物的厚度会影响织物的体积质量、蓬松性、刚柔性、保暖性、耐磨性等，而织物厚度取决于纱线的线密度、结构相、密度、织物组织及纱线结构等。

本试验按照GB/T 1380—1997，采用常州第二纺织机械厂YG141型厚度仪测试织物厚度。参数设置为压力2 kPa，加压时间30 s。每个样品均测5次，取平均值，测试结果如表7所示。

表7 织物的厚度

由表7可知,上下接结组织织物厚度的变异系数明显高于经二重组织织物，说明上下接结组织织物的厚度不如经二重组织织物的厚度稳定。而上下接结组织织物中，丙纶作纬纱时的织物厚度不如涤纶作纬纱时的织物厚度稳定。

3 结语

通过试织经二重组织与上下接结组织两种具有一定厚度的织物，并对织物性能进行测试，为进一步研究工程用复合材料的应用领域奠定了基础。高性能纤维/涤(丙)纶长丝复合织物的试织，可获知高性能纤维在一定环境中也会发生分束、单丝断裂和耐磨强力不够等现象。双层织物在一定程度上提高了拉伸强度、紧密度，改善了其层间撕裂强度，为后续的复合材料研究打下了坚实的基础。

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