水刺多层复合建筑覆盖材料的制备及性能*

2014-01-15张寅江陈银青靳向煜

产业用纺织品 2014年9期

韩旭张寅江陈银青靳向煜

(1.浙江和中非织造股份有限公司，绍兴，312000;2.绍兴职业技术学院，绍兴，312000;3.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海，201620)

随着社会的不断发展，人们对建筑工业、房屋质量及相关公共活动设施等提出了越来越高的要求［1］，对建筑工地的施工安全和相应工程的合理科学化提出了要求，同时还必须考虑到实际的建设成本。在工地施工时，为保护钢或木结构施工现场，避免雨水对基建材料的腐蚀，提升建筑物的质量，需要使用建筑覆盖材料来保护施工现场。相应的建筑覆盖物要有较大的强力，防水、防渗、耐腐蚀性好，同时对耐划破强力也有一定要求［2］。本文采用100%疏水性涤纶经六层交叉铺网和两层直铺网复合，再经水刺加固缠结，所制成的建筑工地用多层覆盖柔性纤网体能达到工地施工要求且成本低。目前该覆盖柔性材料在美国等发达国家建筑工地上已被普遍应用，在我国未来的施工工地上定有较大的应用前景。

1 水刺多层复合建筑覆盖材料的制备

1.1 建筑覆盖材料规格

采用两种100%疏水性涤纶，其中纤维A规格为2.2 dtex×51 mm，纤维 B 规格为 1.67 dtex×38 mm，通过相同工艺制备两种建筑覆盖材料。所制复合纤网产品面密度均为100 g/m2，幅宽均为3 500 mm。

1.2 技术工艺路线

两种原料均采用六层交叉铺网和两层梳理直接成网相结合，形成上、下两种结构的纤网复合层，并经水针冲击作用使纤网中纤维相互间穿插缠结，形成结构稳定的纤网。在纤网面密度一定的情况下，进行多层纤网缠结叠加，可保证具有各向同性面层和各向异性面层良好结合的建筑覆盖材料的性能。该建筑覆盖材料的制备工艺见图1。

图1 工艺技术路线

成网梳理机后配置双道夫，道夫后配置凝聚罗拉，通过调节道夫与凝聚罗拉的线速度比值可有效调节该层纤网中纤维的纵横向比例［3］。为使纤网上、下面层具有两种不同的性能，同时增加纤网与纤网间的抱合力，以达到纤网所需的力学性能要求，采用两台梳理机并进行工艺设计来制作纤网。第一台梳理机的每只道夫产出小面密度纤网(＜35 g/m2)，经过交叉铺网机进行三层纤网叠加，使纤维由纵向排列向横向排列转变;纤网再经杂乱牵伸机对其进行多级小倍数牵伸，以使纤网达到设定的面密度;双道夫致使六层纤网叠加，交叉铺网角为35°～45°。第二台梳理机输出直铺纤网，配置凝聚罗拉，可通过调节其与道夫的速比来调节纤维的杂乱程度，横铺直取，铺网角度为90°。第二台梳理机输出的两层纤网与第一台梳理机产出的纤网进行叠合，得到最终所要的复合结构覆盖材料。由于采用两台梳理机梳理成网，所以可通过改变两台梳理机纤网铺设参数来达到产品不同的性能要求。

1.3 主要工艺参数

(1)梳理。梳理机一各辊速度：主锡林工作辊70 m/min，主锡林剥取辊140 m/min，主锡林1 100 m/min;梳理机二各辊速度：主锡林工作辊60 m/min，主锡林剥取辊 120 m/min，主锡林1 200 m/min。梳理机喂入纤网面密度为30 g/m2。

(2)铺网。交叉铺网能改变纤维纵横向排列，均衡纵横向强力;直铺纤网中的纤维大体呈纵向排列。交叉铺网机原理示意见图2。

(3)牵伸。总牵伸比达到2.447。

图2 交叉铺网机原理示意

(4)水刺。7个水刺头水刺压力依次设定为：3.5、9.0、12.0、15.0、14.0、10.0 和 3.0 MPa。

(5)烘干。烘干机温度控制在(110±10)℃。

2 性能测试与仪器

(1)用TM3000扫描电镜对材料进行表面形态观察。

(2)按照GB/T24218.2—2009 标准，在YG141N型数字式织物厚度仪上进行材料厚度测试。

(3)按照GB/T24218.2—2009标准，用圆盘取样机进行面密度的测试。

(4)按照 FZ/T60005—1991标准，采用HD026N型电子织物强力仪进行断裂强力的测定。拉伸速度100 m/min，隔距20 cm，试样宽度50 mm。

(5)按照 GB/T3917.3—1997 标准，采用HD026N型电子织物强力仪进行梯形法撕裂强力的测定。拉伸速度100 m/min，隔距10 cm。

3 性能测试结果与分析

3.1 表面形态

图3是覆盖材料两面表面形态的扫描电镜照片。

在图3(a)覆盖材料纤维直铺纤网面中，两层纤网经水针的冲击，水刺孔附近纤维上下交缠显著，局部纤网区域有缠结现象，但纤维总体仍呈各向异性。因为直铺纤网中纤维排列趋于机器输出方向，尽管经过强烈的水针冲击，纤维间有所缠绕，但总体纤维排列取向变化不大。而在图3(b)覆盖材料的六层交叉铺网面中，纤维交缠显著，纤网各向同性明显，且由水针冲击形成的水刺孔附近，纤维上下交缠程度更加复杂。因为交叉铺网经杂乱牵伸所形成的纤网本身呈各向同性，水针作用使纤维上下间的缠绕更加明显。

图3 覆盖材料两面的纤维排列

3.2 力学性能

图4为分别由纤维A和纤维B制得的两种建筑覆盖材料样品(样品A和样品B)的基本力学性能。两种材料的面密度均为100 g/m2，厚度均为0.6 mm。

图4 两种样品的力学性能

由图4可见，样品A的纵横向基本力学性能均优于样品B，两种样品的断裂强力均为纵向大于横向，断裂伸长率和撕裂强力均为横向大于纵向。这是因为尽管纤维A较纤维B略粗，但纤维A较纤维B长，且长径比略大，纤维A相互间接触的概率较大，在同等水针强力冲击作用下，纤维A之间更易缠绕，其所形成的纤网总体缠结效果会更加明显。两种建筑覆盖材料纤网中，均有六层交叉铺网层与两层直铺层纤维紧密缠结组成，直铺层沿设备输出方向(纵向)排列，交叉铺网层呈各向同性。在纵向拉伸时，纤网中纤维交缠结构可提供一定的拉伸张力，同时纵向排列的纤维可承受较大的拉伸张力，而横向拉伸仅由交叉缠结的纤维提供张力，故纤网断裂强力纵向大于横向。纵向拉伸时，主要是纤网中纵向排列的纤维径向受力，使纤网的伸长较小;而横向拉伸时，主要是破坏纤维的缠结点，使纤网的伸长较大，故断裂伸长率横向大于纵向。同理，在撕裂强力测试中，沿纵向撕裂强力仅由交铺层纤网来提供，直铺层纤维几乎不起作用，而横向撕裂不仅要考虑到交铺层纤网的作用，也涉及到直铺层纤维的作用，故撕裂强力横向大于纵向。比较图4(a)和图4(c)，两种样品的纵横向的断裂强力均明显高于撕裂强力。断裂强力由直铺纵向排列的纤维径向张力和交叉铺网缠结解体来承担，且前者承担主要的作用力;而撕裂强力主要由交铺层纤网中纤维缠结的破坏来提供。因此，纤网层的结构对断裂强力和撕裂强力均有较大影响。

3.3 耐划破性

由于当前国内还没有具体测量耐划破强力的仪器设备，根据耐划破强力特性自行设计了测试方法。该测试方法是在电子强力测试仪上增加划破装置(图5)，其他方法均与国家标准GB/T24218.3—2010《纺织品非织造布试验方法》一致。改进的测试方法如下：

(1)试样在标准大气环境中进行，标准大气依据GB/T6529—2008的规定;

(2)设定拉伸试验仪的夹持距离为(200±1)mm，在上夹持器中间位置夹持试样，下夹持器中间位置夹持图5所示划破装置的下端，试样末端放入划破装置上面的狭缝内，试样平直，将放入试样后的划破装置上端两铁片握紧并在小孔中插入与圆孔大小相似的铁钉，穿过试样;

(3)开动机器，以100 mm/min的恒定伸长速度划破试样直至试样划裂;

(4)记录试样划裂过程中最大的力值，作为耐划破强力，单位为N。

图5 划破装置的正面图和侧视图

从图6可以看出，样品A纵横向耐划破强力明显大于样品B，且两者纵向和横向的耐划破强力差别不大。按照建筑工地的相关要求，国际上规定建筑覆盖材料相关耐划破强力必须大于80 N。上述两种材料中，只有样品A的纵横向耐划破强力达到要求。主要因为在耐划破性能的测试中，耐划破强力是由纤网中纤维的缠结破坏的张力来提供，纤维A和纤维B同为涤纶，而纤维A长度较长、纤维长径比较大、比表面积大，在水针作用下纤维间的相互缠绕度高，紧密性好，故样品A的耐划破性能较样品B好。另外，尽管两种样品均为多层纤网复合，但纵横向纤维缠结效果所能提供的破坏机理张力接近，故纵横向的耐划破强力相近。比较图6和图4(c)，即进行耐划破强力和撕裂强力比较，可以发现不管纵横向前者均大于后者。从力学测试要求与测试中材料形态变化关系来分析，耐划破强力是对缠结面上的纤维缠结体进行拉伸划破，所涉及到纤网中的纤维缠结体量大，而撕裂强力是对类似线上(一维)的缠结纤维进行破坏所提供的张力，故耐划破测试时对纤维缠结的破坏所需要的力明显高于撕裂强力。

图6 两种纤网层纵横向耐划破强力的对比

4 覆盖材料相关性能及应用机理分析

所设计的用六层交叉铺网层与两层直铺层制备的水刺加固覆盖材料，在水针的冲击作用下，纤维紧密缠结，很难把两种结构相互分开。交叉铺网层总体显各向同性;直铺层纤维总体沿设备输出方向排列，各向异性明显。在风吹雨打的环境中以及人为因素的作用下，建筑工地中的木或钢筋机架机构与覆盖材料的交叉铺网层的接触部位间一定会有滑动，机架结构局部区域会对建筑覆盖材料产生划破力，而与机架结构的接触层为交叉铺网层，其各向同性可满足小范围划破力的不同方向性的要求，大范围划破力则需要两种纤维结构层共同来承受，故对建筑覆盖材料最大耐划破强力有相应的要求。与交叉铺网层结合的是直铺层纤网，两层纤网通过水针进行加固形成良好的纤维结合体，直铺层各向异性明显，作为覆盖材料外层直接与环境接触，在该层上雨水风沙可沿纤网中纤维的排列走向顺流而下，同时纤维间交缠致密，纤网拉伸强力大，具有良好的防水、防渗透的性能，可有效保护所覆盖的工地的木或钢筋机架机构。同时，覆盖材料的原料是涤纶，耐腐性、抗老化能力强，可作为能长时间使用的建筑工地覆盖材料。