特种玄武岩缝纫线的制备工艺及其性能

骆春旭, 龚浩然, 吴敏勇, 黄 丛, 刘可帅

(1. 武汉纺织大学 省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430200; 2. 汇尔杰新材料科技股份有限公司, 湖北 襄阳 441102; 3. 中国航天科工集团空间工程总体部, 北京 100854)

玄武岩纤维具有高强高模、耐化学腐蚀的特点,在高性能纤维中耐原子氧性能优异,最高使用温度可达到900 ℃,长期工作温度为650 ℃,极端条件环境中具有较好的稳定性能,常作为增强体制备各种性能优异的复合材料[1]。传统二维铺层工艺是复合材料成形的一种方法,但因其技术存在不足,使通过缝合手段增强复合材料所采用的预制体成型技术[2]得到应用。缝合过程中,缝纫线作为首先要考虑的材料,其性能通常与预制体相匹配。缝纫线体积含量比例虽只占整体的百分之几,却可使层间剪切强度大幅提升[3]。目前,常以加捻工艺增强缝纫线的抱合和韧性,使得其具有高强性能,但如玄武岩纤维无捻粗纱等无机材料,会在加捻过程中受到严重的力学损伤,且单一原材料本身通常无法满足功能多样化要求,故优先考虑多组分材料复合以优化纱线结构及性能。

包覆技术是相对比较传统的花式纱线工艺[4],但不同于加捻作用的纱线,所制备的包覆纱能够保留芯纱所具有的强力,同时又能发挥出外包覆纱线性能。包覆纱是将长丝或短纤维以螺旋形式包缠在芯纱表面而形成的一种新型复合结构纱线。在性能上可以弥补单一组分纤维的缺陷,利用芯纱的优良物理性能和外包纤维的表面特性,表现出新风格及特殊功能[5]。近年来,许多学者均对包覆纱进行了研究。从包覆原料来看,研究较多的是以麻纱作为芯纱的包覆纱,目的是改善麻纤维的手感,减少毛羽,增强其耐磨性能[6],制备具有良好特性的复合纱线。李杜等[7]以聚酰胺纤维包覆芳纶,旨在改善热塑性树脂基复合材料中各纤维的均匀分布,以保证增强纤维的性能。从包覆工艺角度来看,参数设计主要为包覆捻度、空心锭转速、包覆方向、导纱距离等。其中芯纱及外包覆纱的种类及性能不同,以及设备工艺匹配参数不同,所制备的纱线风格均不同。

包覆比例影响包覆纱的外包覆效果及耐磨性能[8]。本文旨在制备出一种玄武岩高性能缝纫线,形式配置选择逆向包缠[9],其中芯纱为双股无捻玄武岩长丝,外包覆纱线为不同线密度聚酰胺长丝,纺制双向不同捻度包覆纱线,研究其拉伸断裂性能及耐磨性能,以期为缝纫线加工提供思路。

1 包覆成纱理论分析

采用的捻线设备配备有2个空心锭外套双锭管,通过传送带带动空心锭旋转,从而使锭管进行不同捻向包覆。空心锭包覆纺纱设备结构如图1所示。

1—玄武岩芯纱;2—导纱杆;3—罗拉;4—上空心锭;5—下空心锭;6—输出罗拉;7—卷绕辊;8—平行纱筒。

上机工艺主要包括喂入、包覆以及输出3个部分。芯纱经过导纱杆与退绕下来的外包覆纱一起进入空心锭进行单向包覆,由上空心锭下方引出后再次进入下空心锭管,经双向包覆后从输出罗拉处输出,卷绕到与卷绕辊运行方向相反的平行套筒上。

包覆纺纱工艺中外包气圈的形态对成品包覆纱紧密包覆状态的均匀程度有影响。外包覆纱在空气阻力及离心力等共同作用下产生气圈,气圈形态的稳定及张力的恒定,可以避免外包覆纱对芯纱包覆时形成松紧股现象[10]。包覆纱包覆的均匀程度表现为外包覆纱紧密贴附于芯纱表面,成纱表面无成圈。包覆纱理论模型示意图如图2所示,捻回角公式如下式所示。

图2 包覆纱理论模型示意图

式中:θ为捻回角,(°);d为包覆纱直径,mm;T为包覆纱捻度,捻/m。

可以看出,捻度增大,捻回角随之增大,单位长度内捻回数增加,外包覆纱包覆芯纱越紧密。包覆效果主要形式为露芯状态或紧密包覆状态。芯纱露于表面的比例会随着空心锭转速的增加而降低,此时芯纱竖直排列于纱线中心部位,外包覆纱以紧密螺旋形式缠绕于芯纱表面。

2 实验部分

2.1 实验原料与设备

实验原料:芯纱为双股玄武岩长丝(汇尔杰玄武岩纤维有限公司提供),线密度为107.9 tex,其单股平均断裂强力为50.7 N,断裂伸长率为2.2%。外包覆纱为聚酰胺长丝,规格为3种,其拉伸力学性能测试指标如表1所示。

表1 聚酰胺长丝拉伸力学性能测试指标

实验设备:FA2204C型电子天平(上海天美天平仪器有限公司);HFX-B7型花式捻线机(苏州华飞纺织科技有限公司);RH-2000型三维显微镜(HIROX浩视有限公司);INSTRON 5943型电子万能试验机(美国英斯特朗公司);FFZ622型纱线耐磨性能试验仪(温州方圆仪器有限公司)。

2.2 玄武岩长丝包覆纱试样的制备

采用花式捻线机制备玄武岩长丝包覆纱试样,设备运行模式为连续模式,外包覆纱压线速度为6.00 mm/s,成形锥度设置为3.00 mm/min。包覆方式为双包覆,纱线捻向为内S外Z,双包覆捻度分别为350、450、550、650、750捻/m共5组。本文所提到的双包捻度均为上空心锭转速所形成的捻度。

2.3 实验方法

2.3.1 力学性能测试

参照GB/T 7690.3—2013《增强材料 纱线试验方法 第3部分:玻璃纤维断裂强力和断裂伸长的测定》,利用电子万能试验机测试样品的力学性能。采用圆弧式夹具,拉伸速度设定为250 mm/min,测试有效长度为250 mm,每种样品测试10组,取平均值。

2.3.2 微观形貌观察

室温下将试样固定于试样台上,利用三维显微镜观察不同捻度包覆纱的微观形貌及部分包覆纱断裂情况。

2.3.3 耐磨性能测试

采用纱线耐磨性能试验仪测试样品的耐磨性能,磨料为砂纸,吊挂砝码为35 g,磨辊往复速度为(60±1) 次/min。测试分为10组,每组测试5根,分别为不同捻度纱线,测试记录单次值、最值,计算平均值以及摩擦次数变异系数。同时为保证实验数据的准确性,测试时更换砂纸部位。环境温度为20.0 ℃,相对湿度为65.0%。

3 结果与讨论

3.1 包覆纱力学性能分析

3.1.1 捻度对纱线力学性能的影响

不同捻度的包覆纱在纺制过程中存在一个均衡点,即芯纱与外包覆纱之间存在力学性能的匹配关系。通常下空心锭速与上空心锭速成一定比例,范围区间在80%～85%[10]。锭速与输出速度之比可近似等于捻度,在输出速度不变的情况下,锭速的变化决定捻度的变化。包覆纱捻度不同,对包覆纱整体的力学性能影响不同。玄武岩长丝是典型的脆性材料,属于无机非金属类,外包覆聚酰胺长丝后,纱线断裂形式仍为脆断,拉伸纱线时会听到清脆的断裂声响。表2示出外包覆纱线密度为16.7 tex时不同捻度包覆纱拉伸测试结果。

表2 不同捻度包覆纱拉伸实验结果

由表2可看出,玄武岩包覆纱的力学性能会在特定捻度区间内稳步增长,断裂强力达到最大值后略有下降,但总体断裂强力仍比原丝有所提高,提高23%～29%。这主要是因为包缠复合工艺具有并合效应和紧密效应,可在一定程度上增加复合纱的断裂强力[11]。芯纱断裂强力保留率较高的同时,外包覆纱的螺旋包覆结构则在径向提供一定的轴向分力以及纱线间的抱合力,这使得包覆纱整体断裂强力大幅提升。

当捻度持续增加时,聚酰胺长丝的捻回角及双向外包覆纱之间所成的夹角均增大,此时包覆间距小、成纱密、纱轴分力减弱,包覆纱断裂强力达到最值;继续增加捻度时,断裂强力不再升高,主要是因为过紧密抱合反而会对芯纱造成一定程度的损伤,使得断裂强力有所下降。上述分析也可以在断裂强度的数据变化中得以验证。断裂强度变化值在包覆纱捻度小于650 捻/m时均处于小幅度增长,且整体不超过0.95 cN/tex,特别是当捻度为550和650捻/m时,二者断裂强度几乎相近。当捻度增加为750 捻/m时,纱线断裂强度急剧下降,降低幅度高达3.20 cN/tex,故捻度的持续增加对纱线力学性能有较大影响,断裂强度的明显变化与断裂强力结果分析一致。

断裂伸长率是表征纱线柔软性与弹性的指标[12]。低捻度时纱线相对裸露出的芯纱比例大,纱线较柔软。表2显示纱线断裂伸长率均稳定在2.90%左右,这说明所纺制的高捻度纱线在手感上仍较优。捻度达到650 捻/m时,断裂强力和断裂伸长率均为最高,此时芯纱与外包覆纱包覆比例适当,强力利用率最大。

3.1.2 外包覆纱线密度对纱线力学性能的影响

表3示出最优捻度650 捻/m下,3种不同线密度外包覆纱的力学性能测试结果。

表3 外包覆纱线密度对包覆纱力学性能的影响

由表3可知:玄武岩包覆纱断裂强力与外包覆纱线密度有关,其断裂强力均随外包覆纱线密度的增大而增强。外包覆纱线密度越大,所提供给纱线的径向分力越大,力学性能更优,且断裂伸长率大也会增强其断裂强力,丝束在力的作用方向上所承担的拉伸强力多,在纱线弱节处断裂强力越大。断裂强度的变化趋势能够一定程度上说明芯纱与不同规格外包覆纱之间的包覆紧密度。无捻芯纱在纵向提供的强力受到外包覆纱的束缚,芯纱主体被限制后的强力与外包覆纱提供的部分强力共同作用,由于芯纱强力仍为主体,相同捻度下外包覆纱线密度大,包覆越紧密,相比低线密度所包覆的芯纱,线密度大的外包覆纱其芯纱拉伸受到阻力,断裂强力相对偏小,故断裂强度较低。

3.2 包覆纱表面形貌分析

图3示出拉伸前不同捻度包覆纱在三维显微镜下的表面形貌。可以明显看出由于捻度的变化所形成的紧密包覆效果。

图3 不同捻度包覆纱拉伸前形貌图

聚酰胺长丝包覆在芯纱外,导致拉伸断裂形态不同。在所设定的拉伸速度下,部分纱线断裂形态不明显,肉眼几乎分辨不出断裂部位。断裂形态在微观下主要表现为表面芯纱在包覆间距处呈不同幅度凸起(见图4)或芯纱在断裂后呈原纤化劈裂状破坏[13](见图5)。拉伸前芯纱均平直排列于纱线内部,拉伸后受到外包覆纱的包裹,易在包覆不匀或纱线弱节处发生扭转及变形,凸起形态与包覆捻度有关。拉伸破坏形态表现明显时通常为最外层外包覆纱拉断至脱散,脱散后外包覆纱围绕里层纱线旋转,芯纱与内层S捻向包覆纱近似为一个整体,断裂时无脱散。

图4 部分包覆纱断裂时芯纱凸起

图5 部分包覆纱原纤化断裂形态

3.3 包覆纱耐磨性能分析

磨辊杆接触到纱线表面后做匀速往复摩擦运动,包覆纱摩擦实验如图6所示。纱线捻度按照由下到上依次递增的顺序排列。摩擦过程主要为摩擦内外双层外包覆纱以及芯纱3个部分。随着摩擦外包聚酰胺长丝次数的增加,表面会逐渐露出芯纱,直至磨断。实验停止后记录摩擦次数,结果如表4所示。

表4 不同捻度包覆纱耐磨性能测试结果

图6 不同捻度包覆纱的耐磨性能实验

在5种捻度范围内,摩擦次数随着捻度的递增呈现出先降低后升高的趋势,捻度为550 捻/m时平均摩擦次数最低,最易磨断。捻度较低时,摩擦次数较高,纱线耐磨性好,虽露芯明显,但由于外包覆纱间距相对较长且分布均匀,纱线包覆相对较松,使得聚酰胺长丝摩擦面积增加,摩擦后主要表现为起毛至断裂,故纱线不易磨断。增加捻度后,由于外包覆纱本身线密度相对较大,纱线包覆效果紧密,摩擦一定次数后易出现纱线起球现象,使得芯纱易露出,摩擦次数减少。但若持续增加包覆纱线密度,纱线之间的抱合增强,耐磨性能则会逐渐增强。因玄武岩芯纱耐磨性能较差,摩擦次数主要由聚酰胺长丝决定,故包覆纱的整体耐磨性能均得到极大改善。

4 结 论

从本文实验所制备的纱线来看,包覆效果主要与芯纱、外包覆纱强力及其线密度以及空心锭转速有关。

1)本文所纺制的双股包覆纱比芯纱总体断裂强力均有所提高,提升了23%～29%。包覆纱断裂强力随着捻度的增加总体呈现先升高后降低的现象,双股玄武岩包覆纱捻度为650 捻/m时拉伸断裂强力最大。

2)不同线密度外包覆纱对芯纱的断裂强力有不同影响,相同捻度下外包覆纱线密度越大,包覆纱拉伸断裂强力越高。

3)在本文设定的350～750捻/m包覆捻度范围内,摩擦次数随着捻度的增大呈现先降低后升高的趋势,聚酰胺长丝的复合对包覆纱整体耐磨性起主导作用。