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  材料科学与工艺  2017, Vol. 25 Issue (2): 50-53  DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20150258
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引用本文 

刘元军, 刘国熠, 赵晓明. 玻璃纤维膨体纱织物热物理性能的实验研究[J]. 材料科学与工艺, 2017, 25(2): 50-53. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20150258.
LIU Yuanjun, LIU Guoyi, ZHAO Xiaoming. Research on thermal physical properties of the bulk yarn fabric of glass fiber[J]. Materials Science and Technology, 2017, 25(2): 50-53. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20150258.

基金项目

国家自然科学基金资助项目 (51206122)；天津应用基础与前沿技术研究计划资助项目 (13JCQNJC03000)

通信作者

赵晓明，E-mail:texzhao@163.com

作者简介

刘元军 (1986—)，女，博士;
赵晓明 (1963—)，男，教授，博士生导师，天津市千人计划专家

文章历史

收稿日期: 2015-09-15
网络出版时间: 2017-03-31
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
玻璃纤维膨体纱织物热物理性能的实验研究
刘元军, 刘国熠, 赵晓明     
天津工业大学 纺织学部，天津 300387
收稿日期: 2015-09-15; 网络出版时间: 2017-03-31
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (51206122)；天津应用基础与前沿技术研究计划资助项目 (13JCQNJC03000)
作者简介: 刘元军 (1986—)，女，博士;
赵晓明 (1963—)，男，教授，博士生导师，天津市千人计划专家.
通信作者: 赵晓明，E-mail:texzhao@163.com
摘要: 玻璃纤维是现代无机非金属材料中具有独特功能的材料，其来源丰富，价格便宜，具有强度高、耐高温、耐腐蚀等一系列优异性能，使其在热防护领域发挥不可比拟的作用.为提高玻璃纤维的热防护性能，首先采用自有知识产权的连续功能纤维束气流分散法，将玻璃纤维无捻粗纱制备成玻璃纤维膨体纱、玻璃纤维膨体花式纱及玻璃纤维膨体纱织物.其次，比较、分析了不同规格的玻璃纤维膨体纱织物的外观形态、力学性能、导热系数及热防护性能.研究表明：本实验制备的玻璃纤维膨体纱织物外观丰厚，且存在较多空隙，具备良好的蓬松性和热防护性能，其中，以膨体纱作为直接纬纱制备的织物热防护性能最好，手感最丰厚蓬松，与毡类制品最接近.
关键词: 玻璃纤维    膨体纱    力学性能    热物理性能    织物    
Research on thermal physical properties of the bulk yarn fabric of glass fiber
LIU Yuanjun , LIU Guoyi , ZHAO Xiaoming     
Cellege of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China
Abstract: Glass fiber is a modern material with unique functions for an inorganic non-metallic materials; readily available, low cost, high strength, high temperature resistance, corrosion resistance and a series of excellent properties. All this means it plays an unparalleled role in the field of thermal protection. In order to improve thermal protective performance of glass fiber, firstly, glass fiber was processed into the bulk yarn, fancy yarn and fabric of glass fiber by independent patent air blow method. Secondly, the morphology, mechanical properties, coefficient of thermal conductivity and thermal protective performance of fabrics of different specifications were compared, nanalyzed and studied. The results showed that the appearance of bulk yarn fabric was bulky, and there were many gaps in it. The fluffy properties and thermal protective performance of bulk yarn fabric were good. Among the fabrics, the one in which the bulk yarn as weft was best, and was the closest one to felt product in comprehensive performance.
Key Words: glass fiber    bulk yarn    mechanical properties    thermal physical properties    fabric    

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，来源丰富，价格便宜，与金属纤维、天然纤维及其他人造有机纤维相比，具有耐高温、耐腐蚀、强度高、密度小、延伸小、吸湿率低及电绝缘性好等一系列优异性能，使其在保温、绝热、机械、电气、光学、耐腐蚀、吸声等方面发挥不可比拟的作用[1-3].目前，玻璃纤维制品在热防护领域应用广泛，是我国近年来发展较为迅速的新型产业，市场上使用最为广泛的产品为玻璃纤维短切针刺毡，其制备工艺流程长，生产成本高，且反复针刺对纤维造成较大损伤[4-8].膨体纱属于空气变形纱的一种，具有仿短纤纱性和优良的膨松性[9-12].为此，本文利用玻璃纤维膨体纱的特点，预期开发一种新型纺织制品，既能够克服短切针刺毡的缺点，不损伤纤维，缩短工艺流程，节约成本，又能够使其具备毡类制品的蓬松性特点，获得较好的热防护性能.

本文采用自有知识产权的连续功能纤维束气流分散法[13-14]，将玻璃纤维无捻粗纱制备成玻璃纤维膨体纱、玻璃纤维膨体花式纱及玻璃纤维膨体纱织物.比较、分析了不同规格的玻璃纤维膨体纱织物的外观形态、力学性能、导热系数及热防护性能，以期为玻璃纤维膨体纱织物在热防护领域的应用提供参考.

1 实验 1.1 主要材料和试剂

玻璃纤维毡：550 g/m2；玻璃纤维无捻粗纱：1 250、400、132 tex，玻璃纤维细纱：64、32 tex.

1.2 玻璃纤维膨体纱的制备

采用自有知识产权的连续功能纤维束气流分散法制备玻璃纤维膨体纱，膨化过程如图 1所示.

图 1 纱线膨化过程示意图 Figure 1 Process schematic of yarn bulking 1—bulk yarn; 2—high speed air flow expanding device; 3—continuous functional fiber bundle; 4—filament bundle tube; 5—puffing machine appearance; 6、7—guide hole; 8—continuous functional fiber bundle; 9—bulk yarn
1.3 玻璃纤维膨体花式纱的制备

玻璃纤维膨体纱穿综困难，且与钢筘磨损严重，为改善其织造性能，将膨体纱加工成膨体花式纱.膨体纱花式纱是以膨体纱为饰纱，以细纱为芯纱和固结纱加工织造.该织造过程采用花式捻线机 (HN32-04型，北京卓川电子科技有限公司).

1.4 玻璃纤维膨体纱织物的规格参数

采用半自动织样机 (DWL5016型，天津市隆达机电科技发展有限公司) 制备了4种不同规格织物，标号分别为织物1、2、3、4.其规格参数如表 1所示.其中织物5是购买的玻璃纤维毡.

表 1 织物规格参数表 Table 1 Fabric specification parameters
1.5 分析与测试方法

采用环境扫描电子显微镜 (Quamta200型，FEI香港有限公司)，参照JB/T 6842-93扫描电子显微镜实验方法测试.采用万能强力测试仪 (YG028型，天祥纺仪器有限公司)，参照GB/T 7689玻璃纤维机织物拉伸断裂强力和断裂伸长标准测定[15-17].采用数字式织物厚度仪 (YG141D型，莱州市电子仪器有限公司)，参照GB/T 7689.1—2013玻璃纤维厚度标准测定.采用热常数分析仪 (THB100型，德国创新思成有限公司) 测试样品的导热系数，每组测试5个样品，最后计算其平均值.参照ISO17492隔热和防火服曝露于火和辐射热时防护服的热传递标准采用热防护性能仪 (TPP701D型，美国精密制造公司) 测试样品的隔热性能.

2 结果与讨论 2.1 外观形态

为了观察自制的4种织物的外观形态，采用环境扫描电子显微镜对其进行了拍摄，其测试结果如图 2所示.

图 2 玻璃纤维膨体纱织物的外观形态图 Figure 2 Morphology of bulk yarn fabrics of glass fiber:(a) morphology of fabric 1; (b) morphology of fabric 2; (c) morphology of fabric 3; (d) morphology of fabric 4

从图 2可以看出，织物1经纬交织，纹路清晰，表面带有一层细小的玻璃纤维毛羽，纱线间无明显缝隙；织物2纹路不清，其正面被膨体纱覆盖，手感丰厚柔软，类似起圈织物；织物3表面平整光滑，纹路清晰，厚度仅相当于同克重膨体纱织物的1/3；织物4与织物1外观相似，表面带有一层毛羽，手感丰厚柔软.

2.2 力学性能

制备织物1、2、3的纱线细度及克重相近，因此，仅测试织物1、2、3的经向和纬向力学性能.

从图 3、图 4和表 2可以看出，玻璃纤维织物经纱、纬纱断裂强力均是：织物2＜织物1＜织物3，织物3为无捻粗纱织物，纱线中玻璃纤维单丝抱合紧密，在拉伸过程中玻璃纤维充分发挥其力学性能.织物1的经纱和纬纱均为玻璃纤维膨体花式纱，织物2的经纱和纬纱均为玻璃纤维膨体纱，玻璃纤维膨体纱强力低于玻璃纤维膨体花式纱，因此，织物2的经纱、纬纱断裂强力比织物1差.

图 3 3种织物经向断裂的位移-载荷曲线 Figure 3 Displacement-load curve on the meridional breaking of three kinds of fabrics
图 4 3种织物纬向断裂的位移-载荷曲线 Figure 4 Displacement-load curve on the zonal breaking of three kinds of fabrics
表 2 织物的TPP值 Table 2 TPP of fabric
2.3 热性能 2.3.1 导热系数

为了对比5种织物的保温性能，测试了其导热系数.

由图 5可以看出，玻璃纤维织物的保温性能：织物5 >织物2>织物1>织物3>织物4，织物5是玻璃纤维毡，其保温性能优于另外4种玻璃纤维织物，另外，玻璃纤维膨体纱织物的保温性能优于普通玻璃纤维无捻粗纱织物.玻璃纤维膨体纱以其独特的蓬松结构使得膨体纱织物既具有毡类制品的保温隔热性能，又保留机织物的力学性能，且膨体纱织物能够有效地节约空间，其体积低于毡的1/3.

图 5 织物的导热系数 Figure 5 Coefficient of fabric thermal conductivity
2.3.2 织物的热防护性能

TPP值的测试结果如表 2所示.从表 2可知，TPP值由高到低的顺序为：织物5、织物4、织物1、织物2、织物3.织物5是玻璃纤维毡，其TPP值大于39.6，热防护性能最好.次之是织物4和织物1，其TPP值分别为23.78和21.62.织物3为玻璃纤维无捻粗纱织物，热防护性能最差，TPP值为10.81.

2.3.3 受热温升曲线

为了对比5种织物的隔热性能，测试了织物受热后的温升曲线.

图 6为5种样品受到1.98 cal/cm2s热源加热后的温度升高曲线，其中织物5受热时间最长，约为15.5 s，但温度变化最缓慢，即织物5(玻璃纤维毡) 隔热性能最好.织物3为无捻粗纱织物，加热时间约为10 s，温升速率最快，即织物3隔热性能最差.织物1、2、4为膨体纱织物，织物4的隔热性能介于织物1和织物3之间.从图 6还可以看出，探头的初始温度不同，但不影响温升速率.

图 6 织物受热后温升曲线 Figure 6 Temperature-time curves of fabic
3 结论

自制的玻璃纤维膨体纱织物外观丰厚，且存在较多空隙，具备良好的蓬松性、力学性能、热防护性能，其中，以膨体纱作为直接纬纱制备的织物热防护性能最好，手感最丰厚蓬松，与毡类制品最接近.膨体纱织物制备工艺流程短，成本低，克服了毡类制品工艺流程长、开松和反复针刺造成的纤维损伤以及力学性能差等缺点.

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