玄武岩基复合纱线的制备及其阻燃织物性能.pdf

第 32 卷 第 2 期2024 年 2 月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.2Feb.2024DOI:10.19398j.att.202306012玄武岩基复合纱线的制备及其阻燃织物性能骆春旭1,李 辉1,吴敏勇2,熊小曼1,刘可帅1(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,武汉 430200;2.汇尔杰新材料科技股份有限公司,湖北襄阳 441102)摘 要:玄武岩纤维是一种高性能绿色材料。为探究玄武岩纤维成纱结构及其织物性能,开发多功能纺织产品,以玄武岩为基体材料,运用包覆纺纱技术和摩擦纺纱技术,将芳纶、超高分子量聚乙烯、阻燃粘胶作为外包覆材料制备复合纱线,所制备的纱线包括双芳粘胶及聚芳粘胶两种,分析纱线的微观形貌、拉伸断裂、弯曲性能以及热稳定性能,测试所制成织物的阻燃性能及防切割性能。结果表明:双芳粘胶纱线具有较高的力学性能及热稳定性能,聚芳粘胶纱线拥有更优异的柔软性能。在织物阻燃效果方面,双芳粘胶织物与聚芳粘胶混纺织物的极限氧指数都超过 27%,这两种织物切割性能均达到防护二级标准,混纺织物切割性能优于纯纺织物。关键词:玄武岩;摩擦纺纱;复合纱线;断裂强力;阻燃;防割中图分类号:TS104.1 文献标志码:A 文章编号:1009-265X(2024)02-0057-06收稿日期:20230612 网络出版日期:20230906基金项目:国家自然科学基金项目(52203373)作者简介:骆春旭(1995),女,辽宁朝阳人,硕士研究生,主要从事高性能纤维纺纱方面的研究。通信作者:刘可帅,E-mail:1141552467 森林火灾是人们所公认的世界八大主要自然灾害之一1,为保护消防人员生命安全,开发阻燃产品具有重要意义。阻燃面料是指当织物达到燃烧条件时能够抑制或延缓火焰蔓延,当火源移开后能快速自熄,不会阴燃的面料。市场上现有阻燃面料分为整理类2和本质阻燃类3。通常,经后整理的阻燃织物因阻燃剂的加入会影响织物的风格,其强度也会降低,部分产品甚至存在熔融滴落现象4。无机纤维中的玄武岩纤维具有较高的隔热性及化学稳定性,属于本质阻燃类纤维。虽然阻燃类纺织品市场需求量大,但也存在着功能单一的问题5。为获得阻燃多功能织物,在高温环境中发挥隔热保护作用的基础上,赋予面料特定加强部位处的防切割性能,可以在一定程度上减轻树枝或刀具等对人体的伤害。有关纱线结构的研究表明,包覆纱结构的织物防切割性能高于包芯纱和合捻纱6。超高分子量聚乙烯、芳纶常用于做防切割类的材料。考虑到超高分子量聚乙烯纤维熔点低,在高温下易融缩变形,因此在包覆时将其作为内层包覆纱,芳纶以相反方向包覆于纱线最外层,同时纺制双向包覆芳纶的纱线与之作对比。但包覆纱线的缺点是不能实现对芯纱的全包覆,所选择的纱线均为表面光滑的长丝,原料惰性强,不易染色。阻燃粘胶纤维在高温下安全无毒不融滴7,可染色性能及透气性能好,阻燃性能优异,为增强功能化效果并改善手感,选用摩擦纺纱技术将阻燃粘胶短纤包裹于包覆纱线上。运用包覆技术及摩擦纺纱技术相结合的方式纺制玄武岩基复合纱线,通过不同纺纱工艺间相互协同的作用,获得复合纱线的多重防护性能。本文探究玄武岩基复合纱线的基本性能及所制备织物的阻燃及防切割性能,为玄武岩基阻燃纺织品的开发提供参考。1 试验部分1.1 试验材料10 tex 玄武岩连续丝(汇尔杰玄武岩纤维有限公司)、44 tex 超高分子量聚乙烯(九州星际科技有限公司)、44 tex 芳纶(中国航天科工六院 46 所)、阻燃粘胶混纺粗纱(汇尔杰玄武岩纤维有限公司)。1.2 试样制备采用包覆纺纱技术,通过上下空心锭管高速旋转制备不同捻向包覆纱线。外包纱线种类包括超高分子量聚乙烯长丝(S 捻)与芳纶长丝(Z 捻)的混纺纱(聚芳纱线)以及双向均包覆芳纶的纱线(双芳纱线)。空心锭锭速为 7000 rmin,捻度为 600 捻m。再通过摩擦纺纱技术,使得包覆纱线表面赋予一层柔软的短纤。分梳辊与摩擦辊转速均为 6000 rmin,喂入速率为 0.7 mmin。所制备的纱线称为双芳粘胶及聚芳粘胶。玄武岩织物由半自动小样织机织造,织物组织为平纹。织造织物为两种:一种经纬纱线均为双芳粘胶;另一种经纱为双芳粘胶,纬纱为聚芳粘胶。因经纱相同,本文所制备织物以纬纱命名。1.3 试验方法1.3.1 微观形貌测试在室温下使用 RH-2000 型三维显微镜(HIROX浩视有限公司),观察内外层纱线表观形貌。1.3.2 拉伸断裂测试参照 GBT 7690.32013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,使用 INSTRON 5943 型强力仪(美国英斯特朗公司)测试,拉伸速度统一设置为 200 mmmin,夹持有效距离为 200 mm。1.3.3 弯曲性能测试参考 GBT 143442008化学纤维 长丝拉伸性能试验方法中钩接测试方法,试样长度为 200 mm。钳口部位夹紧,避免试样滑移,测试 10 组样品,取其平均值。计算钩接强度时,钩接线密度为实测线密度的 2 倍。1.3.4 热稳定性能测试采用 STA300 型热重分析仪(日立分析仪器有限公司)测试摩擦纺纱线热学性能。试验气体为氮气,从30 时开始测试,以10 min 的升温速率升至 800。1.3.5 织物极限氧指数测试采用 JF-3 型氧指数测定仪(南京江宁分析仪器有限公司)测试织物,环境温度为(232)。确保燃烧筒处于垂直状态,待测织物安装于试样架中心,用点火器引燃,以 50 mm 延燃距离作为判定极限氧指数的依据,每种试样 6 块,测定维持试样燃烧所需的氧浓度值。1.3.6 织物切割性能测试依据 EN 388:2016 Protective gloves against mecha-nical risks 中测试织物防切割性能的方法,本试验采用 FY-012J 型手套抗切割性能试验机(温州方圆仪器有限公司),使用钨钢圆刀片对织物进行测试,通过记录控制试样及测试试样的循环周期,计算防切割指数。其中循环周期精确至 0.1 周,每组测试 5 次。2 结果与讨论2.1 纱线表观形貌分析聚芳纱线以及经摩擦纺纱技术后的聚芳粘胶纱线形貌分别如图 1 所示。从图 1 可以明显看出:两种纺纱方法中纱线具有不同风格。图 1(a)中聚芳包覆纱线光滑无捻缩,平直无毛羽。图 1(b)中聚芳阻燃粘胶纱线表面由短纤缠绕,纱线较未经摩擦纺技术的双包覆纱线更柔软。图 1 两种纱线的光学图Fig.1 Optical diagram of the covered yarn and the friction spinning yarn2.2 纱线断裂强力分析纱线的物理性能对织物各项性能具有一定的影85现代纺织技术第 32 卷响,尤其是纱线的拉伸断裂力学性能。表 1 所示为复合纱线力学测试结果。由表 1 可知,双芳粘胶纱线强力为 197.66 N,为聚芳粘胶纱线的 1.57 倍。由于芳纶的强力优于超高分子量聚乙烯,因此在拉伸力的方向上占据一定优势。同时,包覆层材料之间的配伍及结构共同影响纱线整体强力。中间层芳纶及超高强分子量聚乙烯这两种材料表面光滑,会使得纱线在所设定捻度下施加一定外力后,表面纱线仍会出现滑移现象。而针对芯纱线密度小的纱线,外包纱线的包覆作用从某种角度上来讲会产生类似于加捻的效果,而“加捻”能够增强外包覆纱线之间的摩擦力8,使得纱线包覆均匀,强力有所提高。表 1 纱线拉伸断裂性能测试结果Tab.1 Test result of the tensile fracture property of the yarns纱线种类线密度tex断裂强力N拉伸应变%双芳粘胶180.2197.664.27聚芳粘胶175.5125.824.18通过对拉伸过程中的观察可以看出,拉伸前纱线条干均匀,拉伸后部分纱线断裂部位表现为波浪型凸起,呈现屈曲形态。纱线断裂后,由于最外层短纤的存在,中间层受其束缚从某一断裂处保持原包覆时的螺旋状态,使得断裂形态在一定范围内保持稳定。2.3 纱线弯曲性能分析织物在经纬纱线串套过程中不可避免会发生屈曲现象,纱线钩接性能可以在一定程度上表征纱线的弯曲变形及柔韧性,纱线的钩接力学性能如图 2 所示。图 2 两种阻燃粘胶纱线钩接力学性能Fig.2 Mechanical hook properties of two kinds of flame-retardant viscose yarn hooks聚芳粘胶纱线钩接强度为 90.9 cNtex,双芳粘胶纱线钩接强度为 74.6 cNtex。表明聚芳粘胶纱线韧性好,可绕曲性强。由于钩接点处会同时受到弯曲作用及剪切作用9,测试过程中纱线受力点呈相互垂直的十字,基于材料本身特性,超高分子量聚乙烯相比于芳纶具有更高的钩接断裂位移。纱线在测试结束后,其钩接断裂形式主要为两种,一种是上半段或下半段纱线在受力点两侧呈波浪形态,另一种则为纱线完全断裂,其中上半段钩接断裂后形态如图 3 所示。图 3 部分纱线钩接断裂处形态Fig.3 Part of the yarn hook fracture morphology2.4 纱线热稳定性能分析为了测试纱线的热稳定性能,通过热重分析对复合纱线进行测试。芯纱玄武岩为无机耐高温纤维,在所设定的温度下并不会产生失重现象。图 4显示了样品的 TGA 以及 DTG 曲线,阻燃纱线的热分解过程整体可分为两个阶段:400 之前为第一阶段,第一阶段主要是阻燃粘胶的热分解过程,粘胶纤维是纤维素纤维,在 200 400 纤维素发生降解,两种纱线在初始部分的分解过程几乎重合。第二阶段则为外包覆纱线的质量损失,由曲线分析可知,双芳粘胶以及聚芳粘胶的快速降解温度分别为 541.3 以及 476.9,说明芳纶具有比超高强分子量聚乙烯更好的热稳定性能。温度在800 时双芳粘胶的残余质量(59.2%)高于聚芳粘胶(53.8%),表明双芳粘胶在高温下成炭性更好。双芳粘胶的热稳定性能优于聚芳粘胶纱线。95第 2 期骆春旭 等:玄武岩基复合纱线的制备及其阻燃织物性能图 4 纱线热稳定性能分析Fig.4 Analysis of the thermal stability of the yarns2.5 织物极限氧指数分析本文以面料的氧指数表征其阻燃性能,试样以纵向延燃距离作为参考,测试织物的经向阻燃性能,测试过程中逐步调整氧浓度。试样在燃烧过程中的损毁区域会出现红热现象,但均未出现流淌或滴落的燃烧物质,阴燃时间及续燃时间为 0 s。经测试,双芳粘胶织物极限氧指数值为35.45%,聚芳粘胶织物极限氧指数为 28.55%,均大于 27%,为难燃材料,织物阻燃效果明显。燃烧后的双芳粘胶和聚芳粘胶织物的形貌如图 5 所示,可以明显看出经燃烧后的织物经纬纱线组织完整,未出现明显脆裂。织物燃烧后为炭化状态,损毁程度扩散至边缘并逐渐减弱,试样不存在烧通现象,部分玄武岩虽裸露于表面,但整体仍起到骨架支撑作用。在图 5(b)中部分超高强分子量聚乙烯纤维自身经烧蚀后熔融,被阻燃粘胶残余物附着,表层阻燃粘胶具有较高的回潮率,在燃烧时吸收热量蒸发水分10,所产生的残余物可以抑制火焰的蔓延,这表明通过摩擦纺纱技术,能够赋予包覆纱一定的保护及阻燃效果。图 5 织物阻燃测试后表观形貌Fig.5 Fabric morphology after the flame retardant test2.6 织物防切割性能分析织物在切割断裂过程中涉及纤维拉伸断裂及剪切两方面11,纤维本身的刚度、韧性,以及刀片与材料之间的摩擦12均会影响防切割性能,切割所需的断裂能由最小功获得。在纬向切割平纹组织面料时,刀片沿着经纱方向切割突起的纬组织点,织物的微小变形会产生切割破坏。刀片以圆周运动往复切割织物中的纱线,直至切断部分试样。防切割指数是体现切割性能的指标,可由下列公式计算得出:Cn=Cn+Cn+1()2(1)In=(Cn+Tn)Cn(2)式中:Cn为第 n 个控制试样的周期;Cn+1为第 n+1个控制试样的周期;T 为测试样的周期。将每组切割指数求和,其平均值表示为防切割指数。测试结果显示,双芳粘胶织物防切割指数为2.51,聚芳粘胶织物为 2.81。本文所织造的聚芳粘胶混纺织物较纯双芳粘胶织物具有更优越的防切割性能。对比防切割级别可知,所制备的柔性织物防切割均为 2 级,具有良好保护性能。3 结 论本文运用包覆纺纱技术与摩擦纺纱技术相结合的方式纺制纱线。以玄武岩为基材,调控芳纶、超高分子量聚乙烯长丝、阻燃粘胶粗纱 3 者的成纱结构,制得柔性纱线并织造织物。纱线拉伸及钩接强力、热稳定性及织物阻燃防割性能测试结果如下:06现代纺织技术第 32 卷a)双芳粘胶纱线强力为聚芳粘胶纱线的 1.57倍,而聚芳粘胶纱线钩接强度较双芳粘胶纱线高出 16.3 cNtex。双芳粘胶强力高,聚芳粘胶纱线韧性好。b)双芳粘胶的热稳定性能优于聚芳粘胶纱线,快速降解温度分别为 541.3、476.9。c)单层织物阻燃性能优异,极限氧指数已超过27%,同时具有良好的防切割性能,防切割指数均超过 2.5,可用于防护服加强部位。参考文献:1 张朝胤.北京市森林火灾遥感监测与救援路径规划究D.北京:北京建筑大学,2023:3.ZHANG Chaoyin.Research on Remote Sensing Monitoring and 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properties are poor and the surface is particularly prone to burr after being subjected to external forces.When the fiber is damaged it can cause painful damage to human skin.It is significant for making inorganic fiber yarns flexible to make up for the shortage of materials by spinning technology and to strengthen its multi-functions at the same time.In this paper the basalt fiber was used as the matrix material and the properties of composite yarn and fabric formed by aramid fiber ultra-high molecular weight polyethylene and flame retardant viscose were discussed.Basalt inorganic fiber covering mainly contains two layers with the first layer being the bi-directional covering of filament and the second layer being the covering of staple fibers.By combining the spinning methods and parameters under the two processes the development of basalt composite yarns was realized which is expected to provide ideas for research institutes and enterprises.Basalt core yarn of 10 tex 44 tex of UHMWPE and aramid were selected as the outer covering yarn.Firstly the core yarn was wrapped with different twist directions by using hollow spindle wrapping technology and secondly the soft flame-retardant viscose staple fiber was wrapped in the outermost layer by friction spinning technology.By observing the apparent shape of the yarn and testing the tensile breaking strength hooking strength thermal stability and other quality indexes we investigated the yarn formation performance and the flame-retardant and anti-cutting performance of the fabric.The surface of the yarn covered by the first layer is smooth and straight and the surface of the yarn covered by the second layer is given a layer of short fibers which makes the hand feel softer.The aramidaramidviscose yarn has a strength of 197.66 N a hooking strength of 37.3 cNtex and a hooking displacement of 3.8 mm while the UHMWPEaramidviscose yarn has a strength of 175.5 N a hooking strength of 45.4 cNtex and a hooking displacement of 6.3 mm.In other words the aramidaramidviscose yarn has high strength and the UHMWPEaramidviscose yarn has high tenacity.The thermal stability of the two yarns is excellent and the core yarn basalt is inorganic fiber so theoretically there is no loss of mass and the residual mass of aramidaramidviscose yarn and UHMWPEaramidviscose yarn at 800 is 59.2%and 53.8g%respectively.There is no flowing or dripping burning material during the combustion process and there are brittle debris on the surface of the fabric after the combustion which are the residue of combustion.Some of the basalt are exposed on the surface but it still acts as a skeleton and the white material can be revealed from the ultra-high strength molecular weight polyethylene portion of the UHMWPEaramidviscose yarn after melting.The limit oxygen index value of the aramidaramidviscose fabric and the UHMWPEaramidviscose fabric is 35.45%and 28.55%respectively indicating evident flame-retardant effect of the two fabrics.The anti-cutting performance of fabrics mainly depends on the external cutting force borne by the surface energy of fabric and the cutting performance of polyarylene viscose fabrics is better than that of aramidaramidviscose fabrics that is the anti-cutting index of blended fabrics prepared in this paper is higher than that of pure fabrics.Keywords:basalt friction spinning composite yarn breaking strength flame retardant cutting resistance26现代纺织技术第 32 卷