芳纶/玄武岩织物的性能研究

王 丹,尉 霞,赵 琼

(西安工程大学 纺织与材料学院，陕西西安 710048)

芳纶/玄武岩织物的性能研究

王 丹,尉 霞,赵 琼

(西安工程大学 纺织与材料学院，陕西西安 710048)

芳纶纤维和玄武岩纤维作为我国重点发展的四大纤维中的两大纤维，在我国基本上实现了工业化生产。针对同一紧度、同一组织的纯玄武岩织物、纯芳纶织物及交织物进行织造及测试，通过基础物理性能及化学性的对比分析，找出它们存在的不足之处，为工业应用及生产生活提供研究基础。

玄武岩织物 芳纶织物 性能对比

0 前言

玄武岩连续纤维因其优异性能已在增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用[1-4]。对21世纪符合生态环境大力发展玄武岩纤维及其复合材料产业无疑具有重要的意义。芳纶是一种柔性高分子，具有优异的机械性能、阻燃特性、化学性、热稳定性，以满足不同领域的防护服装的要求。

1 实验部分

1.1 实验材料与药品

30tex芳纶纱；7μm玄武岩连续纤维纱；

2mol/LNaOH溶液；0.5mol/LHCL溶液

1.2 实验器材与仪器

烧杯、玻璃棒；YG(B)141D数字式织物厚度仪；YG(B)026D-500型电子织物强力仪；YG541E全自动激光织物折皱弹性仪； LFY-402织物摩擦式静电测试仪；YG461E织物透气性测量仪；YG401型织物平磨仪。

1.3 织物设计

织物紧度、织物组织不变，通过改变原料和纱线线密度织造织物。为了便于比较，确定组织为平纹。织物参数如表1所示。

表1 试样织物参数

实验织物试样编号分别为：①芳纶织物；②玄武岩织物；③芳纶/玄武岩交织物。

经向用A表示，纬向用B表示。

2 结果和分析

2.1 测试结果

表2 织物物理性能测试结果

表3 织物拉伸及抗皱性测试结果

图1 碱处理前后断裂强力对比图

图2 碱处理前后断裂伸长率对比图

图3 酸处理前后断裂强度对比图

图4 酸处理前后断裂伸长率对比图

2.2 对比分析

2.2.1 厚度

芳纶织物最厚，交织物居中，玄武岩织物最薄，交织物与玄武岩织物相近。纱线粗细影响织物厚度。玄武岩纤维由主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后所得，纤维比重大，纱线截面为不规则圆形。芳纶纤维大分子链呈现柔性结构，密度小，纱线截面为规则圆形，造成纱支差异大，玄武岩反而最薄。织物的厚度可预测织物的外观、手感。织物的厚度愈大，织物则呈现柔软和丰满的感觉。反之，则趋向滑爽有身骨的感觉。

2.2.2 透气性

芳纶织物透气性最好，玄武岩织物居中，交织物透气性最差，交织物与玄武岩织物透气性相近。不同的密度对织物透气性有影响，芳纶纱支小，纤维密度小，经密大，纱线弹性伸长大，空洞更多，其织物透气率大。三种织物的紧度相同，作为纬纱，玄武岩纤维纱比重大，几乎无弹性伸长，交织物经纬向织缩差异大，玄武岩及交织物间纱线排列密实，纤维间空隙小，因而芳纶织物透气最大，交织物次之，玄武岩织物最小。在生产中，一般纱号用得较细，密度用得较低，并且采用强捻度。这些都是为了保证织物具有较大好的透气性。

2.2.3 顶破

芳纶织物顶破强力最大，交织物居中，玄武岩织物最小。当织物中纱线的断裂强力大、伸长率大时，织物的顶破强力高，因为顶破的实质仍为织物中纱线产生伸长而断裂；受织物厚度的影响，当织物厚时，顶破强力大，故而芳纶织物顶破强力大。芳纶织物经纬向的织缩差异并不大，经纬向纱线同时承担外力，其裂口为直角形，织物顶破强力大。交织物经纬织缩差异大，在经纬纱线自身的断裂时，织物必沿织缩小的方向撕裂，裂口为直线形，织物顶破强力偏低。玄武岩织物经纬向几乎无织缩，经纬向差异也不大，织物脆性大，故顶破强力小。织物密度不同时，织物顶裂时必沿密度小的方向撕裂，织物顶破强力偏低[1]。芳纶和交织物经密相同，而玄武岩织物经密最小，对应顶破强力，玄武岩织物顶破强力最小。

2.2.4 耐磨性

可以发现，芳纶织物的耐磨性能最好，交织物次之，玄武岩最差。同时，可以看到，芳纶和交织物的耐磨程度差距不大。织物与磨料的表面，从微观上来说总是凹凸不平的。当磨料上的凸起部分相对于纤维直径来说足够大时，就会发生擦毛现象，擦毛可能是在纤维初次接触时就产生断裂，也可能是由于纱线内部的纤维滑脱或在纱的条干上出现相对位移而造成的。而玄武岩纤维容易分丝，易造成擦毛现象，导致织物被磨破。在纤维与磨料的表面相对摩擦中，磨料表面的凸起部分相对于玄武岩纤维来说细小而又很尖锐，因玄武岩纤维几乎无伸长，摩擦过程中纤维几乎无滑移，玄武岩纤维由于受到切割作用，玄武岩纤维表面一旦被切割受伤后，其裂口在反复拉伸与弯曲力的作用下，就会产生应力集中，使裂口扩大，以致最后使纤维断裂[3]。

2.2.5 抗静电性

可以看出，抗静电程度：芳纶织物>交织物>玄武岩织物。

织物的厚度对其抗静电性有显著影响，织物厚度越大，抗静电性能越好。芳纶织物、交织物、玄武岩织物的厚度与其抗静电能力成线性关系。织物的抗静电会影响到织物的阻燃性能，抗静电性越好，其阻燃性也越好。

2.2.6 拉伸性

各织物断裂强力比较：经向：玄武岩织物>交织物>芳纶织物；纬向：交织物>芳纶织物>玄武岩织物。各织物伸长率：经向：交织物>芳纶织物>玄武岩织物；纬向：芳纶织物>交织物>玄武岩织物。

断裂强力和断裂伸长率是评定织物内在质量的指标，受织物密度及线密度的影响大，玄武岩纤维为无机纤维，比重大脆性大，几乎无伸长，但强力高。芳纶为合成纤维，弹性伸长大。在某些生产过程中，织物的断裂强度虽无明显变化，但是织物的伸长率却有明显下降，就会影响到织物的使用牢度[4，5]。综合断裂强力和伸长率两方面生产中考虑选择交织物更为合适。

2.2.7 抗皱性

织物急弹性折皱回复率：

经向 交织物>玄武岩>芳纶

纬向 交织物>玄武岩>芳纶

织物缓弹性折皱回复率：

经向 交织物>玄武岩>芳纶

纬向 交织物>芳纶>玄武岩

通过比较，能够看出交织物的耐皱性能优于纯芳纶和纯玄武岩织物。在同样的外力作用下，交织物的变形更小。纤维的细度和长度会影响到织物的折皱程度。在纤维原料相同的情况下，纤维密度大，相应织物的耐皱性好。纱线粗，刚性好，织物耐皱性好[4]。纱线细，刚性差，织物不耐折皱；质地厚实、组织结构松驰、紧度小、膨松性大的织物，耐皱性好。织物的折皱回复性与纤维在小变形下的伸长恢复能力成线性关系，交织物其伸长弹性比单纯玄武岩织物和芳纶织物要好，一旦折皱形成后能很快消失，其折皱回复率也好。当织物折皱时，在同样外力作用下，初始模量大的纤维则不易变形，因此织物的耐皱性较好[6]。

2.2.8 耐碱性

断裂强力：

芳纶织物碱处理前后变化不大，略有下降。

玄武岩织物经纬向均有所下降。

交织物经纬向均有所下降。

断裂伸长率：

芳纶织物经纬向增大，经向增幅较大，纬向增幅小。

玄武岩织物经纬向伸长率都相对小，前后对比有所增长。

交织物经向伸长率增幅大，纬向略有下降。

经过碱处理，部分分子链断裂，导致纤维强力下降，使纤维断裂所需的载荷下降，纤维断裂强力下降。玄武岩纤维为玄武岩石熔融拉丝而成，为无机纤维，强力受其成分的影响很大，不同成分比例性能差异也比较大。在生产时应考虑其成分比例根据需要选择。本实验中芳纶的耐碱性能最优，断裂强力和断裂伸长保持率最大，交织物次之，玄武岩织物最差。

2.2.9 耐酸性

织物酸处理前后断裂强力、断裂伸长率如图3、图4所示。

断裂强力：

芳纶织物酸处理前后，经向变化不大，纬向有所下降。

玄武岩织物经纬向几乎全部损失。

交织物经向下降，下降幅度不大。纬向几乎降为零。

断裂伸长率：

芳纶织物经纬向增大，且增幅大。

玄武岩织物经纬向伸长率酸处理前都相对小，经过酸处理，伸长率降为零。

交织物经向伸长率增幅大，纬向略有下降。

由于芳纶表面无活性基团，是一种表面能低等的材料纤维，其分子结构式中没有能与H+结合的基团。因此具有优越的耐酸性能。玄武岩纤维经酸液处理后，纤维表面有较明显的被破坏的痕迹，并且出现了较多的凹坑，这主要是由于玄武岩成分复杂及比例差异大，除SiO2以外的其他化学成分和杂质腐蚀造成的，纤维被腐蚀，已不具备纺织纤维的基本性能[1]。

3 结论

以芳纶作经纱交织物在相同紧度，同种组织的情况下， 芳纶织物的厚度相对较大，手感较硬；而玄武岩织物手感柔软，交织物的耐皱性能优于纯芳纶和纯玄武岩织物。在同样的外力作用下，交织物的变形更小；芳纶织物的耐磨性能最好，交织物次之，玄武岩最差，且芳纶和交织物的耐磨程度差距不大；芳纶顶破强力、透气性、抗静电性能较玄武岩织物及交织物更好。酸碱环境下，芳纶的内部结构发生了一定的破坏。芳纶分子链为全苯环结构，是以网状交联的结晶结构高聚物，苯酰胺，酰胺键与苯环基团形成共轭结构，内旋位能相当高。大分子构型为沿轴向伸展的刚性链结构，分子排列规整，取向度和纤维结晶度高，芳纶更稳定。玄武岩酸碱性受其成分影响显著。

[1] 杨莉，吴宜城，沈城伟.玄武岩纤维的性能及应用[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(1)：132-135.

[2] 杨莉，徐文正.玄武岩针刺毡复合材料工艺性能研究[J].成都纺织高等专科学校学报，2015(4)：80-82.

[3] 李新娥. 玄武岩纤维和织物的研究进展[J]. 纺织学报,2010(1):145-152.

[4] S. Ezhil Vannan.Experimental Investigations on Electroless Deposition of Copper on Basalt Fibers[J].Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, 2015(3),31.

[5] Mehmet Emin Arslan.Effects of basalt and glass chopped fibers addition on fracture energy and mechanical properties of ordinary concrete: CMOD measurement[J].Construction and Building Materials,2016(3):176.

[6] 杨晓旗,范福军.新编服装材料学[M].中国纺织出版社,2012.1.

2016-09-29

王丹(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：功能纺织品的研究与开发。

尉霞(1970-)，女，教授，硕士生导师。

TS101.92+3

A

1008-5580(2017)01-0174-04