两种不同基布芳纶针刺非织造材料的结构与力学性能的测试评价

刘 群， 徐广标， 王向钦

(1. 东华大学 a. 纺织学院；b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620； 2. 广州纤维产品检测研究院，广东 广州 510220)

两种不同基布芳纶针刺非织造材料的结构与力学性能的测试评价

刘 群1a, 1b， 徐广标1a, 1b， 王向钦2

(1. 东华大学 a. 纺织学院；b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620； 2. 广州纤维产品检测研究院，广东 广州 510220)

针对两种不同基布(芳纶基、聚四氟乙烯基)芳纶针刺非织造材料，研究了织物的表面形态、拉伸性能、耐折叠性能、耐热性和热稳定性．研究结果表明：非织造布表面为三维立体网状结构，经过高温(260 ℃/3 h)处理，织物的表面结构发生了损伤，且烧毛面比未烧毛面损伤严重；织物纵、横向断裂强度存在差异，高温处理后织物强度保持率较优，均达到100%以上，能满足高温下过滤织物的强度要求；折叠后两种织物的纵、横向断裂强度保持率和断裂伸长率保持率均较高，表现出优异的耐折叠性能．热重(TG)试验发现，两种织物的热分解温度均高于400 ℃，且聚四氟乙烯基芳纶针刺非织造材料的热稳定性较芳纶基芳纶针刺非织造材料稍好．

芳纶； 针刺非织造材料； 表面形态； 力学性能； 热性能

近年来，高技术新兴工业不断出现，耐高温过滤织物的应用范围也在不断扩大.耐高温过滤织物广泛应用于能源、交通、冶金、化学、电子、环保、航天等[1]需要高温操作的领域,阻止了有害物质进入空气，从而保护人体健康[2]．

目前笼统地认为220 ℃以上的烟气为高温烟气[3].这一高温条件对耐高温材料的耐磨性、耐高温性、稳定性等方面提出了要求．国外从20世纪70年代开始研究耐高温空气过滤材料，并制备出一系列性能较好的纤维过滤材料．国内的高温过滤材料和技术起初基本是从国外引进，发展速度相对较慢，织物结构主要以合成纤维的机织布为主．20世纪80年代后期，国内开始自主设计并生产过滤材料，合成纤维及其他高性能纤维制成的针刺毡逐渐用于过滤材料当中，基本能满足能源等行业对于高温烟气处理的除尘需求[4]．21世纪，耐高温烟气过滤进入了材料的高速发展阶段，涌现出一系列高性能的耐高温过滤材料，包括芳纶1313纤维(polyisophthaloyl metaphenylene diamine fiber, Nomex)、芳纶1414纤维(polyterephthaloyl-p-phenylenediamine fiber, PPTA)、聚苯硫醚纤维(polyphenylene sulfide fiber, PPS)、芳砜纶(polysulfonamide fiber, PSA)、聚酰亚胺纤维(polyimide fiber, PI)、玻璃纤维(glass fiber, GF)、聚四氟乙烯纤维(polytetrafluoroethylene fiber, PTFE)等[5]．在众多的高性能纤维中，芳纶的高强、高模、低密度、高耐磨等性能[6]使其成为全世界耐高温材料中发展最快的一种.国内的芳纶及其制品的需求量近年不断增长，芳纶国产化得到长足发展[7-8]．织物类型由传统的机织物、针织物向非织造布、复合材料等方向发展[9]，芳纶非织造布就是发展较快的空气过滤材料之一[10]，应用也最有成效．芳纶非织造布利用芳纶本身优异的性能，通过针刺处理，获得的针刺布具有过滤精度高、流量大等特点[11]，可以满足特殊情况下的过滤需要．用于非织造材料基布的材料包括PTFE、芳纶等，基布的使用对于非织造材料的性能有较大影响[12]，但不同基布的使用对非织造材料的力学性能、耐高温性能等方面影响的研究还不多．

织物的力学性能、耐高温性能对耐高温织物的生产、使用有重要影响[13]，在投入生产应用前，需要对织物结构与性能进行测试评价．本文选择国产PTFE基芳纶针刺非织造织物和芳纶基芳纶针刺非织造织物为研究对象，对织物表面形态结构、拉伸性能、耐折叠性能、耐热性、热稳定性进行测试与评价，以便为芳纶非织造过滤织物的加工、使用提供参考依据．

1 试 验

1.1 材料

PTFE基芳纶针刺非织造布和芳纶基芳纶针刺非织造布由工厂提供，织物中的芳纶纤维均为芳纶1313纤维，织物的基本参数如表1所示．

表1 织物的基本参数

1.2 方法

1.2.1 形态结构

采用日立台式TM 3000型扫描电子显微镜(SEM)观察织物的表面及横截面的形态，并对经过260 ℃高温处理3 h后的织物表面及横截面进行形态结构观察．

1.2.2 热处理

采用DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱对织物进行高温加热，织物在温度为(20±2)℃和相对湿度为(65±2)%的标准大气环境中平衡24 h后放入烧杯，入烘箱进行加热．试样大小参照力学性能试验标准，温度设定为260 ℃，时间3 h．取出的试样在标准大气中自然冷却24 h后，进行形态结构与力学性能的测试．

1.2.3 力学性能

(1) 拉伸性能.采用WDW-20型微机控制万能材料试验机，参照FZ/T 60005—1991《非织造布断裂强力及断裂伸长的测定》，对织物的单向拉伸强度进行了测试．试验条件：等速伸长拉伸(CRE)，夹持距离为200 mm，拉伸速度为100 mm/min，测试环境温度为(20±2)℃，相对湿度为(65±3)%．试样宽度为50 mm，长度为300 mm，两端夹持长度分别为50 mm．织物的每个方向测试5次，测试指标取平均值．

(2) 耐折叠性能.采用手工折叠法[14]测试织物的耐折叠性能．按照与拉伸性能测试相同的标准裁剪织物后将织物对折，用质量为1 kg的重锤压168 h，对处理后的织物进行拉伸试验，试验条件设置同拉伸性能部分．

1.2.4 热稳定性

采用德国耐驰公司的TG 209F1型热重分析仪测试织物的热重(TG)曲线，从TG曲线上可以得到织物的起始分解温度，以此表征热稳定性[15]．测试条件：样品质量为10 mg，升温速率为10 ℃/min，温度扫描范围为40～900 ℃，氮气保护．

2 结果与讨论

2．1 形态结构

通过直接观察发现，两种非织造织物的未烧毛面呈现纤维本色，芳纶基芳纶针刺非织造布为白色，PTFE基芳纶针刺非织造布为黄色，烧毛面呈焦黄色．织物表面的扫描电镜图如图1所示．由图1可知，非织造布表面呈三维立体网状结构，空隙分布均匀，在同一滤料上可以完成一级、二级、多级过滤[16]．非织造布内部纤维分布杂乱，加强了载体相流过纤维曲径式系统时的分散效应，使粒子悬浮相在欲分离时与单纤维碰撞或黏附的机会增多[17]，这是非织造织物作为滤料的优势．PTFE基芳纶针刺非织造布的纤维纵向表面形态光滑，沿纤维纵向有凹槽，横截面近似哑铃形．芳纶基芳纶针刺非织造布的纤维纵向表面光滑，略有凹槽，横截面近似圆形．由于采用烧毛工艺，烧毛面头端多，未烧毛面头端少．其中PTFE基芳纶针刺非织造布烧毛面头端有熔融结头，较光滑，芳纶基芳纶针刺非织造布烧毛面纤维头端多有孔洞等损伤，部分纤维呈中腔形态，这样的立体结构可增加对空气中杂质的过滤作用．总的来说，这两种非织造织物作为滤料有优势，芳纶纤维纵向表面光滑，有凹槽结构，烧毛面(正面)的头端较未烧毛面的头端多，但PTFE基芳纶针刺非织造布烧毛面烧毛头端的熔融结头较光滑，芳纶基芳纶非织造布烧毛面头端则有孔洞，部分纤维呈中空结构．

(a) 1# 烧毛面

(b) 1# 未烧毛面

(c) 2# 烧毛面

(d) 2# 未烧毛面

织物的横截面形态结构如图2所示．由图2可知，织物中的基布规整排列，芳纶1313纤维在基布上下杂乱分布.由图2(a)可知，PTFE基布由PTFE单纱织成，纱线结构紧凑，表面平滑.由图2(b)可知，芳纶基布由芳纶1313纱线织成，纱线结构松散.

(a) 1# 截面

(b) 2# 截面

高温处理后的两种非织造布的颜色焦黄，烧毛面较未烧毛面颜色变化更加明显．高温处理后的织物表面的扫描电镜图如图3所示．由图3可知，高温处理后的织物正、反面均有损伤，且烧毛面的损伤更加严重，这可能是由于烧毛面在烧毛处理后，纤维更容易受损．具体来看，PTFE基芳纶针刺非织造布在高温处理后纤维表面有较长的裂纹，而芳纶基芳纶针刺非织造布的纤维表面则出现大面积孔洞结构．

(a) 1#烧毛面

(b) 1# 未烧毛面

(c) 2# 烧毛面

2．2 力学性能

2．2．1 拉伸性能

织物的拉伸性能直接影响织物的耐久性(或坚牢度)，是评价织物品质的重要内容[18]．织物的基本拉伸性能与织物中所用的纤维、纱线结构、织物结构等特征有关，织物的纵、横向拉伸曲线如图4所示．

图4 织物的拉伸曲线Fig.4 Tensile curves of fabrics

由图4可知，芳纶基非织造布纵向有两个峰值，第一峰值出现后织物发生颈缩，之后强度很快呈现上升趋势，直到第二峰值后强度快速降低至断裂；第二个峰值高于第一个峰值．这可能是由于织物在颈缩过程中，非织造织物密度增加，纤维排列方向趋近各向同性；同时，随着纵向伸长变形的增大，经密不断增大，经纬纱间的摩擦阻力增加，从而影响基布拉伸性能．芳纶基非织造布的横向两个峰值不太明显，第一个峰值出现后不久便出现了第二个峰值，这也说明了织物的断裂同时性好．PTFE基芳纶非织造布纵、横向均有两个明显的峰值，原因与芳纶基非织造布相同．取织物拉伸曲线的两个峰值中较大的强度和伸长率为断裂强度、断裂伸长率，具体力学指标值如表2所示．

表2 织物常温下的力学性能

由表2可知，这两种非织造布的纵、横向断裂强度均较普通化纤织物[19]大，但纵、横向差异明显．芳纶基非织造布的纵向强度小于横向强度，而PTFE基芳纶非织造布的纵向强度大于横向强度．在外应力较大的场合，需要考虑织物纵、横向强度的差别．

从断裂伸长率看，两种织物的断裂伸长率均较普通化纤织物[19]小，且纵、横向差异大．PTFE基芳纶针刺非织造布的纵向伸长率小于横向伸长率，芳纶基芳纶针刺非织造布则反之．

2．2．2 热处理后的拉伸性能

衡量织物耐高温性的主要指标是测量其在高温条件下的力学性能保持情况[20]．织物在一定高温处理后的断裂强度、断裂伸长率和弹性模量的保持率如表3所示．由表3可知，两种织物高温处理后的断裂强度保持率较优，均达到100%以上，能满足高温下的强力要求．但断裂伸长率保持率不尽相同，且芳纶基芳纶针刺非织造布伸长降低比PTFE基芳纶基芳纶针刺非织造布明显．PTFE基芳纶针刺非织造布的弹性模量降低，刚度下降，容易变形．芳纶基芳纶针刺非织造布的刚度上升，形态稳定性提高．

2．2．3 耐折叠性能

在生产、运输及安装过程中，织物不可避免地会遇到弯折或折叠问题．为了探索折叠对织物拉伸性能的影响，本文采用手工折叠法测试分析了织物折叠后的拉伸性能变化，测试结果如表4所示．由表4可知，两种织物的纵、横向断裂强度和断裂伸长率保持率均较高，表现出优异的耐折叠性能．两种织物纵、横向的断裂强度保持率均达到100%，芳纶基芳纶针刺非织造布纵向断裂伸长率保持率较低，表现为脆性稍大，在生产、使用过程中应该注意减少折叠．

表3 织物在高温下的力学性能变化

表4 织物耐折叠力学性能

2．3 热稳定性

通过热重(TG)分析法在氮气气氛条件下研究两种织物的热稳定性，测试结果如图5所示．

图5 两种织物的TG曲线Fig.5 TG curves of two fabrics

由图5可以看出，PTFE基芳纶针刺非织造布的TG曲线有两个分解阶段，这是由于组成非织造布的PTFE纤维与芳纶纤维两种组分的不同分解温度造成的．第一阶段的起始分解温度为421.7 ℃，第二阶段的起始分解温度为540.6 ℃．在562.7 ℃时分解速率最高，分解速率为7.0%/min，600 ℃时的质量损失达到60.8%．芳纶基芳纶针刺非织造材料的起始分解温度为411.6 ℃，在438.7 ℃时分解速率最大，分解速率为3.8%/min，600 ℃时的质量损失达到39.8%．综合来看，两种织物的起始分解温度均高于400 ℃，温度高于400 ℃后，质量损失加快．其中PTFE基芳纶针刺非织造材料的起始分解温度高于芳纶基芳纶针刺非织造材料，因而使用温度稍高，热稳定性较好．

3 结 语

通过对两种不同基布的芳纶非织造布的基本性能和热学性能进行测试与评价，得到以下结论．

(1) 表面形态结构.非织造布表面的三维立体网状结构有利于织物的多级过滤.芳纶基芳纶针刺非织造布的纤维纵向表面光滑，略有凹槽，烧毛面的纤维头端较未烧毛面的多.PTFE基芳纶针刺非织造布烧毛面烧毛纤维头端的熔融结头较光滑，芳纶基芳纶针刺非织造布的纤维则有孔洞，部分纤维呈中空结构．织物经过高温处理，织物的表面结构均发生了损伤，且烧毛面比未烧毛面损伤严重．

(2) 断裂强度.两种非织选布的纵、横向强度存在差异，在外应力较大的场合，需要考虑织物纵、横向的差别．织物经过高温处理，两种织物的断裂强度保持率较优，均达到100%以上，能满足高温下的强力要求，但纵、横向断裂伸长率保持率差异大．

(3) 耐折叠性.经折叠后两种织物的纵、横向断裂强度和断裂伸长率保持率均较高，表现出优异的耐折叠性能．

(4) 热稳定性.TG分析发现，PTFE基芳纶针刺非织造布的热稳定性较芳纶基芳纶针刺非织造布优．

总之，两种织物都是常见的耐高温过滤材料，而织物的生产和使用，需要对其形态结构、耐弯折性能、热性能等进行测试评价，本文的研究可为该类产品的实际应用提供参考．

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Test and Evaluation on Structure and Mechanical Properties of Aramid Fiber Needle-Punched Nonwoven Materials with Two Different Base Cloth

LIUQun1a,1b,XUGuang-biao1a, 1b,WANGXiang-qin2

(a. College of Textiles; b. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, 1. Donghua University,Shanghai 201620，China； 2.Guangzhou Fiber Product Testing Institute, Guangzhou 510220, China)

The surface morphology, tensile properties, folding resistance, heat resistance and thermal stability of two aramid fiber needle-punched nonwoven materials with two different base cloth (aramid, polytetrafluoroethylene(PTFE)) were researched. Conclusions were gotten that the surface of nonwoven fabric was anisotropic mesh structure.When treated under 260 ℃ for 3 h, the surface of fabric changed, singeing surface was damaged more serious than untreated surface. There were differences between longitudinal and transverse strength.All over 100% strength retention when treated under high temperature satisfy the requirement of filter fabrics when temperature was under 260 ℃. After folded, retention of breaking strength and elongation were all high which showed a good folding resistance of two fabrics. TG curves were analyzed that the thermal decomposition temperature of two fabrics were higher than 400 ℃, aramid base fabric showed a slightly better thermal stability than PTFE base fabric.

aramid fiber; needle-punched nonwoven materials; surface morphology; mechanical properties; thermal performance

1671-0444(2015)05-0608-07

2014-07-09

国家质检总局科技计划资助项目(2013QK285)

刘 群(1991—)，女，江苏泰州人，硕士研究生，研究方向为高温材料.E-mail: 460447073@qq.com 徐广标(联系人)，男，教授，E-mail: guangbiao_xu@dhu.edu.cn

TS 176+.3

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