多层针刺复合非织造土工布的性能测试

贾 芳,张得昆

(西安工程大学 纺织与材料学院,陕西 西安 710048)



多层针刺复合非织造土工布的性能测试

贾 芳,张得昆

(西安工程大学 纺织与材料学院,陕西 西安 710048)

研究多层针刺复合非织造土工布与一次性单层非织造土工布各种力学性能的不同．以涤纶为原料,利用针刺非织造生产方法,设计相同的针刺密度，生产面密度分别为70，140，210，280，350g/m2的单层非织造土工布;以70g/m2针刺非织造布为基础,加工面密度分别为140，210，280，350g/m2的复合非织造土工布．测试两类非织造土工布力学性能．结果表明，与同规格的单层针刺土工布相比,多层针刺复合土工布的纵横向撕破强力、纵横向拉伸断裂强力均高于一次性针刺形成的单层土工布，特别是顶破强力.在不同的面密度下,相同针刺密度的多层复合型土工布高于单层针刺土工布,随着层数的增加差异明显并且呈多项式函数关系.通过多层针刺复合的形式可以提高针刺土工布的力学性能．

针刺土工布；多层复合；顶破强力

0 引 言

刺破现象普遍存在于工业建筑、纺织服装等领域,例如土工布被石子刺破,工业石油管道被尖锐物体刺破[1]．当前,中国经济已进入快速发展阶段,各种工程的修复以及新的巨大工程建设都增加了对土工布的需求,也对土工布的性能提出更高的要求.非织造土工布因其具有生产流程短，效率高的特点，在建筑行业受到重视[2]．相关研究人员也对非织造土工布的各项性能进行了一系列的研究工作．魏群等研究非织造土工布力学性能[3];姜宁等研究了非织造土工布破裂强力的测试方法,得出可以用于测试非织造土工布顶破强力的方法[4];钱竞芳研究试样层数对针刺非织造土工布渗透性能的影响,得出不同层数对针刺非织造土工布渗透能力的影响[5];李素英等研究了土工布的力学性能,得出影响土工布力学性能的相关因素[6]．国外的许多学者也对土工布的性能做了研究,Tapir hashed等通过数学建模对针刺土工布进行设计及性能研究[7];Morteza vadood等则使用电脑模拟技术分析了3种土工布的淤堵特性,为研究土工布特性提供新的思路[8]．在纺织服用方面，文献[10]研究了碳纤维布层的复合材料在湿热情况下对力学性能的影响，文献[11]对于服用的多层织物的显热性能进行了研究.针对土工布以及非织造材料的复合性能研究虽多,但是关于层数对于性能的影响方面较少,对于非织造土工布的破裂研究更少,这是复合材料研究的新内容,新方向．织物抗刺破性能的研究还可为工程设计提供指标,也是进一步研究材料性能和开发新产品的依据[9]．为了对多层土工布力学性能进行研究,本文设计和加工了9种单层和多层针刺复合土工布,测试其各项性能,并将一次性针刺形成的单层针刺土工布与多层针刺复合土工布的性能进行比较.

1 实 验

1.1 实验方案

样品制作采用梳理针刺工艺流程,分别生产单层和多层复合型的针刺非织造土工布．其中,生产面密度分别为70，140，240，280，350g/m2的单层针刺土工布．多层复合非织造布则以70g/m2的单层针刺土工布为基础进行两层、三层、四层、五层的复合,得到面密度分别为140，210，280，350g/m2的多层复合非织造土工布．最终得到的单层和多层复合土工布的面密度分别是140，210，280，350g/m2,总针刺密度都为300刺/cm2．

1.2 原料选取

涤纶纤维具有强度高,弹性好,耐磨性好的特点,是土工布常用的原料,故本文选取的纤维原料为常规涤纶(细度6D,长度61mm)．

1.3 样品加工工艺

样品加工工艺流程:纤维开松→喂入→梳理→铺网→针刺．加工设备为WL-GP-B-800型梳理机,WL-GZ-A-800型铺网机和WL-GZ-B-800型针刺机,在样品的加工过程中要特别注意纤维的开松和均匀喂入,这是保证加工来的样品均匀性好的基础．经过梳理及铺网工艺生产出一定厚度的纤维网,用针刺法进行加固.为了进行对比分析，先加工面密度为70，140，210，280，350g/m2的单层针刺非织造土工布,其中面密度为70g/m2的样品针刺密度为100刺/cm2,作为多层复合土工布的基材,其余单层土工布针刺密度均为300刺/cm2．然后利用面密度为70g/m2、针刺密度为100刺/cm2的单层土工布分别以2，3，4，5层进行针刺复合,复合后的样品面密度分别为140，210，280，350g/m2,总的针刺密度为300刺/cm2．

2 性能测试与结果分析

2.1 面密度

采用GB/T24218.1—2009《纺织品 非织造布实验方法第一部分:单位面积质量的测定》进行测试．试样大小30cm×30cm,每组测5块并计算其面密度及平均值．单层针刺非织造土工布样品的定量测试值见表1,多层复合土工布样品的面密度测试值见表2．

从表1，2可以看出,实际面密度与设计面密度相对比虽然有一定误差,但误差都很小,说明样品制作的工艺参数比较合理,样品的面密度可以满足本课题的需要．

表 1 单层针刺非织造土工布的面密度Table 1 Quantitative units of needle-punched nonwoven geotextile (g·m-2)

表 2 多层复合型针刺非织造土工布的面密度Table 2 Quantitative units of multilayer composite needlepunched nonwoven geotextile (g·m-2)

2.2 厚度

采用GB/T 24218—2009《纺织品 非织造布测试方法 第二部分:厚度的测定》,利用YG(B)141D数字织物厚度仪,先将样品在GB 6529规定的标准大气下调湿,并进行实验,压脚面积为2 500mm2,取9种不同面密度的试样进行测试.单层针刺非织造土工布及多层复合针刺非织造土工布厚度的测试结果见表3，4.

表 3 单层针刺非织造土工布的厚度Table 3 The thickness of single-layer needle-punched nonwoven geotextile mm

表 4 多层复合针刺非织造土工布的厚度Table 4 The thickness of the multilayer composite needle-punched nonwoven geotextile mm

从表3,4可以看出,在相同针刺密度下随着面密度的增加土工布的厚度有着明显的增加,在相同面密度和相同的针刺密度下,除2层复合土工布外,其它多层复合土工布的厚度都要略小于单层针刺土工布,这是因为相对于单层针刺土工布来说,多层复合针刺土工布的厚度均匀性及面密度均匀性更好,因此,测试出来厚度值有可能比单层针刺土工布要略微小些.70g/m2，140g/m2的针刺密度相差比较大,70g/m2的产品虽然面密度低,但由于针刺密度小得多,所以产品更蓬松,所测的厚度较高．

2.3 撕破性能

采用GB/T13763《土工布梯形法撕破强力试验方法》，利用YG026D-1000型电子强力机,将试样剪成上底、下底、高分别为25mm，100mm，75mm的梯形．测试前先将样品置于规定的标准大气下调湿,并进行测试,其测试数据见表5，6所示．

表 5 单层针刺非织造土工布的撕破强力Table 5 Tearing strength of single acupuncture nonwoven geotextile N

表 6 多层复合型针刺非织造土工布的撕破强力Table 6 Tearing strength of multilayer composite needle-punched nonwoven geotextile N

从表5，6可以看出,对于两种非织造布来说,随着面密度的增加撕破强力逐渐增加,这是因为在其他条件相同的情况下随着面密度的增加试样横截面内纤维数量增加,撕破强力也就越大．无论是单层土工布还是复合型土工布纵向撕破强力均大于横向撕破强力,这是由梳理成网和交叉铺网形成的纤维网特性所决定的．在相同面密度条件下,无论是纵向还是横向多层复合型针刺土工布的撕破强力均大于单层针刺土工布, 这是因为多层针刺复合非织造布是由单层复合而成的,单层针刺土工布的面密度、厚度等相对更不均匀,测试撕破强力时容易从薄弱环节断裂,因此,多层复合型针刺土工布的撕破强力更高．

2.4 拉伸性能

采用GB/T 24218.3—2010《非织造布断裂强力及断裂伸长率的测定(样条法)》进行测试,采用UTM4304电子万能试验机,试样大小50mm×200mm,纵横向各测5块．两类样品拉伸性能测试数据见表7，8.

表 7 单层针刺非织造土工布的拉伸性能Table 7 Tensile properties of single needle-punched nonwoven geotextile N

表 8 多层复合型针刺非织造土工布的拉伸性能Table 8 Tensile properties of multilayer composite needle- punched nonwoven geotextile N

从表7，8可以看出,无论是一次针刺而成的单层土工布还是多层复合型的非织造布,随着面密度的增加,拉伸强力逐步提高,横向拉伸强力都大于纵向拉伸强力,这是交叉铺网针刺非织造布基本特点所决定的．与一次针刺而成的单层土工布相比,多层复合针刺土工布的拉伸强力也明显大于单层土工布．这可能是因为一次性针刺形成的单层土工布的面密度、厚度、纤维的分布等均匀性都差于多层针刺复合非织造布,试样拉伸时容易从薄弱的环节断裂,因此多层复合土工布的拉伸强力相对较高．

2.5 破裂性能

破裂是指将垂直于试样的负荷作用于一定面积，周围固定的试样上,直至试样破裂的过程．它是多向受力的结果,所以破裂性能是土工布性能的一个重要指标．土工布破裂性能的测试方法主要有弹子法和液压胀破法,文中采用弹子法进行测试,根据GB/T14800—2010《土工合成材料 静态顶破试验》标准,选用YG026D-100型电子强力仪进行测试．每个试样测5次求平均值．不同面密度下2种类型非织造土工布平均顶破强力比较如图1所示．

图 1 两种非织造土工布平均顶破强力比较图Fig.1 Comparison chart of average bursting strength of two nonwoven geotextiles

从图1可以看出,不论是一次成型非织造土工布还是复合型非织造土工布,随着面密度的增加，两种非织造土工布的平均顶破强力都是不断地增加,这是因为其他条件相同的情况下随着面密度的增加,土工布横截面内纤维数量增加，顶破强力也增加．在针刺密度和面密度相同的情况下复合型非织造土工布的顶破强力要远远大于一次针刺形成的单层土工布,且随着复合层数的增加顶破强力的这种差异有扩大的趋势．这是由于顶破强力对土工布面密度、厚度、纤维分布等均匀性更为敏感,多层复合型非织造土工布由于是多个单层叠加在一起复合而成的,改善了单层针刺非织造布的厚度、定量、纤维分布等方面的均匀性,使得多层针刺复合土工布的顶破强力明显高于同规格的单层针刺土工布．

3 结 论

(1) 与同规格的单层针刺土工布相比,多层针刺复合土工布的厚度稍小于一次性针刺形成的单层土工布．

(2) 与同规格的单层针刺土工布相比,多层针刺复合土工布的纵横向撕破强力、纵横向拉伸断裂强力均高于一次性针刺形成的单层土工布．特别是顶破强力,在不同的面密度下,相同针刺密度的多层复合型土工布都要明显高于单层针刺土工布,且随着层数的增加这种差异会更加明显．

(3) 通过比较两种非织造土工布的性能可以看出,多层复合型针刺土工布的机械性能优于单层针刺土工布．因此,通过多层针刺复合的形式可以显著提高针刺土工布的力学性能．

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编辑、校对：田莉

Testing of multilayer needle-punched composite nonwoven geotextile performance

JIA Fang,ZHANG Dekun

(School of Textile and Materials, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048,China)

The mechanical properties of the multi-layer needle-punched composite nonwoven geotextile are explored.With polyester fiber as raw material, using the method of needle-punched nonwoven production in the same density,monolayer nonwoven geotextile of density 70g/m2, 140g/m2, 210g/m2, 280g/m2, 350g/m2are respectively produced.Then on the basis of 70g/m2needle-punched nonwovens, the density of 140g/m2, 210g/m2, 280g/m2, 350g/m2composite nonwoven geotextile are produced.The two kinds of nonwoven geotextiles mechanical properties are tested and analyzed.The results show that compared with the same specification monolayer nonwoven fabric, the layer number of these differences will be more obvious and it has polynomial function relationship.Therefore, the form of a multilayer needle-punched compound acupuncture can significantly improve the mechanical properties of nonwoven fabric.

needle-punched geotexile; multi-layer composite; bursting strength

1674-649X(2016)04-0411-05

10.13338/j.issn.1674-649x.2016.04.001

2015-12-03

陕西省功能性服装面料重点实验室基金资助项目(14JS038)

张得昆(1962—),男,甘肃省金昌市人,西安工程大学教授级高级工程师,研究方向为非织造材料与工程．

E-mail:dk-zhang@163.com

贾芳,张得昆.多层针刺复合非织造土工布的性能测试[J].西安工程大学学报，2016，30(4)：411-415.

JIA Fang,ZHANG Dekun.Testing of multilayer needle-punched composite nonwoven geotextile performance[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2016，30(4)：411-415.

TS 106.5

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