连续氧化铝纱线及其织物力学性能

2022-11-16谢治云李文斌官思佳

现代纺织技术 2022年6期

谢治云，李文斌，张贺，黄丛，官思佳，刘洋

(1.武汉纺织大学省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室，武汉 430200; 2.航天科工空间工程发展有限公司，北京 100854； 3.中国航天科工集团空间工程总体部，北京 100854)

氧化铝纤维及其织物作为刚性或柔性高温热防护材料，受到了国内外学者广泛研究。Jiang等[9]制备了氧化铝纤维增强二氧化硅复合材料，研究了其在高温下的力学性能与破坏机理。孙现凯等[10]采用氧化铝纤维纸、氧化硅气凝胶和石墨纸进行缝合，并对表面进行抗氧化处理，制备出柔性隔热材料。曹旭等[11]采用美国3M氧化铝织物作为热防护系统的防热层，进行高焓风洞研究。国内一些学者已开始研究国产连续氧化铝纤维的基本纺织性能与可织造性。例如，丁一等[12]对连续氧化铝纤维的形态结构、物理性能和耐化学腐蚀性等方面进行表征，并分析了氧化铝纤维的可纺纱性。解锡明等[13]运用往复式线性摩擦测试方法，模拟织造过程中氧化铝纱线与筘齿之间的摩擦行为，研究加载力、预加张力、摩擦频率对氧化铝纱线摩擦性能的影响规律。目前，针对连续氧化铝纱线及其织物的力学性能、高温处理后力学性能保留率方面的研究较少，缺乏对国内外生产的氧化铝纤维及其织物性能差异的认知，这对深入了解国产氧化铝纤维性能及研发柔性耐高温织物至关重要。为此，本文对具有国际领先水平代表性的美国、日本、国产3种氧化铝纱线与织物的结构参数、室温力学性能进行分析对比，进而对氧化铝纱线与织物进行高温处理，测试其力学性能保留率，从而增加对国内外氧化铝纱线与织物力学性能的认知。

1 实验

1.1 实验材料

美国氧化铝织物(美国明尼苏达矿务及制造业公司)、简称为MG，日本氧化铝织物(日本Nitivy公司)、简称为RB，由于仅能获得织物，因此所测MG、RB纱线由织物拆解所得。国产氧化铝纤维(由航天科工空间工程发展有限公司提供)、简称为GC。

1.2 实验仪器与方法

1.2.1 氧化铝纤维形貌SEM表征

采用Sigma500扫描电子显微镜(德国蔡司公司)观察氧化铝纤维的表面形貌。

1.2.2 纱线细度测试

参照国家标准GB/T 7690.1—2001《增强材料纱线试验方法第1部分：线密度的测定》，取一定长度的纱线，采用精密天平(精度0.000 1 g)进行称重，计算纱线线密度。

1.2.3 纱线捻度与合股数测试

参照国家标准GB/T 7690.2—2001《增强材料纱线试验方法第2部分：捻度的测定》，将一定长度的纱线夹持在纱线捻度测试仪(型号：Y331C，温州方圆仪器公司)上，进行捻度测量。合股数通过纱线解捻后计数获得。

1.2.4 纱线与织物拉伸性能试验方法

参照国家标准GB/T 7690.3—2001《增强材料纱线试验方法第3部分：玻璃纤维断裂强力和断裂伸长的测定》，采用英斯特朗电子万能试验机(INSTRON 5967)进行拉伸测试，氧化铝纱线采用 1 kN 载荷传感器，测试间距为50 mm，加载速率为20 mm/min；氧化铝织物采用30 kN载荷传感器，有效测试长度为50 mm、宽度为25 mm，加载速率为 20 mm/min。氧化铝纱线或织物两端粘贴硬纸片作为加强片以防止打滑。为了进一步分析纱线与织物强力之间的关系，用式(1)计算织物的纱线强力利用率W。

(1)

式中：PF为织物拉伸强力，N；dj为织物经密，根/cm；Py为纱线拉伸强力，N。

1.2.5 纱线与织物高温处理力学性能保留率表征

将裁剪好的氧化铝纱线或织物放入箱式电阻炉(浙江道墟科析仪器厂，型号SX2- 4-10A)，在950 ℃温度下保温处理4 h，随炉冷却至室温后参照1.2.4表征方法进行拉伸测试，用式(2)计算氧化铝纱线或织物的高温处理强力保留率RF。

(2)

式中：Fc为高温处理后拉伸强力，N；Fo为高温处理前拉伸强力，N。

2 结果与讨论

2.1 氧化铝纱线力学性能

2.1.1 氧化铝纱线室温力学性能

3种氧化铝纱线的结构参数与拉伸性能如表1所示。由表1可看出，MG氧化铝纱线线密度最大，RB和GC氧化铝纱线线密度几乎相同，且只有MG氧化铝纱线线密度的44%。捻度方面，RB与GC氧化铝纱线捻度相近，而MG氧化铝纱线捻度最小，约为其他两种纱线捻度的一半。MG氧化铝纱线为2根合股，RB和GC氧化铝纱线的合股数均为3根合股。此外，MG氧化铝纱线表面涂覆有粉红色上浆剂，而其他两种氧化铝纱线为白色。氧化铝纱线表面的上浆剂质量分数约1%，微量存在，且呈离散分布，不会明显影响纱线力学性能。表1中纱线拉伸性能测试结果可看出，MG氧化铝纱线拉伸断裂强力为154.8 N，为所有纱线中最大。然而3种纱线中，RB氧化铝纱线断裂强度最大，为 41.9 cN/tex。尽管美国纱线线密度为其他纱线的两倍多，但MG氧化铝纱线拉伸断裂强度也高达33.4 cN/tex，仅次于GC氧化铝纱线的拉伸强度。MG氧化铝纱线拉伸断裂应变最大，而GC氧化铝纱线的断裂应变最小，仅为2.4%。

表1 氧化铝纱线规格参数与拉伸性能Tab.1 Specification parameters and tensile property of the Al2O3 yarns

氧化铝纱线拉伸强度-应变曲线如图1所示。氧化铝纱线的拉伸强度随着应变增加，呈近似直线增加，达到最大值后纤维断裂，强力迅速下降，表现为脆性断裂。依据曲线直线段部分的斜率可知，RB氧化铝纱线拉伸模量与GC氧化铝纱线模量相近，大于MG氧化铝纱线拉伸模量。

图1 氧化铝纱线拉伸强度-应变曲线Fig.1 Tensile strength vs. strain curves of the Al2O3 yarns

综合纱线各方面指标可知，GC氧化铝纱线与RB氧化铝纱线合股数一样、细度和捻度相近，但GC氧化铝纱线断裂强度较低、断裂应变小，表明GC氧化铝纱线力学性能与RB氧化铝纱线相比还有一定差距。GC氧化铝纱线断裂强度略高于MG氧化铝纱线，纱线线密度和断裂强力为MG纱线的43.5%、47.4%，理论上讲，可通过上浆、两根GC氧化铝纱线合股等工艺制备与MG力学性能相媲美的纱线。

2.1.2 氧化铝纱线高温处理后力学性能

高温处理后力学性能保留率是评价氧化铝纤维耐高温性能的重要指标之一。为考察氧化铝纤维耐高温性能，对氧化铝纱线在950 ℃空气气氛中处理 4 h，测试其拉伸性能，并计算力学性能保留率。所有经过高温处理后的氧化铝纱线均为白色，因为表层涂覆的浆料均被烧掉，纱线变得更加蓬松、更加柔软。

氧化铝纱线高温处理后拉伸性能如表2所示。由如表2可看出，高温处理后，3种氧化铝纱线的断裂强力、断裂强度、断裂应变均呈下降趋势。4 h高温处理后，MG、RB、GC氧化铝纱线的断裂强力保留率分别为64.2%、71.9%、76.0%，MG氧化铝纱线性能下降最为明显，而GC氧化铝纱线强力保留率最高。3种纱线断裂强度对比分析可知，仍然是RB氧化铝纱线断裂强度最高，MG氧化铝纱线断裂强度最低。高温处理后，MG与GC氧化铝纱线断裂应变仅为0.8%，RB氧化铝纱线断裂应变仅为1.0%。3种氧化铝纱线的断裂应变下降非常明显，断裂应变保留率为25.6%、32.5%、32.7%，仍是MG氧化铝纱线下降最明显。高温下氧化铝纤维中晶粒膨胀，晶粒间缺陷增多，导致强力下降。氧化铝纤维主要成分为氧化铝、二氧化硅等氧化物，不会在高温下发生氧化反应。综合分析，GC氧化铝纱线的高温力学性能保留率为三者最高，且与RB氧化铝纱线断裂强度的差距较小。

表2 高温处理后氧化铝纱线拉伸性能Tab.2 Tensile property of the Al2O3 yarns after high temperature treatment

3种氧化铝纱线在950 ℃高温处理4 h后拉伸强度-应变曲线如图2所示。由图2可看出，高温处理后，拉伸加载下3种氧化铝纱线仍表现为脆性断裂，且较小的断裂应变保留率使得脆性特征更为明显。

图2 高温处理4 h后氧化铝纱线拉伸强度-应变曲线Fig.2 Tensile strength vs. strain curves of the Al2O3 yarns after 4 hours' high temperature treatment

2.2 氧化铝织物力学性能

2.2.1 氧化铝织物室温力学性能

MG与RB氧化铝织物如图3(a)、图3(b)所示，相应的织物结构参数与拉伸性能如表3所示。MG氧化铝织物组织结构为1/3破斜纹，而RB氧化铝织物为2/2↖斜纹结构。MG氧化铝织物的经纬密度比RB氧化铝织物小，但MG纱线比RB纱线线密度大，MG氧化铝织物紧度(为57.7%)大于RB氧化铝织物紧度(为52.9%)，织物较硬挺。虽然织物结构参数不同，但可通过每厘米强力来评价织物力学性能。得益于单纱强力较大，MG氧化铝织物拉伸强度较大，高达1 060.9 N/cm，大于RB氧化铝织物强度(864.0 N/cm)。MG与RB氧化铝织物的断裂应变较为接近。MG与RB氧化铝织物的纱线强力利用率分别为85.7%、84.4%。因为MG与RB纱线为织物拆解所得，而织造后的纱线强力会因磨损而降低，所以由此计算的MG与RB纱线强力利用率偏高。

为进一步探究国内外氧化铝织物性能，在与原织物组织结构、经纬密度相同的情况下，由GC氧化铝纱线两根并为一根织造仿织MG织物，由GC氧化铝纱线织造仿织RB织物。仿织MG与仿织RB氧化铝织物如图3(c)、3(d)所示，相应的织物规格参数与拉伸性能如表3所示。仿织MG氧化铝织物与仿织RB氧化铝织物的断裂强度分别为875.3、653.3 N/cm，为仿织对象断裂强度的82.5%、75.6%。由于GC氧化铝纱线断裂应变较低，因此仿织织物的断裂应变也低于仿织对象。由表3可知，仿织MG和仿织RB织物的纱线强力利用率分别为74.6%、74.2%，表明仿织过程中纱线强力利用率较为稳定。

表3 氧化铝织物结构参数与拉伸性能Tab.3 Structural parameters and tensile property of the Al2O3 fabrics

图3 氧化铝织物实物照片Fig.3 Images of the Al2O3 fabrics

4种氧化铝织物拉伸强力-应变曲线如图4所示。起始阶段，氧化铝织物的拉伸强力随着应变增加而缓慢增加，此时为屈曲的纱线伸直过程。随着应变继续增加，氧化铝织物强力呈直线状迅速增加，纱线断裂后强力明显下降，表现为脆性断裂破坏特征。4种氧化铝织物在拉伸加载下的断裂形貌如图5 所示。可看出，氧化铝织物的断裂特征为氧化铝纱线断裂、滑移、抽拔。

图4 氧化铝织物拉伸强力-应变曲线Fig.4 Tensile force vs. strain curves of the Al2O3 fabrics

图5 氧化铝织物拉伸断裂形貌Fig.5 Fracture images of the Al2O3 fabrics subjected to tensile loading

2.2.2 氧化铝织物高温处理后力学性能

4种氧化铝织物在950 ℃高温处理4 h后拉伸性能如表4所示。可看出，高温处理4 h后，4种织物断裂强度与断裂应变均呈下降趋势。其中，MG氧化铝织物断裂强度最高，达722.4 N/cm；RB氧化铝织物断裂应变最大，为3.6%。与MG、RB氧化铝织物相比，仿织织物的断裂强度保留率较高，这与GC氧化铝纱线高温处理后强度保留率较高一致。MG氧化铝织物断裂应变保留率最低、为67.5%，而高温处理相同时间氧化铝纱线的断裂应变保留率最高仅为32.7%(见表2)，由此可知，氧化铝织物的断裂应变保留率明显高于氧化铝纱线的断裂应变保留率。

表4 高温处理后氧化铝织物拉伸性能Tab.4 Tensile property of the Al2O3 yarns after high temperature treatment

950 ℃高温处理4 h后4种氧化铝织物拉伸强力-应变曲线如图6所示。与高温处理前曲线(见图4)对比可看出，高温处理后氧化铝织物仍表现为脆性断裂破坏特征，且断裂应变的差距缩小。图7是高温处理4h前后氧化铝织物拆解纱线的形貌图。可看出，高温处理前织物中纱线仅有轻微屈曲，而高温处理后，织物中纱线屈曲变得明显，因为高温时氧化铝纱线模量降低，在纱线交织内应力作用下，氧化铝纱线发生蠕变，产生屈曲变形。这种屈曲变形提高了氧化铝织物的断裂应变，使得氧化铝织物的断裂应变高温处理保留率高于氧化铝纱线。

图6 高温处理4h后氧化铝织物拉伸强力-应变曲线Fig.6 Tensile force vs. strain curves of the Al2O3 fabrics after 4 hours' high temperature treatment

图7 高温处理前后氧化铝织物中纱线形貌Fig.7 Images of the Al2O3 yarns from the fabrics before and after high temperature treatment

2.3 氧化铝纤维高温处理前后SEM形貌

氧化铝纤维高温处理前与950 ℃高温处理 4 h 后的SEM形貌如图8所示。可看出，3种氧化铝纤维表面均有细小颗粒感，MG与RB氧化铝纤维表面颗粒感较为细腻，而GC氧化铝纤维表面颗粒感更强。经过950 ℃高温处理4 h后，所有氧化铝纤维表面的上浆剂均被烧掉，氧化铝纤维表面形貌与高温处理前基本一致，无龟裂或其他现象出现，氧化铝纤维仍为圆柱形，表明氧化铝纤维具有很好的耐高温性。