乙烯-四氟乙烯共聚物织物的制备及其性能

孙乐乐， 肖长发， 赵 健， 赵凯常(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

乙烯-四氟乙烯共聚物织物的制备及其性能

孙乐乐， 肖长发， 赵 健， 赵凯常
(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

为开发可用于苛刻环境下的工业用织物，以自制乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)长丝为原料，通过加捻、合股工艺制备出织造所需的ETFE纱线，利用半自动织机成功将其织成平纹织物，所得织物幅宽为(300±2)mm，厚度为0.397 mm。利用万能拉伸机、织物透气量仪、平板式保温仪和织物耐磨仪等对纱线及其织物进行性能表征。结果表明：ETFE织物透气率为562.1 mm/s，保温率为6.77%；ETFE织物具有优异的力学性能，其经向抗拉强度约为29.8 MPa，纬向强度为19.7 MPa，低于经向；热定型处理后，ETFE织物的热收缩率明显改善，150 ℃以下无明显收缩，在200 ℃仅为6%；在经过90 ℃的浓硫酸和氢氧化钠溶液处理后断裂强度均无明显变化，表现出良好的耐酸碱腐蚀性，有望用作苛刻环境下的工业用布。

乙烯-四氟乙烯共聚物织物； 力学性能； 热收缩； 耐酸碱性能

随着科技的进步和环境问题日益突出，人们对产业用纺织品的要求越来越高，特别是在恶劣环境条件下，对纺织品的性能及其稳定性、耐久性提出了严峻挑战。乙烯-四氟乙烯(ETFE)在保持了聚四氟乙烯(PTFE)优异的耐腐蚀、耐高温和耐大气老化性能[1]外，还具有聚乙烯(PE)可热塑加工特性，是一种理想的耐温防腐材料。同时，ETFE是最轻的含氟材料[2]，具有良好的耐辐照[3]和高透光性能，其抗蠕变性较PTFE明显改善[4]，因此，ETFE织物可作为建筑用纺织品、海洋业纺织品以及安全防护纺织品[5-6]等广泛应用于各个领域。

目前有关ETFE织物的研究鲜有报道，只有部分专利[7-8]介绍了ETFE纱线的成形工艺。E·W·托卡斯基等[9]还介绍了由ETFE纱线制成的网制品、建筑织物和织物面料等，其主要应用于渔网、足球网及篷布、家具面料等领域，但对其织物制备工艺及性能并未做详细说明和研究。本文主要通过对ETFE长丝进行纺纱，经织造工艺加工成织物，并对其性能进行了表征。

1 实验部分

1.1 实验设备与试剂

DSTw-01型数字式小样并捻联合机，半自动织样机，天津市嘉城机电设备有限公司；YG020型电子单纱强力仪，武汉国量仪器有限公司；YG(B)461D-Ⅰ型数字式织物透气量仪，常州第一纺织设备有限公司；YG606型平板式保温仪，乐清市欧达科技有限公司；YG(B)522型织物耐磨仪，温州市大荣纺织仪器有限公司；INSTRON型万能强力仪，广州理宝实验室检测仪器有限公司；JBDL-200N型电子拉力试验仪，扬州精博实验机械有限公司。

浓硫酸(98%)、氢氧化钠溶液(18%)，天津市风船化学试剂科技有限公司。

1.2 ETFE长丝的加捻与合股工艺

1.2.1 加捻工艺

所用ETFE长丝线密度为19.0 tex，设计捻度为43捻/10 cm；出条速度为12 m/min；捻向为Z捻；选取钢丝圈号数为16.2 mg。加捻后得到纱线线密度为19.2 tex。

1.2.2 合股工艺

为提高强力并保持捻度稳定，需要对其进行合股，以便于织造生产，提高织物的性能和美观。合股工艺的设计捻度为41捻/10 cm；出条速度为10 m/min；捻向为S捻；选取钢丝圈号数为30.6 mg。合股后得到的纱线线密度为38.9 tex。

1.3 ETFE织物的规格与参数设计

1.3.1 织物的组织结构设计

为保证经纱张力均匀，本文选用飞穿法穿综。由于纱线较细，经纱每个循环4根纱线，因此，选择每筘4入。采用的组织如图1所示。

图1 ETFE织物组织图Fig.1 Weave diagram of ETFE fabric

1.3.2 织物织造工艺确定

设定织物经密为330根/10 cm，采用分条整经，筘号数为80，综片页数为4。所得织物的幅宽为(300±2)mm，厚度为0.397 mm。

1.4 ETFE织物的热定型处理

在织造得到的ETFE织物上，剪取200 mm×200 mm的试样，平整地放入夹具内，用夹子固定好夹具边框，然后放在200 ℃的烘箱内，经干热处理1 h后拿出，得到热处理后的布样。

1.5 性能测试

1.5.1 纱线强力测试

参照GB/T 3916—1997《纺织品 卷装 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定》，采用YG020型电子单纱强力仪测试纱线的拉伸性能，测试夹距为500 mm，拉伸速度为500 mm/min，预加张力根据(0.5±0.05) cN/dtex计算。

1.5.2 织物透气性测试

参照GB/T 5453—1997 《纺织品 织物透气性的测定》，设定参数，实验面积为20 cm2，试样压差为100 Pa。

1.5.3 织物保温性测试

裁剪3块尺寸为30 cm×30 cm的试样，将试样覆盖在织物保温仪的测试板上，设定测试板、底板、保护板的温度相同，通过测定测试板在一定的时间内保持恒温所需的时间，得到织物的保温性能指标：保温率、传热系数、克罗值。

1.5.4 织物耐磨性测试

剪取3块直径为70 mm的圆形试样，并将圆心剪掉一部分，分别称量，装好试样，压力为本身自重，磨损次数为200，转速为60 r/min，取下试样，再次分别称量，根据下式计算单位面积质量损失(W)，取平均值。

式中：G0为磨前质量，g；G为磨后质量，g；S为试样受磨面积(20 cm2)。

1.5.5 织物力学性能测试

根据GB/T 3923.1—1997《纺织品 织物拉伸性能》分别对织物在干态和湿态条件下的经向、纬向进行拉伸断裂测试，试样大小为10 mm×150 mm；设定夹距为100 mm；速度为50 mm/min。调湿处理：在室温条件下，将织物在蒸馏水中调湿处理2 h后取出测试。

根据GB/T 3917.2—2009《纺织品 织物撕破性能》采用单舌法进行测试，设定隔距为100 mm，拉伸速度为100 mm/min，剪取经向、纬向250 mm×50 mm试样若干，并沿长边的中轴线剪100 mm，得到的试样两头分别夹持在上下夹头进行测试。

1.5.6 织物拉伸性能测试

剪取10 mm×150 mm的长条试样，设置拉伸标距为100 mm，拉伸速度为50 mm/min，将试样放在烘箱内，并将下上两头夹持好，做防滑处理，当烘箱内达到所需测试温度后恒温30 min，进行经向拉伸断裂测试。测试温度分别为：室温、50、100、150、200 ℃。

1.5.7 织物热收缩性测试

分别剪取50 mm×50 mm的未热定型和热定型织物试样若干，将2种试样分别放在50、100、150、200 ℃的烘箱内，待温度恒定1 h后取出，测量其长度；再选择未热定型织物试样分别在100、150 ℃下进行1、3、5、7、10 h处理，测其长度，根据下式求得织物热收缩率：

式中：L0为织物试样处理前长度；L1为织物试样处理后长度。

1.5.8 织物耐酸碱性测试

剪取10 mm×150 mm试样，将盛有浓硫酸和氢氧化钠溶液的烧杯分别放在恒温水浴锅中加热到30、60、90 ℃，将试样放入各自烧杯中，经过1 h后，将试样拿出水洗晾干，测试强力。

2 结果与分析

2.1 ETFE纱线强力分析

表1示出加捻后和合股后ETFE纱线的力学性能。由于股线是由2个单纱合股得到，所以股线的断裂强力约为单纱的2倍，但其断裂强度基本相同；不论单纱还是股线，其伸长率都在31%左右，相对稳定。纱线的力学性能主要与纱线的结构、捻度有关，而由化学长丝得到的纱线主要与长丝的力学性能有关，受纱线的结构、捻度影响较小。但由于加捻后，拉伸使长丝间的滑移减少，且各单丝均匀受力，可减少弱环造成断裂的可能性，有效提高织造效率。

表1 加捻后单纱和合股后纱线的力学性能Tab.1 Mechanical properties of twisted yarns and combined yarns

2.2 织物透气性分析

在平均喷嘴压差为1 160.7 Pa的条件下，测得ETFE织物的透气率为562.1 mm/s。在打纬过程中打纬力度的不均匀造成了织物的透气率差异较大；此外，织物的透气性主要与织物经纬纱的直径、密度和厚度有关[10],由于所得织物较薄，且纱线表面较为光滑，基本没有毛羽，造成气流通过织物时的阻力较小，透气率也较大。

2.3 织物保温性分析

表2示出ETFE织物的保温性能。根据文献[11]报道，ETFE膜的导热系数小于0.23 W/(m2·℃)，远小于本文实验条件下ETFE织物的导热系数，主要是因为织物结构具有较多的孔隙，且长丝织制的织物没有毛羽，所以其织物间空隙较大，再加上织物比较薄，织物所截留的空气含量少，而空气的导热系数相比纤维要小得多，因此，造成热量流失较快[12]。

表2 ETFE织物的保温性Tab.2 Warmth retention properties of ETFE fabrics

2.4 织物耐磨性分析

表3示出ETFE织物的耐磨性能。可看到，ETFE织物的耐磨性能优异，主要是因为ETFE织物的表面较光滑，摩擦因数小，砂轮对织物的磨损比较小，不易产生碎屑。同时，ETFE纱线具有较高的断裂强力和断裂伸长率，耐磨性能也较好[13]。

表3 ETFE织物的耐磨性Tab.3 Abrasion resistance of ETFE fabrics

2.5 织物力学性能分析

2.5.1 拉伸性能分析

图2示出ETFE织物在干态和湿态条件下的拉伸性能。 ETFE织物在干态条件下经向断裂伸长率在55%左右，最大荷载约为118 N，抗拉强度约为29.8 MPa，表现出优异的力学性能。在干态与湿态的对比中，织物的强力与伸长率基本相同，表明织物的调湿处理对其拉伸性能影响较小；纬向的抗拉强力相比经向明显降低，主要原因是由于纬向力度不足，导致纬密不匀，强度降低。

图2 ETFE织物的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of ETFE fabrics. (a) Dry state; (b) Wet state

2.5.2 撕裂性能分析

通过测试得ETFE织物的经向撕裂强力为25.6 N，纬向撕裂强力为30.1 N。纬向撕裂强力大于经向，这是因为ETFE织物的撕裂是纱线逐根断裂，当织物的紧度、密度较大时，单位长度撕裂所需破坏的纱线数量就会增加，织物的撕裂强力增大,而本文实验条件下织制的织物其经密大于纬密，所以沿经向撕裂强力小于沿纬向的撕裂强力。

2.5.3 不同温度下拉伸性能分析

表4示出ETFE织物在不同温度下的拉伸性能。随测试温度的升高，织物经向断裂强度逐渐减小，断裂伸长率先增大后减小，这是因为升高温度使得ETFE大分子链活动性增加，结构不稳定，强力降低；同时高温使得ETFE织物开始软化，韧性增加，伸长率增大，在150 ℃时达到其玻璃化转变温度，伸长率最大。而在200 ℃时，由于ETFE大分子链活动性剧烈增加，结晶度迅速下降甚至变为无定形态，使得纱线中的长丝强力大幅减小，在同样的拉伸速率下，导致其伸长率有所下降。

表4 ETFE织物在不同温度下的经向拉伸性能Tab.4 Tensile properties of ETFE fabrics warp-wise at different temperatures

2.6 织物热收缩性能分析

图3示出热定型前后ETFE织物随温度变化的热收缩性能。由图可知：当温度≥100 ℃后，无论是沿经向还是纬向，热定型前织物的热收缩率均比热定型后织物的热收缩率高，且温度越高，收缩率越大；200 ℃时其经向收缩率为32%，纬向收缩率为20%，而热定型后织物在150 ℃以下无明显收缩现象，到200 ℃时其经向热收缩率仅为6%，而纬向只有1%。这是因为经过热定型后，纱线内应力得到充分释放，其收缩率明显改善。而在相同温度条件(≥100 ℃)下，热定型前织物的经向热收缩率均大于纬向；且热定型后在200 ℃时其经向热收缩率也大于纬向，这是因为在织造过程中，经纱受到的牵伸作用较大,储存了较高的内应力所致。

图3 ETFE织物热收缩率随温度变化曲线Fig.3 Curves of thermal shrinkage of ETFE fabrics along with temperature changes. (a) Warp-wise; (b) Weft-wise

图4示出热定型前ETFE织物的收缩率随处理时间的变化。由图可知，当热处理时间超过1 h后，无论是沿经向还是纬向，织物的收缩率并不会随处理时间的延长而明显增大，表明ETFE织物有良好的耐高温性，可满足一定温度下的使用要求。

2.7 织物耐酸碱性能分析

图5示出ETFE织物在不同温度浓硫酸和NaOH溶液处理后的拉伸性能。

图4 ETFE织物热收缩率随时间变化曲线Fig.4 Curves of thermal shrinkage of ETFE fabrics along with temperature changes. (a) Warp-wise; (b) Weft-wise

图5 织物在不同温度酸碱处理后的力学性能Fig.5 Mechanical properties of ETFE fabrics after soaking in concentrated sulfuric acid (a) and NaOH solution (b) at different temperatures

从图5可看出，在经过不同温度的酸碱处理后，ETFE织物的断裂强度均无明显变化，表现出良好的耐酸碱性能；其断裂伸长率随处理温度的升高略有增加，可能是因为高温使ETFE织物的内应力得到释放，伸长率增大。

3 结 论

1)通过对ETFE长丝的加捻、合股等工序，利用半自动织机成功制备出ETFE平纹织物，幅宽为(300±2)mm，厚度为0.397 mm。

2)ETFE织物经向、纬向的断裂强度分别为29.8、19.1 MPa，撕裂强力分别是30.1、25.6 N，具有良好的抗拉性能；同时具有良好的耐磨损性能和散热性能。

3)经过热定型处理后，ETFE织物的高温尺寸稳定性有效提高，特别是在200 ℃时的热收缩率由原来的32%下降到6%，而在150 ℃以下热定型织物无热收缩。

4) 经过不同温度浓硫酸和氢氧化钠溶液浸泡处理后，ETFE织物强力无明显变化，表现出优异的耐酸碱性能，有望用作苛刻环境下的工业用布。

FZXB

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Preparation and properties of ethylene-tetrafluoroethylene copolymer fabric

SUN Lele， XIAO Changfa， ZHAO Jian， ZHAO Kaichang
(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to develop industrial fabrics capable of being used under harsh environmental conditions, ethylene-tetrafluoroethlene(ETFE) yarns were prepared from homemade ETFE filaments by twisting and combining folded yarns technologies. Then semi-automatic loom was used to weave plain fabrics. The width and thickness of as-prepared fabrics were (300±2) mm and 0.397 mm, respectively. Universal tensile machine, fabric air permeability tester, flat fabric heat retention tester and abrasion tester were applied to characterize the properties of yarns and fabrics. The results shows that the gas permeability rate of ETFE fabric is 562.1 mm/s and the warmth retention rate is 6.77%. Moreover, 29.8 MPa of warp-wise tensile strength, 19.7 MPa of across-wise tensile strength and the equal level of wet-strength with dry-strength reveal good mechanical properties of ETFE fabric. The thermal shrinkage of ETFE fabric achieves an obvious improvement with no shrink age below 150 ℃ and only 6% shrinkage at the temperature of 200 ℃ after heat setting, showing a good temperature resistance. Moreover, mechanical properties of ETFE fabrics show no any deterioration after soaking in concentrated sulfuric acid and NaOH at 90 ℃, respectively, showing excellent acid or alkali resistance. As-prepared fabric has a great potential to be used under harsh environmental conditions.

ethylene-tetrafluoroethylene fabric； mechanical property； thermal shrinkage； acid and alkaline resistance

2016-07-11

2016-11-02

孙乐乐(1991—)，男，硕士生。主要研究方向为乙烯-四氟乙烯共聚物纤维及其织物制备及性能。肖长发，

，E-mail：cfxiao@tjpu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160702706

TS 156

A