包覆纱工艺对亚麻增强预型件的麻纤维分数和拉伸性能影响.pdf

　６２　　　　　　　　　包覆纱工艺对亚麻增强预型件的麻纤维分数和拉伸性能影响　　２０１０年３月　　　包覆纱工艺对亚麻增强预型件的麻纤维分数和拉伸性能影响　　　　　严涛海，陈南梁，王书睿，段晶湛　　　　　（１．闽江学院服装与艺术工程系，福建福州３５０１０８；２．东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海２０１６２０；　　　　３．东华大学纺织学院，上海２０１６２０）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　摘要：基于增强体亚麻纱线和热塑性丙纶长丝，通过包覆纱纺纱工艺研究了包覆纱纺织预型件及其复合材料的加工性　能。通过对中空锭捻度和空心锭转速的单因子研究分析，研究表明，中空锭捻度和空心锭转速是影响包覆纱预型件的纤维体　积分数和拉伸性能的两个主要因素。并利用二次通用旋转设计的方法，建立回归分析实验模型，来优化组合中空锭捻度和空　　心锭转速的参数以得到结构均匀的包缠纱线和预型件。结果表明，该包缠纱适合于生产均一的预混料，可用于形成纺织结构　　预型件及复合材料。　关键词：包覆纱；中空锭捻度；空心锭转速；麻纤维分数；预型件；回归方程　　　　　——　中图分类号ｉＴＱ３４文献标识码：Ａ文章编号：１００３一Ｏ９９９（２０１０）０２００６２０４　　　　　麻纤维具有良好的力学性能，密度低，可生物降　　　　解Ｊ，已被广泛应用于复合材料中。其中亚麻纤维　　　　具有拉力强、柔软、细度好、导电弱、吸水散水快、膨　　胀率大等特点］。由于热塑性树脂在性能、加工过　　　　程以及环境保护等方面的优势，以其为基体的复合　　材料近年来引起较多的关注。目前麻纤维增强热塑　　　性复合材料的制备方法最为成熟和流行的是利用短　　纤维和树脂熔融共混的方法Ｊ，以及麻纤维非织造　　　　　布和树脂薄膜层叠方法等，但由于热塑性树脂分　　　子量较大，在熔融状态下具有高粘度，导致这些制作　方法各有不足之处。为了克服热塑性树脂流动性差　　　和对增强纤维的不良浸渍的困难，预型件技术的应　　　用则显得十分有效。　　　　本文采用包覆纱纺纱技术并优化纺纱工艺参　　　数，将热塑性树脂长丝以机械的方式相互纠缠，形成　　　　　覆盖层，将增强亚麻纤维裹在中央，形成了具有包缠　　结构的线状增强预型件，在此基础上，可经过后续进一　　　步的机织、针织等成型加工，以得到二维或三维形　　　式的纺织结构预制件及其复合材料等。反应曲面法　　（ＲＳＭ）已成功使用于材料和工艺的优化Ｊ，应用在　　　　　　　　　　许多研究领域，包括热塑性弹性体及纱线的性　　　能。　　１实验与结果讨论　　　１．１包覆纱预型件的制作原理　利用花式捻线机制作花式纱线一般采用三根纱　　　　线，芯纱、饰纱、固纱Ｊ。芯纱具有增加花式纱强力　　　的作用，芯纱以一定的速度从芯纱罗拉输出。饰纱　　　具有装饰的作用，它从饰纱罗拉输出，可以在输出时　　　受到牵伸，饰纱和芯纱一起进入空心锭，通过改变芯　　纱罗拉和饰纱罗拉的输出速来改变花式线的花样。　　　　第三根纱线是固纱，它从空心锭纱管上退绕出来在　　　芯纱和饰纱上形成真捻进行固定。包覆纱预型件的　　　　制作原理就是利用了花式捻线的制作原理，只是没　　　有利用到饰纱，而是将固纱作为了包覆纱的外包纱。　　　１．２实验仪器　　包覆纱的制作主要采用苏州茼博电器有限公司　ＬＢＦ１２－４Ａ型数控花式捻线机。　拉伸性能仪器为上海龙华测试仪器有限公司的　　ＷＤＷ－２０型微机控制电子万能试验机。　　　１．３中空锭捻度和空心锭转速对预型件性能的单　　　因子实验分析　中空锭捻度和空心锭转速是包覆纱纺纱工艺的　　　　主要工艺参数，决定着亚麻增强预型件的麻纤维分　　　数和最终力学性能。当纺纱基本参数不变，空心锭　　转速设置在２０００ｒｐｍ时，改变中空锭捻度的参数值　　　得到不同亚麻纤维分数的包覆纱，各种包覆纱亚麻　　　　　　　纤维含量见图１。由图１可知，随着中空锭捻度的　　　　　　增大，包覆纱的亚麻纤维分数逐渐减小。从图２中　　从左往右的纱线由细变粗的变化也能看出外包纱由　　　　少变多，但是随着外包纱的变多纱线的条干均匀性　　变差，这是由于在包覆纱卷绕的时候外包纱受机器　　　　等因素的摩擦产生了扰动，所以由中空锭捻度单因　　　收稿日期：２００８－０９－２８　　　　　　　　　　　作者简介：严涛海（１９８３一），男，硕士研究生，主要从事纤维复合材料的开发方面的研究。　　２０１０年第２期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　６３　子实验得出包覆纱麻纤维分数和包覆紧密度随中空　　　锭捻度的增大呈减小的趋势。　　　　图１中空锭捻度与麻纤维含量的关系　　　图２包覆纱预型件随中空锭捻度变化的实物图　　　　当中空锭捻度设置在１２００ｔ／ｍ时，改变空心锭　　　　转速，由图３可以知道包覆纱的麻纤维分数波动很　　　　　大，但是也可以看出麻纤维分数随着空心锭转速的　　　变大有增加的趋势，只是增加的速度较慢，并且随空　　　心锭转速的变大麻纤维分数增加的速度逐渐减慢。　　　　　从图４可以看到，包覆纱的粗细变化不明显，但是从　　　　　左往右纱线的条干均匀性变好，空心锭转速较小时　　外包纱包覆紧密度过小使外包纱外露，因此随着空　　心锭转速的变大包覆紧密度也增大。所以随着空心　锭转速变大包覆纱麻纤维分数和包覆紧密度也随之　　　增大。　４８　４６　４４　杂４２　鑫４０　　毯３８　蒸３６　３４　３２　　　　　　　　　　１０００２０００３０００４０００５０００６０００　　空心锭转速／ｒｐｍ　　　　　　图３空心锭转速与麻纤维含量的关系　　图４包覆纱预型件随空心锭转速变化的实物图　　１．４通用旋转组合设计优化分析　　１．４．１实验模型的建立　基于前面的研究和机器的限定把变化因子中空　　　　　　　　　　锭捻度和空心锭转速的变化范围分别定为４００～　　　　　１６００ｔ／ｍ和３６００～５６００ｒｐｍ。表１和表２分别给出　　　了因子水平编码表，试验结构矩阵表。　　　表Ｉ因子水平编码表　　　表２实验结构矩阵表及结果　　１．４．２回归方程　　（１）回归方程的模型　　　　　　乡＝ｂｏ＋ｂｌＸ１＋６２＋６ｌ２１＋６１１霉＋６２２霹（１）　（２）回归系数　　　　期ｌ　　　　　　　包覆纱工艺对亚麻增强预型件的麻纤维分数和拉伸性能影响　　２０１０年３月　　　表３指标的回归系数　（３）回归方程的显著性检验　　　表４回归方程的显著性检验结果　（４）回归方程系数显著性检验　　　　　　　　　　　再用Ｔ检验回归系数。选用显著性水平为　　　０．３。检验结果如表５所示。　　　　表５回归方程系数显著性检验　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　注：凡是所对应的统计量大于统计分位数的系数被认为是显著　　　的，即大于０．５４９１就被认为是显著。　（５）有效回归方程模型的建立　　　　经过方程显著性检验后，再检验回归系数，剔出　　　　不显著的系数，得到麻纤维分数有效回归方程：　　　—　　　　　Ｙ＝５０．７４０００１２．４６９２Ｘ１＋０．８９６３Ｘｚ＋　　　２．８５００Ｘ１，＋１．０８６２Ｘ￣＋０．５１１２Ｘ￣　（２）　　１．４．３实验结果优化分析　　　表４所示回归方程显著性检验结果表明，二次　　　　方程与实际情况拟和得很好。表５所示回归方程的　　系数检验表明方程的系数非常显著。图５表示了两　个试验因子对包覆纱麻纤维分数的影响。　８Ｏ　７０　６０　５０　４０　３Ｏ　２Ｏ　２　　　　　图５麻纤维分数曲面图≤　≯　　　ｌ２ｌ　　　　　　图６麻纤维分数－中空锭捻度曲线　　　　图６表示了麻纤维分数在不同空心锭转速下随　中空锭捻度的变化。同单因子的实验结果一样，麻　　　纤维分数随中空锭捻度的变大而减小，但是减小的　　　　程度不同。从图６上可以看出，空心锭转速越小，麻　纤维分数减小程度越大。　　图７表示了麻纤维分数在不同中空锭捻度下随　　　空心锭转速的变化，单因子实验显示了麻纤维分数　　　　　　随着空心锭转速的增大而增大，而图７反映了当中　　　　空锭捻度的值较小时，随着空心锭转速的增大麻纤　　　　维分数逐渐减小；中空锭捻度在ｌＯ００ｔ／ｍ附近时，随　　　　着空心锭转速的增大麻纤维分数保持在５０％几乎　　　没有变化；当中空锭捻度的值较大时，随着空心锭转　　速的增大麻纤维分数逐渐增大。　　图８麻纤维分数的等高线　　　　　　　图８显示了麻纤维分数为４０％、５０％、６０％的　　等高线，在实际的生产中可以根据实际需要参照等　　毒毒奄州　　２０１０年第２期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　６５　　高线图调整中空锭捻度和空心锭转速的值得到三种　麻纤维分数的包覆纱。　　　　表４表示拉伸强力方程不显著，而且包覆纱预　型件的拉伸强力与亚麻纱线的原始强力相差几乎没　　　　有变化，强力增强波动范围在５％以内，可见改变中　　空锭捻度和空心锭转速，虽然预型件纱线的外观和　　　　紧密程度有所改变，但由于增强芯纱一直处于伸直　　　　　　状态，所以对最终纱线的强力影响作用不大。而在　　　　纤维质量分数稳定在５０％左右时，纱线的外观均匀　　　　　性较好，毛羽较少，纱线的紧密程度较好，包覆纱对　　　　芯纱起到很好的包覆效果，纱线的强力也较最优。　　　　２结论　　（１）包缠纱法适合于生产均一的天然纤维热塑　　　性增强预型件或预混料，以用于形成纺织结构复合　　材料等；　　　　（２）中空锭捻度和空心锭转速是影响包覆纱预　　型件的麻纤维分数和拉伸性能的两个主要因素。其　对包覆纱预型件的外观均匀性和紧密程度有较大的　　　影响，并且决定着增强纤维的含量，但这两个工艺参　　　　　数的变化对包覆纱拉伸强力的影响不大，强力提高　　　　约５％左右；　　　　（３）通过二次通用旋转设计的方法，建立了回　　　归分析实验模型，可以优化组合中空锭捻度和空心　　　　锭转速的参数，以得到结构均匀的包缠纱线和预型　　　件，并可根据实际需要调整工艺参数以达到所需的　麻纤维分数。　参考文献　　　　　　［１］ＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅＢ．Ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｅｎｓｉｌｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｆｌａｘ／ｅｐｏｘｙ　　　ｐｌｉｅｓ［Ｊ］．ＪＥＣＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＭａｇａｚｉｎｅ，２００６：２５＿４１．　　　　　［２］姚穆等．纺织材料学第２版［Ｍ］．北京：纺织工业出版社，１９９３：　７６－８０．　　　　［３］张长安，张一甫，曾竞成．苎麻落麻纤维增强聚丙烯复合材料研　　—　究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００１，（５）：１６１７．　　　　　　［４］梁小波，杨桂成，曾汉民．剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的冲击　　特性研究［Ｊ］．塑料工业，２００３，３１（７）：１８－２０．　　　　　　　　　　　［５］张安定，马胜，丁辛等．黄麻纤维增强聚丙烯的力学性能［Ｊ］．　　玻璃钢／复合材料，２００４，（２）：３－５．　　　　　［６］ＭｙｅｒｓＲ．Ｈ．，ＭｏｎｔｇｏｍｅｒｙＤ．Ｃ．．Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ：　　　　　　　ｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｄｅｓｉｇｎｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］．　　　ＮｅｗＹｏｒｋ：Ｗｉｌｅｙ－Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，１９９５．—　　　　　　［７］ＬｏｐｅｚＭａｎｃｈａｄｏＭ．Ａ．，ＡｒｒｏｙｏＲ．Ｍ．．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆ　　　　　　　　　　　ＰＥＴｆｉｂｅｒｓｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒｂａｓｅｄｏｎＰＰ／　　ｅｌａｓｔｏｍｅｒｂｌｅｎｄｓ［Ｊ］．Ｐｏｌｙｍｅｒ，２００１，４２：６５５７Ｍ５６３．　　　　　　［８］ＡｐｕｒｂａＤ．，ＳａｉｙｅｄＭ．Ｌ，Ｒｉｔｅｓｈ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒｆｒｉｃｔｉｏｎ，　　　　　　　　　　ｔｏｐａｌＴａｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｒｏｌｌｅｒｓｅｔｔｉｎｇａｔｖａｒｉｏｕｓｄｒａｆｔｉｎｇＳｔａｇｅｓ［Ｊ］．　　　ＴｅｘｔｉｌｅＲｅｓｅａｒｃｈＪｏｕｒｎａｌ，２００６，７６（１２）：９１３－９２１．　　　　　　　［９］唐立敏．利用ＩｔＫＶ１５１Ｂ型花式捻线机开发花式纱线［Ｊ１．四川　—　丝绸，２００５，（１）：１５１７．　　　　　　　　　　　ＴＨＥＩＮＦＬＵＥＮＣＥＯＦＣＯ－ＷＲＡＰＰＩＮＧＳＰＩＮＮＩＮＧＰＲＯＣＥＳＳ０ＮＴＨＥ　　　　　　　　　　ＦＩＢＥＲＦＲＡＣＴＩＯＮＡＮＤＴＥＮＳＩＬＥＰＲｏＰＥＲＴＩＥＳｏＦＦＬＡＸＲＥＩＮＦｏＲＣＥＤＰＲＥＦＯＲＭＳ　—　　—　’　　—　　—　ＹＡＮＴａｏｈａｉ，ＣＨＥＮＮａｎｌｉａｎｇ，ＷＡＮＧＳｈｕｒｕｉ，ＤＵＡＮＪｉｎｇｚｈａｎ　　　　　　（１．Ｆａｓｈｉｏｎ＆ＡｒｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＭｉｎｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ；　　　　　　　　　２．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＴｅｘｔｉｌｅｓ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　　　　　　Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｅｘｔｉｌｅｓ，ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　—　Ａｂｓｔｒｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｆｌａｘｙａｍａｎｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｆｉｌａｍｅｎｔ，ｔｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｃｏｗｒａｐｐｅｄ　　　　　　　　　　　　　—　　　ｙａｍｐｅｒｆｏｒｍｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｔｈｒｏｕｇｈＣＯｗｒａｐｐｉｎｇｓｐｉｎｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｓｔｕｄｉｅｄ　　　　　　　　　　　—　　　　—　ｔｈｅｈｏｌｌｏｗｓｐｉｎｄｌｅｔｗｉｓｔａｎｄｔｈｅｈｏｌｌｏｗｓｐｉｎｄｌｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｆａｃｔｏｒａｎａｌｙｓｉｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｈｏｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　—　　ｌｏｗｓｐｉｎｄｌｅｔｗｉｓｔａｎｄｔｈｅｈｏｌｌｏｗｓｐｉｎｄｌｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｗｅｒｅｔｈｅｔｗｏｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅＣＯｗｒａｐｐｅｄｙａｒｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｐｒｅｆｏｒｍｓｆｉｂｅｒｆｒａｃｔｉｏｎａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｔａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｖｅｒｅｄｙａｒｎｏｎｔｈｅｃｏｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｔｅｎｔｓｏｆｆｌａｘａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｖｅｒｅｄｙａｒｎ，ｗｉｔｈｔｈｅｑｕａｄｒａｔｉｃｃｏｍｍｏｎｒｏｔａｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｔｈｅｉｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ，ｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｈｏｌｌｏｗｓｐｉｎｄｌｅｔｗｉｓｔａｎｄｔｈｅｈｏｌｌｏｗ　　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｓｐｉｎｄｌｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ，ｔｏｇｅｔｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｗｒａｐｐｅｄｙａｍａｎｄｔｈｅｐｒｅｆｏｒｍｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅＣＯｗｒａｐｐｅｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｙａｍｗａｓｓｕｉｔａｂｌｅｆ０ｒｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｐｒｅｍｉｘ．ａｎｄｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｆｏｒｍｔｈｅｔｅｘｔｉｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｅｆｏｒｍｓ　　　ａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．　—　　　　　　　　—　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＯｗｒａｐｐｅｄｙａｍ；ｈｏｌｌｏｗｓｐｉｎｄｌｅｔｗｉｓｔ；ｈｏｌｌｏｗｓｐｉｎｄｌｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ；ｆｉｂｅｒｆｒａｃｔｉｏｎ；ｐｒｅｆｏｒｍｓ；ｒｅ　　ｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ　　　　　Ｆ】ＣＭ２（｝ｌｏ・２