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玻璃纤维纺织型浸润剂烘干工艺研究
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2011/11/14
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王程,林杰奇,乔小乐,薛志伟,宋伟
 (中材科技股份有限企业,南京210012)

   摘要:研究了玻璃纤维纺织型浸润剂的烘干工艺。试验了原丝不同自然存放条件、热风烘干的温度与时间等烘干工艺对玻璃纤维原丝含水率、可燃物含量、强度、浸润剂成膜效果与迁移分布,以及退并合股纱的纺织工艺情况和强度与耐磨性能等理化指标的影响。
    关键词:玻璃纤维;纺织型浸润剂;烘干工艺
    中图分类号:TQ171.77+4.2文献标识码:A
    0·前言
    玻 璃纤维的生产工序包括玻璃熔制、纤维拉丝成形、纺织加工等。拉丝成形工艺过程是高温熔化的玻璃液通过具有一定温度的漏板漏嘴流出,几百到几千根单丝经牵引 形成丝束,丝束经过浸润槽并涂覆一层浸润剂,再通过排线器高速卷绕在拉丝机的绕丝筒上,按照一定的卷绕结构排列成形[1]。
     由于玻璃纤 维是一种表面光滑而质脆、不耐摩擦的材料,需要在玻璃纤维拉丝成形时涂覆一定的保护膜,即浸润剂,起润滑和粘结作用,以满足拉丝和后道纺织生产的需要,并 最终满足增强材料的工艺要求和力学性能。浸润剂是一种有机体系,目前主要是以水基型为主,一般主要由集束剂、润滑剂、偶联剂、抗静电剂等组成,其中集束剂 又称成膜剂,在浸润剂组份中比重最大,能使数百根单丝粘结成一股并形成保护膜,它对玻璃纤维工艺性能和力学性能的满足程度直接影响着玻璃纤维产品的质量。
    浸 润剂在使用过程中,经润滑槽或单丝涂油器均匀地涂覆在玻璃纤维的表面上,生产中对原丝进行自然放置或是烘干,以达到玻璃纤维表面浸润剂去水干燥和粘结成膜 的作用。玻璃纤维烘干工艺是玻璃纤维生产中的一个重要工序。原丝烘干后的含水率、可燃物含量以及浸润剂在纤维表面的成膜情况、分布迁移情况都将会影响到后 道纺织工序的正常进行,并且影响玻璃纤维纱的理化性能。本文主要研究了经浸润剂涂覆后的玻璃纤维原丝,不同存放条件、热风烘干温度与时间等烘干工艺对其含 水率、可燃物含量、强度、浸润剂迁移分布以及退并纱的纺织情况和强度与耐磨性能等理化指标的影响。
    1·试验
    1.1试验方案
    玻 璃纤维原丝直径为7μm,浸润剂主要成分为水溶性环氧,采用坩埚法拉丝、硬质绕丝筒绕丝。经拉丝涂覆浸润剂后的原丝,一组自然存放干燥,试验不同存放时 间;另一组不进行存放直接放入热风恒温烘箱进行烘干,试验不同烘干温度和烘干时间。通过上述两组不同烘干工艺状态下的原丝试验,研究不同工艺对原丝含水 率、可燃物含量、强度、浸润剂迁移分布、退丝并捻工艺和纱线理化性能的影响。
    1.2烘干工艺
    自然存放时间:0,h、2,h、4,h、6,h、8,h、10,h、12,h、24,h。
    原丝不存放,直接进行烘干,使用热风恒温烘箱80,℃,2,h;95,℃,2,h、4,h;110,℃,2,h。
    1.3测试项目
    原丝含水率、可燃物含量分布、强力、退并工艺情况、合股纱的含水率、可燃物含量、强力、纱线磨断次数。
    1.4测试方法说明
    采用的测试方法主要是:
    (1)GB/T,9914.1,增强制品试验方法,第1部分:含水率的测定(idt,ISO,3344:1997)。
    (2)GB/T,9914.2增强制品试验方法,第2部分:玻璃纤维可燃物含量的测定(idt,ISO,1887:1995)。
    (3)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(idt,ISO,3341:2000)。
    (4) 原丝含水率测试方法采用整个丝饼烘干失重法。原丝可燃物含量分布测试取样点为从头开始500,m、1,000,m、1,500,m、2,000,m、 3,000,m、4,000,m、5,000,m、10,000,m、20,000,m、30,000,m处,整个丝筒的原丝定长约40,000,m。
    2·试验结果与分析
    2.1原丝的含水率
    由 于涂覆玻璃纤维的浸润剂是水性溶液,故用含水率来表征原丝或纱线中含有水分的质量百分数。表1列出了原丝在不同时间和烘干温度条件下自然存放的含水率数 据,表2列出了热风烘干后的含水率数据。可以看到除了原丝在热风110,℃、2,h条件下可以基本完全干燥,其他工艺条件下均有较高含水率。

    从图1可以看出原丝自然存放失水干燥过程的含水率变化情况,原丝前2,h失水较快,2~12,h失水速率低一些,呈线性变化,12~24,h则失水很慢。热风烘干则随着热烘温度的升高和时间的增长,原丝含水率逐渐降低。
             
    2.2原丝外观
    原 丝自然存放或热风烘干过程中,浸润剂会由原丝内部向外表层发生迁移,所以丝饼最外表皮呈白色,此为浸润剂含量较高的迁移富集区。从图2可以看到,对于未完 全干燥的原丝,由于原丝为缝隙式排线,扒去部分原丝后可以看到原丝由外到内呈三段现象,最外表层呈白色为浸润剂含量最高的部分,外表层至中层发亮为浸润剂 干燥成膜的原丝层,内层呈浅白色为未干燥成膜的原丝,仍有较高含水(手感潮湿)。对于完全烘干的原丝,外表层仍为迁移的浸润剂含量富集区,但中层和内层则 均为干燥成膜的原丝,如图3。
              
    2.3原丝可燃物含量分布
    可 燃物含量是指在玻璃纤维烘干后仍然保留在纤维表面上的浸润剂固体有机物含量。原丝的可燃物含量分布体现了浸润剂在原丝内部的迁移和分布情况。检测从原丝开 头也是外表层开始取样,每间隔一段长度取一次样,由于后段原丝可燃物含量趋于稳定,故测试取样截止到30,000,m。
 
                  
    从 表3数据和图4上看,原丝在前1,500,m或是前3,000,m的可燃物含量明显偏高,且越是接近原丝开头(外表层),其可燃物含量越高,这正是在原丝 自然存放或热风烘干的干燥过程中,浸润剂中水分携带有机物由原丝内部向外表层发生迁移与蒸发的结果。即使是原丝0,h,即拉丝完不经存放或烘干马上检测, 也同样存在浸润剂迁移,这是因为原丝在拉丝过程中由于绕丝机头高速转动的机械离心作用使浸润剂产生了由内向外的迁移。
    随着原丝自然存放时 间的增加,水分逐渐蒸发所造成原丝浸润剂迁移情况逐渐加重,如原丝在1,000~5,000,m处的可燃物含量随自然存放时间(0~24,h)的增长而升 高。在试验热风烘干条件中,不同的烘干温度和时间会影响原丝内水分蒸发的效果,从而影响浸润剂迁移的效果。可以看到,相比自然存放条件的原丝可燃物含量分 布,热风烘干条件下的原丝在前500,m范围要高,说明热风高温使得丝饼表面的水分蒸发更加剧烈,浸润剂迁移也会更加剧烈,但由于干燥时间相应减少,浸润 剂迁移的过程时间也会减少,所以在原丝1,000~4,000,m范围内,热风烘干条件下的可燃物含量介于自然存放12,h和24,h之间,整体浸润剂迁 移情况要比自然存放12,h的大一些,比自然存放24,h的小一些。
    2.4原丝拉伸断裂强力
    玻璃纤维浸润剂在纤维表面会涂覆形成一层膜,这层膜可以对玻璃纤维起到隔离、保护作用,同时对原丝也起到粘结集束、耐磨润滑的效果,这对于玻璃纤维的强度和可加工性能以及复合材料应用都有着直接影响,而玻璃纤维浸润剂成膜集束的好坏则和原丝的烘干工艺直接相关。
    原 丝在自然存放条件下无法完全干燥,含水率较高,纤维表面的浸润剂无法脱水干燥并形成均匀保护膜,成膜集束效果不好,所以其拉伸断裂强力较低。原丝80,℃ 热风烘干有助浸润剂快速脱水干燥,并在高温下(达到浸润剂的成膜温度以上)有利于浸润剂有机物均匀地铺展成膜集束,故强力有所提高,但因内部原丝仍未能完 全干燥成膜,所以仍低于110,℃热风完全烘干成膜集束的原丝强力,参见表4不同烘干工艺下的平均原丝拉伸断裂强力数据。
               
    2.5原丝纺织退并工艺
    玻 璃纤维浸润剂的重要作用就是要满足拉丝成形和纺织加工的工艺要求,原丝在纺织退并加工过程中需要强度高、润滑好、毛羽少、耐磨耐折。通过研究玻璃纤维浸润 剂不同烘干工艺下的原丝在纺织退并工序中的表现,可以直观评价玻璃纤维浸润剂的烘干工艺与成膜集束的效果。原丝退并的环境温度为25,℃±1,℃,湿度为 45%,重点观察导纱钩、罗拉等设备部位和合股纱的毛丝毛羽情况。
    试验结果表明,保有一定范围含水率的原丝退并情况较好。自然存放中含水 较高的原丝由于强力较低会出现断丝的情况,热风烘干80,℃、2,h,95,℃、2,h和95,℃、4,h的原丝退并顺利,毛丝毛羽较少,而过于干燥的原 丝,如热风烘干110,℃、2,h的原丝退并过程产生的毛丝明显增多。原丝在纺织退并工序的适应性与原丝含水率以及浸润剂的保护性有明显关联,原丝过高或 过低的含水率都不适合玻璃纤维的纺织加工,结合不同的原丝规格、浸润剂配方体系、纺织工艺以及环境温湿度整体配合才能使玻璃纤维的纺织加工工艺性能达到良 好的效果。
    2.6合股纱线性能
    各种烘干工艺的原丝通过退并纺织成合股纱,检测合股纱的各项理化性能来评价对比各种烘干工 艺对合股纱性能的影响。由于部分原丝烘干工艺下的玻璃纤维表面浸润剂成膜集束不佳,试验又对合股纱线进行了二次热烘定形,以达到对玻璃纤维浸润剂进行补充 成膜和粘结集束的效果。

      从 表5测试结果中可以看出,几种未能完全干燥的原丝合股后的纱线强度和耐磨性能均不高,而热风110,℃、2,h完全烘干原丝的合股纱强度和耐磨性能较高。 合股纱经二次热烘后的强度明显提高,说明二次热烘可以将原丝表面未成膜的浸润剂进行二次成膜,改善了玻璃纤维的粘结集束和成膜保护的效果,从而提升了合股 纱线的强度。从合股纱线二次热烘前后的磨断次数来看,也证明了这一点,玻璃纤维浸润剂烘干成膜的效果直接影响玻璃纤维合股纱线制品的强度与耐磨性能。但从 强度和耐磨性上看,经过二次热烘定形后的合股纱线性能差异不大。
    3·结论
    (1)玻璃纤维原丝在拉丝成形时在绕丝筒上的排 布非常紧实,通过自然存放一天或短时烘干都难以将水分去除完全(可以参看原丝含水率和外观),原丝饼外层干燥了,但内层仍潮湿,这会影响浸润剂在原丝上的 成膜集束作用。只有通过苛刻的烘干工艺才能使原丝完全干燥成膜,如提高温度和延长时间,但通常又会出现浸润剂发黄和纺织毛丝增多的情况。
    (2) 玻璃纤维原丝存在的浸润剂迁移主要来源于两个方面,一是拉丝成形过程中绕丝筒高速转动的机械离心作用使得浸润剂向丝饼的外表面迁移,二是原丝存放和烘干过 程中的失水逸出作用,浸润剂是含有约5%有机物的水溶液,在水分由原丝饼内部向外部迁移蒸发的过程中,也会部分携带着亲水性的有机物由内向外迁移,最终形 成了原丝饼由外表层向内可燃物含量从高到低的分布现象。
    玻璃纤维浸润剂迁移可能带来两方面不利影响,一是原丝可燃物含量的分布不均,从表 3中数据可以看到,0.9%~3.5%的可燃物含量分布会严重影响玻璃纤维原丝与合股纱的可燃物含量的稳定性,给产品指标与质量控制带来很大困难,要求严 格的产品可能需要去除原丝外层可燃物含量超标的部分而造成浪费;二是浸润剂在玻璃纤维原丝上的成膜质量与粘结集束的效果也不一致,从而会影响玻璃纤维的理 化性能、纺织性能以及后加工性能等。
    (3)玻璃纤维的纺织工艺性要求较高,过湿或过干的原丝不利于退并纺织,易产生断丝或毛羽,原丝必须保持一定量的含水率才能满足纺织需要。一些经验说明,通过调整浸润剂配方体系中干湿润滑组份的效果以及控制纺织环境的温湿度都有利于改善玻璃纤维的纺织工艺表现。
    (4) 从玻璃纤维原丝与合股纱线的拉伸强度和耐磨性能看,浸润剂在玻璃纤维原丝表面成膜的状态会直接影响这些性能,烘干完全的原丝强力比未烘干完全的提高 50%~60%,试验条件下的玻璃纤维合股纱因为原丝未完全烘干成膜,粘结集束效果不好,所以初始强度较低,经过二次热烘后强度普遍提升约20%,耐磨性 能也同样有明显提升。需要注意的是二次热烘并不是烘去合股纱线的水分(表5中检测合股纱的含水率已经很低),而是使浸润剂能够二次热作用形成状态良好的 膜,从而对原丝起到保护、粘结集束的作用。
    (5)可以看到,以上诸多因素既相互影响又相互矛盾,玻璃纤维浸润剂烘干工艺需要根据玻璃纤维 成分、拉丝成形工艺、原丝卷绕密度与重量、浸润剂配方、纺织等不同的工艺条件,既要满足原丝浸润剂烘干成膜的需要,又要满足纺织对原丝含水率的需要,还要 控制原丝浸润剂迁移对玻璃纤维性能与质量的影响,同时也要考虑原丝与浸润剂去水干燥的节能经济性(通常采取自然存放或与热风烘干相结合的方式)。
参考文献:
[1]张耀明,李巨白,姜肇中.玻璃纤维与矿物棉全书[M].北京:化工工业出版社.2001.

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