玄武岩长丝可编织性能的试验研究

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(河北科技大学纺织服装学院，石家庄　050031)

近年来绿色环保的高性能纤维和功能性纤维材料得到了快速发展，应用的领域越来越广泛。优异的工程性质，使玄武岩纤维可掺入到混凝土等工程材料中，能有效地改善材料的力学性能，使材料的抗压强度、抗折强度、抗拉强度、抗渗性能、抗震性能等得到更加显著的提高[1-3]。独特的耐高温性能使得它可以在高温过滤材料领域发挥巨大优势，另外也可以在冶金、钢铁、水泥等行业中用作耐高温的防护服装或者是传送带等产品。石材作为主要的建筑材料之一，与水泥有着极佳的结合特性，所以也决定了玄武岩纤维制品可以在建筑和土木工程领域拓展出广泛的使用空间，用于各种住宅、基础设施工程等项目当中。总之，玄武岩纤维及其制品的应用领域是非常广泛的，产品的应用形式也是多种多样的，它可以是以纤维的形态使用，也可以是以产品的形式使用；产品的形式又可以是一维的产品、两维的产品和三维立体结构的产品[4-5]。玄武岩纤维的优良性能毋庸置疑，但纤维本身也有不足之处，如纤维的脆性较大，编织和织造时困难较大，故本论文主要就玄武岩长丝的可编织性能进行了试验研究。

1　试验原料

本试验所用玄武岩长丝为东莞俄金玄武岩纤维有限公司和江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司生产，单丝直径为13 μm，线密度为800 tex，测试拉伸断裂强度分别为49.3 cN/tex和35.4 cN/tex。

2　设备、测试仪器及测试条件

设备：KBL 24-2-90编织机(徐州恒辉编织机械有限公司)，2个头，每头24个锭子，拨盘直径90 mm，编织原理为二维二轴1×1编织[6-11]；L30双头全自动并丝机(徐州恒辉编织机械有限公司)。

测试仪器：UTM5305电子万能强力机(深圳三思纵横公司生产)。

实验测试条件：温度22 ℃，相对湿度60%。

测试标准：参照FZ 65002—1995《特种工业用绳带物理机械性能测试方法》。

3　试验研究与分析

在本试验中，首先使用L30双头全自动并丝机，将玄武岩长丝缠绕在编织机配套的专用纱管上。再将缠绕好的24个管纱按编织机操作规定装在KBL 24-2-90编织机上，准备进行编织。

3.1　玄武岩长丝可编织性

鉴于在普通的小样机上织造玄武岩机织物时，纤维有脆性大、易断、布面毛糙、高低不平等问题，本次拟利用编织设备对玄武岩长丝先进行编织，改善其脆性，然后再利用所得线性材料去织造，为厚重型玄武岩纤维制品开发打基础。该编织机共有24个锭子，红、绿两组各12个锭子。

以下为设计的试验方案：

方案1、利用24根玄武岩无捻粗纱进行编织。

方案2、利用20根玄武岩无捻粗纱进行编织，纱管排列情况如图1所示。

方案3、利用16根玄武岩无捻粗纱进行编织，纱管排列有2种情况，如图2中的(a)和(b)所示。

方案4、利用12根玄武岩无捻粗纱进行编织，纱管排列有3种情况，如图3中的(a)、(b)和(c)所示。

图1　20根纱编织

图3　12根纱编织

方案5、利用8根玄武岩无捻粗纱进行编织，纱管排列分2种情况，如下图4中的(a)和(b)所示。

方案6、利用4根玄武岩无捻粗纱进行编织，纱管排列有3种情况，如图5中的(a)、(b)和(c)所示。

方案7、利用2根玄武岩无捻粗纱进行编织，纱管的放置位置如图6所示。

图4　8根纱编织

图5　4根纱编织

图6　2根纱编织

试验结果表明：

a) 利用玄武岩长丝在编织机上进行编织是可行的，纤维只有少部分断裂，本次实验(从方案1到方案7)从2根粗纱到24根粗纱，通过不同的编织纱根数变化和纱线放置位置变化，得到了12种不同粗细和结构的玄武岩线性制品，如图7所示。

图7　玄武岩线性编织制品实物照片

b) 为了得到外观粗细均匀，组织结构紧凑的玄武岩编织绳，编织节距参数必须与参与编织的纱线根数相对应，否则随着纱线数量的减少，产品会越来越松散，影响外观和内在性能。

表1是此次试验的纱线根数和相对应的编织节距。

表1　编织参数及参与编织纱根数

c) 当参与编织的纱线为2根时，所编织出的产品只是简单的交织，类似于股线的加捻，而且纱线会出现自身扭转，编织出的绳会出现较大的结点。建议编织时最少使用4根纱进行编织。

3.2　编织参数与制品性能的关系

3.2.1节距与制品断裂强度间的关系

本试验分别用广东和江苏产的单丝直径为13 μm,线密度为800 tex的玄武岩长丝进行编织，编织速度恒定为500 r/min，编织节距从35 mm到55 mm分5个不同数据进行编织。用这两组试验进行研究，以保证结论的准确性。然后参照FZ 65002—1995《特种工业用绳带物理机械性能测试方法》，利用UTM5305电子万能强力机进行拉伸断裂强度测试，测试数据如表2所示。

表2　编织节距与制品断裂强度间的关系

由表2中数据得出编织节距与制品断裂强度之间的变化规律曲线如图8所示。从图8中两组曲线可以明显看出：在编织速度一定时，随着编织节距的增加，断裂强度也相应增加，且断裂强度的最大值和最小值相差高达60%以上；

图8　编织节距与制品断裂强度之间变化曲线

3.2.2编织速度对制品断裂强度影响

同样进行两组试验，使用两种不同产地生产的玄武岩长丝，编织节距都为50 mm，编织速度从250 r/min到1 250 r/min之间依次提高，分别进行编织，然后利用万能强力机对所得试样进行强伸性能测试，所得试验数据如表3所示。

表3　编织速度与制品断裂强度的关系

根据表3中试验数据得出编织速度与制品的断裂强度的变化关系曲线如图9所示。从两组曲线中可以明显看出：当编织节距一定时，随着编织速度的增大，断裂强度呈下降趋势，而且两组试验的编织速度从500 r/min提高到1 000 r/min时，断裂强度的降幅最大，下降了30%左右，可见编织速度对玄武岩长丝的编织品性能有较大的影响。之前本课题组的学生曾用涤棉混纺纱进行过编织，得出编织速度与断裂强度无必然联系的结论。

图9　编织速度与制品断裂强度之间关系

经过分析，笔者认为：本次实验所用的玄武岩长丝是抗弯折性很弱的纤维，在卷绕和编织过程中会出现飞丝甚至断线，且编织速度越快，玄武岩纤维受损越严重，从而导致编织速度大的时候，断裂强度明显变小。而柔韧性好的纤维在编织时没有这种现象。

4　结　论

本试验主要对玄武岩长丝的可编织性以及编织参数与产品的强伸性能关系进行了试验研究。通过方案的设计、上机编织、性能的测试以及数据的分析，得出以下几点结论：

a) 玄武岩长丝粗纱尽管脆性很大，但在编织机上是可以编织的，且根据不同的参与编织纱数量和不同的纱线排列方式，可以得到不同结构和性能的线性编织制品。

b) 当参与编织的纱线根数改变时，编织节距必须相应改变，否则，随着纱线数量的减少，制品会越来越松散，影响外观和内在性能。

c) 在编织速度一定时，随着编织节距的增加，断裂强度显著增加，断裂强度的最大值和最小值相差高达60%以上；

d) 编织速度对玄武岩长丝编织品的断裂强度有明显影响，速度从500r/min提升到1000r/min之间，断裂强度的降幅最大，下降了30%左右。