超长涤纶短纤维针刺土工布性能研究*

李素英 张 瑜 范立元 任 煜 顾闻彦 于树发

(1.南通大学纺织服装学院，南通，226007;2.江苏迎阳无纺机械有限公司，常熟，215539)

土工布是由合成纤维通过针刺或编织而成的透水性材料，按加工方式可分为有纺土工布和无纺土工布，按所用原料可分为涤纶土工布、丙纶土工布等［1］。涤纶短纤维针刺土工布具有三维立体结构，其过滤、反滤、排水、防渗、加固和防护作用突出［2］，但与涤纶纺黏土工布相比，在力学性能指标方面还存在差距，不能满足一些特殊应用领域的要求。

为提高涤纶短纤维土工布的力学性能，本研究使用江苏迎阳无纺机械有限公司开发的高强高效针刺非织造土工布生产线研发了150 mm超长涤纶短纤维针刺土工布。与传统涤纶短纤维土工布相比，该产品性能可满足标准要求，力学性能有明显提升，接近涤纶纺黏土工布水平，拓宽了涤纶短纤维针刺土工布的应用领域。

1 试验部分

1.1 原料

本研究选用三种长度不同的涤纶短纤维为原料，纤维线密度皆为6 dtex，长度分别为51、65和150 mm，纤维断裂强度3.9 cN/dtex。

1.2 设备

51、65 mm涤纶短纤维采用FZK500开松机、FZG500给棉机、FZS1050型梳理机;150 mm超长涤纶短纤维采用专用开松梳理机;铺网及加固都采用FZP1000型铺网机、FZZ-I1000预针刺机和FZZ-Ⅱ1000主针刺机等。

1.3 表征和测试

(1)采用USB电子显微镜观察土工布纤维缠结状态。

(2)拉伸断裂性能测试按照 FZ/T60005—1991标准执行，测试仪器采用YT010-1000型土工布综合强力机。

(3)透水性测试按照GB/T15789—2005标准执行，测试仪器采用YT020土工布透水性测定仪。

(4)厚度测试参照 GB/T1380—1997标准执行，测试仪器采用YG141型织物厚度仪。

1.4 试验方案与结果

1.4.1 试样制备

在不考虑交互作用的前提下，根据有关资料［3-5］制定因素水平表(表1)，并采用 L9(34)正交试验设计安排试验。将不同长度的涤纶短纤维按照正交试验设计表进行加工，制得9种面密度为(400±20)g/m2的针刺毡试样。

表1 正交试验因素水平表

1.4.2 性能测定结果

按测试要求裁剪试样，依据有关标准进行性能测定。正交试验设计表和试样性能测定结果见表2。

1.4.3 表观结构

由图1可以看出，针刺形成的“纤维销钉”在土工布中起着纤维结合的重要作用。纤维长度越长，同一根纤维形成的“纤维销钉”个数越多，即纤维缠结点增多，纤维间结合的能力越强，针刺土工布强力越大。针刺密度和针刺深度也影响纤维缠结性能，从而影响土工布性能。

图1 针刺土工布表观结构

表2 正交试验设计表和性能测定结果

2 结果分析

以纤维的长度、针刺密度和针刺深度为因素，以断裂强力、断裂伸长率和透水垂直渗透系数为考核指标，正交试验结果分析见表3。

2.1 土工布力学性能与因素之间的关系

由表3可见：

(1)对土工布纵横向断裂强力影响最大的因素是纤维长度，其次是针刺深度，针刺密度影响最小。纤维长度由51 mm增长到150 mm，土工布平均强度明显增大。这是因为涤纶短纤维长度增长，纤维缠结点增多，摩擦片段增长，增强了纤维间的缠结效果，提高了土工布强度，因而可拓展产品的应用领域。

(2)影响土工布纵向断裂伸长率的主要因素是针刺深度，其次是纤维长度和针刺密度;而影响土工布横向断裂伸长率的主要因素是纤维长度，其次是针刺密度和针刺深度。这是因为土工布中纤维横向取向度较高，纤维长度对横向断裂伸长率的影响显著。

(3)对于本文所研究的面密度为400 g/m2的厚型土工布，针刺深度过浅，纤维缠结不够紧固，断裂伸长会相应增大。针刺密度对材料断裂强力、断裂伸长率影响都较小，说明所选择的参数处于工艺合理范围。

2.2 土工布厚度与因素之间的关系

根据表3中极差R大小顺序可得出影响土工布厚度的主要因素是针刺深度，针刺密度次之，纤维长度影响较小。随着针刺深度的增大，土工布纤维层缠结更紧，材料厚度有减小趋势。

表3 正交试验结果分析

2.3 土工布透水性能与因素之间的关系

根据表3中极差R大小顺序可得出影响透水量的主要因素是纤维长度，针刺深度次之，针刺密度影响最小。这是因为长的短纤维在针刺缠结过程中形成了如长丝般贯通材料的导引孔，更有利于水流透过。

2.4 最佳工艺选择

在土工布的使用中，对其力学性能方面的要求是高强低伸、纵横向强力同一性好，同时还要兼顾透水性能的要求。综合考虑上述要求，本试验选取的较好的因素水平搭配为 A3B1C3，即纤维长度150 mm，针刺密度600刺/cm2，针刺深度10 mm。

3 结论

(1)纤维长度对涤纶短纤维针刺土工布纵横向断裂强力影响明显，长150 mm纤维制成的土工布力学性能提高明显，可以拓宽产品应用领域;针刺深度对土工布纵向断裂伸长率影响较大;针刺密度选择600、700和800刺/cm2时，对材料力学性能影响较小。

(2)影响土工布厚度的主要因素是针刺深度，针刺密度次之，纤维长度影响较小;而影响土工布透水性能的主要因素是纤维长度，针刺深度次之，针刺密度影响最小。

(3)加工涤纶短纤维针刺土工布的最佳工艺组合为 A3B1C3，即纤维长度150 mm，针刺密度600刺/cm2，针刺深度为10 mm。在该工艺条件下制得的土工布的性能最好，能够满足应用要求。

［1］方彦忠.土工布的选择及工艺参数对其性能的影响［J］.非织造布，2006，22(5)：23-28.

［2］方青，霍英.对涤纶针刺土工布强度影响因素的探讨［J］.非织造布，2002，8(4)：10-12.

［3］MENDEZ-VILAS A，GONZALEZ-MARTIN M L，NUEVO M J.Some geometrical considerations about the influence of topography on the adhesion force as measured by AFM on curved surfaces［J］.Applied Surface Science，2004(238)：9-13.

［4］叶奕梁，徐朴.土工布的生产技术和性能要求［J］.纺织导报，2000(3)：36-40.

［5］王睿谦，鲍志洪，王国明.特宽幅短纤针刺土工布的开发［J］.产业用纺织品，2000，18(10)：22-25.