（纺织工程专业论文）合成革针刺基布生产工艺及性能的研究.pdf

摘要 本文主要介绍了合成革针刺基布的生产工艺及性能研究。详 细讨论了合成革针刺基布的生产工艺，分析了影响针刺基布的主 要工艺参数，采用二次旋转组合设计方法，通过试验建立了主要 工艺参数与基布主要性能的数学模型，确立相应的约束条件。并 采用复合形法进行优化计算，求得最佳工艺条件，再根据优化计 算出来的工艺条件进行优化验证，其结果与优化理论值基本一 致。 针刺非织造布作为合成革基布具有传统纺织品无可比拟的优 点，也是当前合成革基布的发展趋势。 【关键字l ：合成革基布：针刺非织造布；优化：数学模型：二次 旋转组合设计；复合形法 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n dp r o p e r t i e s r e s e a r c ho f h i g h - q u a l i t ys u b s t r a t e sf o rs y n t h e t i cl e a t h e r s t h ea r t i c l e a n a l y s e st h em a i nt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa f f e c t i n gn e e d l ep u n c h i n g b yu s i n gt h eq u a d r a t i cr o t a t i o n a lc o m p o s i t ee x p e r i m e n t a l l ym a d eo f t h ep r o p e r t i e so ft h en e e d l e ds u b s t r a t e s w “ht h em a i nt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s a sv a l i a b l e s t h ec o n s t r a i n t sa l ea l s oi l l u s t r a t e dt h e o p t i m a lt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ep r o p e r t i e sa r ec a l c u l a t e db y u s i n gc o m p l e xm e t h o d u n d e rt h eo p t i m a lt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n ， n e e d l e ds u b s t r a t e sw e r e p r o d u c e d b vd 几o0 u gp i l o tl i n e s u c c e s s f u l l ya n dt h e r e s u l t sa l e v e r yc l o s et o t h e o p t i m a lv a l u e c a l c u l a t e d n e e d l e df a b d c sa ss u b s t r a t e sf o rs y n t h e t i cl e a t h e r sh a v eb e t t e r p r o p e r t i e s t h a nt h et e x t i l e sp r o d u c e db y a n y o t h e rt r a d i t i o n a lm e t h o d s 【k e y w o r d s ：s u b s t r a t e s f o r s y n t h e t i cl e a t h e r ；n e e d l e df a b r i c s ； o p t i m i z a t i o n ； m a t h e m a t i c a l m o d e l ；q u a d r a t i c r o t a t i o n a l c o m p o s i t ee x p e r i m e n t d e s i g n ；c o m p l e x m e t h o d ； 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究弓i 言 引言 随着社会的发展，人们生活水平的日益的提高，对皮革制品 的需求量愈来愈大。由于天然皮革资源的供应不足或其不能满足 消费水平的发展，为此，在早期，联合国的一些机构及有些国际 组织( 如：f a o ，u m d o ) 都进行过这方面的调查和研究，提倡 各国的国家政府、科研单位、企业集团重视并进行皮革替代品的 研究与开发，以便使皮革替代品代替皮革应用的一些领域：如皮 鞋革，包箱革，服装革等【i 】。 仿皮革简单地说是利用一定材料作为底基，与一定的化工涂 层剂经过某种涂层或层压技术加工而成。仿皮革工业的发展随着 底基材料，涂层剂，涂层技术的发展而发展。在3 0 年代，p v c ( 聚氯乙烯) 高分子合成物的出现，为合成革发展迈出了一大步。 但由于p v c 易渗入织物组织内部，涂敷量大，织物易变硬，涂 层织物不耐干洗和溶剂，不透气，低温时发硬等缺陷。对产品使 用和穿着性能品味要求愈来愈高的消费者而言，p v c 合成革不 能满足其消费层次的发展。化工技术的进一步发展，新化工产品 的出现，特别是异氰酸酯的研制成功，为合成革涂层原料开辟了 新天地，1 9 3 7 年德国拜尔利用异氰酸酯和多元酯加聚反应生成 聚氨酯( p u ) ，这为p u 合成革的生产奠定了基础。p u 特殊结构 赋予其制品无可比拟的特性：独特的粘结性，润湿性，柔软性， 耐磨性，耐低温性，光泽性以及高的内聚力和固化速度；更为可 贵的是p u 可根据需要设计性能各异的产品 4 1 。p u 涂层织物具有 许多优点：涂层薄，重量轻，具有极佳的耐磨性和抗摩擦性能， 弹性好，粘着性，耐洗，防水性能强，手感好，强力高，它所形 成的微孔薄膜具有良好的透气透湿性能。 在合成革涂层剂发展的同时，作为合成革的骨架材料基 布也得到了很大的发展，底基材料由当初的纸张发展到现在的机 织，针织织物和非织造布。基布的结构与性能也有很大的提高。 在仿皮革工业发展过程中，研究开发者们提出了“人造革” 与“合成革”两个技术术语。它们描述了两个不同的仿皮革产品， 这两个技术名词从侧面上也反映了仿皮革的发展过程。 人造革：是以纤维织物( 机织，针织) 为底基，以合成树脂 为主要原料做面，其外观类似皮革的复合材料，它不具备天然皮 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究引言 革结构，因此也缺乏天然皮革的一些固有特性。 合成革：以经高分子物质浸渍处理而带有连续空隙粘结的具 有三维结构的非织造布作为底基，赋予耐磨的聚氨酯表皮层；可 象天然皮革一样进行片切，磨削并具有皮革所特有的透气透湿性 能。 根据国标g b 2 7 0 3 皮鞋工业述语规定：凡是用经纬交织 的纺织物( 机织，针织) 作底基的仿皮革制品称为人造革；凡是 用非织造布作底基的仿皮革制品称为合成革【2 】。 由于本课题从事的是针刺合成革基布的研究，因此约定：以下 提及的术语都用合成革( 特殊情况加注释) 从上述定义可以看到，涂层基布材料它的结构和性能决定了 涂层织物最终产品的质量与外观，因此基布的发展也制约着合成 革水平的提高。 天然皮革的结构可以看成为由含脂肪的骨胶纤维相连而成的 非织造织物，其中纤维是非连续的，纤维呈一定分布，皮革内部 可分三层组织，即底层网状组织，中间乳突组织，表面纹理组织。 这三层组织决定了天然皮革所具有的优良特性。机织或针织基布 结构是由较规格的纤维束状集合体纱线或长丝束有规律的交织 而成。其纤维连续分布且呈明显的组织条纹( 经，纬向) ，纱线 还具有捻度，这些结构均对涂层材料和纺织基材的结合及涂层的 状态和效果有极大的影响，从而决定了合成革的结构和性能与真 皮革之间的差异。而采用非织造布作底基，使用细纤维经针刺， 浸渍等加工丽成，其结构为纤维均匀无规则排列。相互纠缠，形 成独特的多孔的片状三维结构，这种结构对吸附涂层材料以及产 品的通透性能都有决定影响，这也是传统纺织品不能与其相比的 特点，它与p u 的结合使合成革内部结构达到了逼真的境界。 p u 织物涂层剂以其优异性能与独特的三维纤维结构的针刺非 织造布结合，再加上特种超细纤维的应用，使合成革产品的发展 达到了最高的境界。这种生产方法也是当前国际合成革发展的趋 势，尤其是在欧洲，日本，韩国及我国的台湾地区发展相当迅速， 我国不仅是在p u 涂层剂，还是在非织造布的开发应用方面都处 于起步阶段，因此对基布的深入研究很有实际的意义。 合成革产品的应用主要用于以下几个方面： 1 鞋类皮革：时装鞋，便鞋，专门的运动鞋。 2 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究弓 言 2 时新用品：公文皮包，手提包( 女用) ，皮带，皮帽，各 种运动手套，各种运动用品。 3 室内用品：沙发。汽车坐垫，家俱装饰物。 4 时装：工作服，外套，女式服装，正规套装，时装，运 动服。 5 特种用途：传送机皮带，传动皮带等。 市场对合成革性能要求不断提高的同时也对其需求不管在量 上还是在应用范围方面都不断增大，这对合成革基布的发展和开 发都是个挑战，针刺非织造布在合成革工业中的应用，其独特的 结构、优异的性能也代表作当前合成革基布的发展方向。但是由 于针刺非织造布生产工艺的复杂性也决定了其产品开发的难度。 对合成革针刺基布的研究有其现实的意义。 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究文献综述 文献综述 针刺非织造布的生产是用截面为三角形( 或者其它形状) 且棱 边带有钩刺的针对蓬松的纤网进行反复针刺。纤维随针垂直向下 运动重定向进入纤网内层，同时由于针刺对纤网的压力、纤维之 间的摩擦、抱合使纤网压缩。由于针刺作用使水平排列的纤维网 表层纤维重取向，使得纤维在水平、垂直三维结构问相互纠缠抱 合，制成具有一定厚度、一定强力的织物1 6 】。 针刺法非织造布其独特的由纤维构成的三维复杂结构，目前 很难找到合理的科学模型来分析和表达其针刺织物的真实结构。 因此也很难对其结构和性能进行科学理论的定量研究，对其本质 没有完全的了解。大多是采取试验的方法如从纤维原料、针刺工 艺参数、后整理技术等来试验、分析影响针刺织物结构、性能的 因素及其内在的联系。 针刺织物结构、性能受其各方面因素的影响，其影响因素之 间的联系如下图所示7 j ： 纤维性能纤网结构针刺工艺参数 l 删v 能 针刺织物性能 究竟针刺织物的结构和性能受其生产工艺、原料等方面影响 程度如何呢? 另外，其影响因素与织物的结构、性能有什么必然 的联系? 长期以来研究者们对针刺工艺进行了大量系统的研究， 得出了一系列有意义的结论。它对针刺技术的成熟及其发展、针 刺产品的质量提高、应用范围的扩大作出了极大的贡献。但是由 于针刺非织造布生产工艺的复杂性也导致了其产品性能的多样 性，由于产品的最终用途不同，其要求的性能也就不一，人们从 事的研究也大都局限于对某一特定产品进行。作为合成革基布的 针刺非织造布，也是非织造布发展的新的领域，对其性能的研究 在这方面较少，如何利用针刺生产工艺生产满足合成革要求的产 4 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究文献综述 品，这也是从事针刺基布研究的意义所在。 从上图我们可以看到，针刺非织造布的性能不仅与针刺工艺 有关，而且与纤维原料有直接的关系。 在纤维原料方面，纤维的种类，规格尺寸对非织造布的强力， 伸长，耐磨，回弹性能等机械性能都有不同程度的影响。一方面， 纤维的类型决定所得针刺织物的最终用途，根据产品的应用环 境、性能规格要求来选择合适的纤维原料这是生产出合格产品的 关键；另一方面，纤维的类型与尺寸不仅直接影响针刺织物的性 能，而且直接影响到织物的结构。另外，纤维的类型和尺寸对梳 理、针刺工艺等都有非常主要的影响。如何使针刺的生产工艺与 纤维性能间的良好配合，从而生产出高质量的产品是很为必要 的。 用于合成革基布的纤维一般是多种纤维混合而成，选用的纤 维有涤纶，涤锦，锦纶等，尤为常用的是涤锦纤维混合物( 锦 纶提供弹性和柔软性) ，由于p u 合成革的应用扩大到服装领域， 以及消费者对穿着舒适性要求的提高，对皮革类产品的柔软性的 要求也越来越高，针对这一要求。近年来，国内外相继采取改变 纤维种类，规格等措施以提高合成革的仿真皮效果： l 、细旦纤维或超细纤维的使用，作为合成革要求其有较高的 断裂强力的同时，也要求有较好的柔软性，即较低的弯曲 刚度，这是一对矛盾，但细旦或超细纤维为满足这一要求 提供了条件，通过研究得出f 3 】，随着基布纤维细度的增加， 合成革的断裂应力和模量均有随纤维细度增加而增加的趋 势，而断裂伸长率则相反。因此，纤维细度的增加，增加 了基布的密度，在保证基布强力的同时，可改善基布的柔 软性，增强了合成革的仿真皮效果。 2 、采用海岛型纤维，如采用截面呈多孔形状的藕状纤维，可 以提高合成革的弹性、透气性、透湿性； 3 、混入一定量的粘胶纤维，可以改善合成革的吸湿性和柔韧 性；混入一定比例的胶原纤维( 由铬鞣革下脚料经磨碎， 打浆等工艺制得) ，以改善合成草制品的吸湿、透气性能。 4 、高收缩纤维的应用，在基布的后整理过程中，基布经干或 湿的热处理，即化学机械工艺使织物在纵横向收缩，以提 高基布的密度，消除基布表面的针孔、针迹，改善基布的 表观性能。 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究文献综述 在针刺工艺方面，影响基布性能的主要工艺参数有：针刺密 度、针刺深度、针刺道数，具体分述如下【l l 】： 一、针刺密度( d n ) 针刺密度是最熏要的工艺参数，它对基布的结构和性能有极 其主要的影响，具体表现在： 1 、针刺产品中，在给定工艺条件下，织物的平方米克重随 着纤网重量的增加而增加；但给定纤网重量，织物重量随着针刺 密度的增加而减少。 2 、在织物纵向，织物的断裂比应力随着针刺密度的增加而 增加，而在横向方向上，断裂比应力随着针刺密度的增加达到峰 值后开始下降。断裂伸长随着针刺密度的提高趋于下降；撕裂强 度、初始模量随着针刺密度的提高而上升达到最值后开始下降， 而且在相同针刺密度条件下，织物横向的强力要比纵向的强力 大。 3 、耐磨性能：随着针刺密度的增加，针刺织物的耐磨性能 得到明显改善。这是由于针刺密度的增加，织物的紧密度提高， 织物在磨损过程中纤维不易从织物中抽拔出来，从而改善了织物 的耐磨性能，但是其抗顶破强力性能将下降。 4 、压缩回弹性能：在降低的针刺密度下，织物的压缩性能 随着针刺密度的提高明显下降后逐渐趋于稳定，织物的回弹性能 趋相反趋势。这些都是由于针刺密度对织物紧密度的改变而影响 的结果。 二、针刺深度 针刺深度是针刺深度是指针刺动程达到最低点时针尖通过托 网板孔眼距托网板上表面的距离。 针刺深度对针刺织物的影响是通过以下两种方式来实现： a 针刺深度的不同导致通过纤网作用于纤维的针刺倒钩数不 一，从而影响织物的性能和结构。 b 针刺刺入纤网的深度不同，导致纤网中纤维的重定向程度 不同，造成织物的结构和性能变化。 随着针刺深度的增加，织物厚度降低；织物密度增加：初始 模量、强力先达到峰值后逐渐下降，断裂伸长、透气性能下降； 耐磨性、压缩回弹性上升。 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究文献综述 针刺深度对织物的表观质量也有很大的影响，利用合适的针 刺深度可以得到类似于针织织物结构的外观。 针刺深度对针刺织物性能的影响主要是通过影响织物的结构 来实现。如何利用针刺深度使得垂直方向的纤维量增加的同时又 使纤维不致于刺断纤维，而且水平、垂直方向上纤维保持紧密的 联系，从而获得良好的织物内部结构及外观，这是取得优异机械 性能的关键。 三针刺道数 增加针刺道数主要目的是使织物达到较高的针刺密度。针刺 道数的增加是否对织物的其它性能、织物外观造成影响呢? 对 此，s k g h o s h 和m k t a l u k d a 一”1 等作了研究得出以下结论。( 约 定：给定针刺密度等其他工艺条件，不同的针刺道数，道或多 道1 针刺道数的增加，一方面在不影响织物的强力条件下增加 织物的针刺密度。这说明可增加针刺道数来实现高针刺密度而又 不损伤纤维；另一方面，增加针刺道数可得到良好的织物外观。 经过多道针刺比一次针刺而成的织物其所承受的断裂载荷 要大，而且随着针刺道数的增加其趋于上升趋势。 o _ 随着针刺道数的增加，针刺织物的平方米克重随着增加f 给 定纤网克重) 后趋于恒定，基布厚度随着针刺道数的增加有所上 升，然而织物的密度并没有下降反而有上升趋势。另外，经过多 次针刺作用使织物达到给定针刺密度能让针刺较为均匀地分布在 织物上，使得织物的重量不匀率( c v ) 降低。 针刺道数的增加，针刺织物的初始模量提高，断裂伸长下 降。但对拉伸强力、断裂功的影响并不显著。另针刺道数的增加 织物的撕裂强力、伸长和断裂功逐渐下降。 上述表征了纤维原料、针刺工艺对基布性能的影响，但如何 应用这些针刺参数，生产出合格的针刺合成革基布，这也是本课 题的主要目的所在。 合成革工业的发展在全球而言都是有很大的潜力。人们对合 成革的性能要求也日益提高。不仅强调合成革的平整度，光洁度， 手感，同时更为注重其仿真皮感，对皮革的透气性，吸湿性，舒 适性等服用性能提出了更高的要求。要达到这些性能，不仅要求 高的后按理技术和具有优越性能的涂层剂，更关键的是要有理想 7 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究文献综述 的骨架材料基布。底基材料不仅决定产品的最终性能和外观， 而且对后加工涂层的质量有好大的影响，所以说底基的结构和性 能是最终产品质量的关键，它支配着合成革的特征，也反映了合 成革的发展情况。在合成革基布发展中，非织造基布发展相当迅 速，其中针刺合成革基布、水刺合成革基布发展为最。而针刺法 技术相对成熟，也是当前非织造合成革基布的主要生产方法。针 刺非织造布的结构与天然皮革结构非常相似，作为涂层基布满足 了合成革所需的最基本的要求：良好的厚度均匀性，大的孔隙度， 优越的浸渍性能，良好的尺寸稳定性，高的强力能满足基布在涂 层时经受的拉伸和焙烘固化工艺等口】， 为了更好改善合成革性能，必须对其基布和涂层工艺有充分 的研究。在这些方面，有关涂层的加工及性能的研究比较多，而 对基布的研究，基布材料性能对合成革性能的影响等研究都相对 较少。另外作为合成革生产的中间产品，基布材料的主要性能及 其评价体系都由于其产品不同而不一，针刺非织造布在非织造布 行业中，其工艺发展相对成熟，对其工艺也有较系统的研究，但 由于其最终用途的不一，对其性能要求也不同。针刺非织造布作 为合成革基布的应用对合成革工业还是非织造布工业都可以说是 一种突破，如何设计合理的针刺工艺生产出符号合成革要求的针 刺基布，这也是本课题所主要关心的问题。结合当前我国非织造 布发展还处于初步阶段，针刺技术还存在好多问题，如针刺密度 不大，针迹严重，成网均匀度差，经纬向强力比大等。对针刺工 艺的研究为提高针刺技术也有其现实的意义。 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究第一章 第一章针刺非织造基布的生产工艺 针刺法生产非织造布最早用在制毡生产中，早在1 8 7 0 年英国一 家公司就设计出针刺机的样机。但是直到2 0 世纪4 0 年代，英国 w i l l i a nb y w a t e r 公司对针刺机样机进行技术改造后开始制造针刺 机，为现代针刺技术的发展奠定了基础。后又进行了多种技术的极 大革新，使得针刺机在生产规模，针刺机的速度、幅宽大大的得以 改进。其产品应用范围由毡、地毯等发展及汽车工业。1 9 7 5 年， 美国的詹姆斯亨特公司设计了一台高速平衡针刺机，转速达到 8 0 0 r m i n 。随着非织造布工业的发展，新技术、新材料的广泛应用， 现代针刺机的各项性能已有很大提高，如奥地$ 1 f e h r e r 、德国d i l o 、 法国a s s e l i n 以及亚洲的日本和台湾地区的一些公司。针刺机设备 向大幅宽、高效高速、机电一体化发展。当前最大针刺幅宽为 1 6 5 m d i l o 公司和f e h r e r 公司的d l - l o o m - o d 兀c s c 2 5 与n l 3 0 0 0 型 高性能针刺机的针刺频率分别高达3 3 0 0 r m i n ，3 0 0 0 r m i n 。大多公司 的交叉折叠铺网机最高速己达1 5 0 m m i n 。如奥地利f e h r e r 公司 v 1 2 r k l 2 气流铺网机幅宽可达5 4 m ，纤网平方米克重2 0 2 0 0 9 m z 每米工作宽度产量从2 0 0 k g h 提高到3 5 0 k g h , 用于轻定量纤网生 产的v 2 1 k k 2 l ( 2 0 1 3 0 9 m z l 气流成网机，其出网速度高达 1 5 0 m m i n 德国斯宾宝s p i n n b a u 公司的r a n d o m 3 型梳理机纤网的纵 横比可在l ：l l ：2 0 间调节。 第一节针刺非织造基布的生产工艺 一般针刺非织造基布的生产都采用以下工艺流程： 纤维的开松，混和一梳理成网一针刺机予剌一针刺机主刺( 多 道) 一末道针刺一后整理加工 具体的生产工艺分析如下： 一纤维的开松，混和 用于合成革基布的纤维一般是多种纤维混合而成，为使合成革 在感觉上更具有良好的特性，如弹性，抗折性及有一定的刚度， 同时又能满足后整理的要求，如在化学结构上要求纤维在d m f ( 二甲基酸胺) ，甲乙酮，环乙酮等有机溶剂中不溶胀，更不能 溶解，可选用的纤维有涤纶，涤锦，锦纶等，尤为常用的是涤 台成革针刺基布生产工艺及性能的研究第一章 锦纤维混合物( 锦纶提供弹性和柔软性) ，也常包含些高收缩纤 维，它可通过后整理提高织物的密序纤维的纤度一般低于3 d ， 越细越好，长度在51 6 5 r a m 为宜。 纤维的开松混合决定各纤维成分的分布，对各纤维的混合均匀度 有重要影响。因此，纤维的开松混合对基布的性能有着密切的关 系。 二梳理成网 纤维梳理后成网有多种方法，诸如机械成网，气流成网法等。 作为合成革基布的非织造布，在生产中一般选用机械成网比较适 宜，因为在克重较大时，机械成网可获得比气流成网均匀度更好、 强力更高的产品，这是保证合成革质量的重要条件。纤维束在梳 理机中被松解，伸展，混合而成为均匀的纤网，然后以单层( 克 重小) 或多层交叉折叠形成网层，通过交叉折叠成网一方面满足 织物达到不同克重和不同幅宽的要求，而且可以改变纤维在纤网 中的排列方向从而调节纵横向强力比，多层纤网叠加可以改善由 于单层纤网重量不匀而造成的不匀，从而减小了织物的重量不匀 率，还可以调节梳理纤维分布的均匀以及各成分纤维的混合均匀 l l 。这些优点对合成革基布非常重要，因为合成革基布要求其纵 横向强力比小，所得织物的重量不匀率，厚度不匀率要小。如何 调节梳理成网机各工艺速度达到设计的要求与产品和具体的生产 设备有关。 三予针刺 将纤维网进行主刺前的予刺主要目的是让纤维进入主刺时减 少纤维网的意外牵伸和变形，提高所得织物的重量均匀度，保证 纤网进入主刺时具有一定的强度。予刺机工序各参数对成品质量 有很大的影响。对刺针( 刺针的型号，规格) 、针板上刺针的分布 以及针刺参数( 针刺密度，针刺深度，针刺频率等) 的选择都需要 合理的安排“。 予刺机各工艺参数调节，应遵循尽可能小地破坏纤网的均匀度 和取向为原则。在生产合成革基布时，应避免蓬松纤网的过度牵 伸，以保证最终产品具有较高的密度和均匀度。予刺的密度一i 易 过小，使其在后道主刺时不会造成过大的牵伸。 四主刺 在予刺机工序后，随着是相互紧连的几道主刺机进行主刺。主 o 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究- 第一章 刺机过程可从两面进行选择，穿透的深度从第一台针刺机到最后 一台针刺机逐渐减小这样织物就一步步地加固，最终一个平滑 而密集的产品形成了。在主刺过程中，针刺的道数。针刺密度的 分配，针刺深度，刺针的选择、针布的排列方式都织物的结构、 外观、性能有决定性的影响。纤网在织物中的分布，织物的物理 性能，外观质量等度在针刺过程中实现。例如，达到一定的针刺 密度赋予织物一定的强力等物理性能，利用合理的针刺工艺，适 当增加针刺道数可增加织物强力的同时改善织物的外观性能等。 如何成分合理地应用针刺各参数得到最优性能的产品，对针刺过 程进行系统、彻底地研究探讨是很有意义的。 作为合成革生产线的主刺机问题，具体的各机种的安排配置视 具体情况而定可以设计不同的基布生产方案。 五基布的后整理 针刺后的非织造布进行进一步的后整理，主要目的有：一方面 增加针刺基布的强度和尺寸稳定性；另一方面是增加织物的密 度，消除针孔，增加织物表面的平滑性。 基布的后整理是化学的机械整理工艺( 如织物的热湿处理 等) 。后整理工艺具体有：收缩轧光，p v a 浸渍，抛光，p u 浸渍， p u 干燥处理涂层，表面整理等。化学浆料p v a 浸渍可使纤维与浸 渍进去的p u 隔开，当在加工过程中用热水再把p v a 洗去后，则产生 一种离型效果，可增加合成革的柔软性和撕裂强度。例如：利用 收缩纤维的热收缩性可使纤网具有较高的密度，增加毛细管作用 力来改进其吸水能力，减小其尺寸变形性，从而使合成革更接近 于天然皮革；后整理中，保持织物的孔隙度是至关重要的，这点 一直要贯穿在后整理整个工序过程，它是保持透气性，改善吸湿 性的保证，为此，在加入粘合剂时，要使其均匀分布和被网均匀 吸收，通过使用有孔眼的滚筒，在收缩，洗涤和烘干时，粘结剂 被吸到网里，同时将空隙嵌平，透气性和吸湿性全部保留；织物 的磨光和剖层是使网表面更平整光滑，减少p u 的涂敷量，同时改 善合成革的表观性能。 当然，针剌基布的后整理部分，其具体采取的措施视基布的规 格要求而定。通过后整理改善基布的性能是很必要而且是相当切 实可行的。 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究第一章 第二节影响合成革针刺基布性能的主要工艺参数 一、合成革对基布的要求 纤维的类型与规格、基布种类、后整理工艺是生产合成革的关 键所在。针刺非织造布与p u ( 聚氨脂) 结合生产高档p u 草是合成革 的发展方向。然而，作为合成革的针刺非织造布有着特殊的要求。 ( 以湿法工艺为例) 湿式合成革生产工艺流程长，一般在1 3 0 m 以 上，基布在整条生产工艺流程中所承受的拉力很大；而且后整理 工艺对基布也有相当的要求：基布的表观性能对合成革的外观质 量影响很大。为此p u 合成革对基布有以下要求【l 副： 1 高的拉伸( 撕裂) 强力。一般要求经向 2 5 0 n 3 c m x 2 5 c m ：纬 向 1 8 0 n 3 c m x 2 5 c m ；经纬向强力比 h 。则十分显著；r * f k f qo t 则显著；f * r * 则不显著 合成革针l o 基布生产工艺及性能的研究第三章 x 3 - d l i ho fn e e c l l ep e n e i r a c b n 圈3 ：针捌潦度对羞布量度的影响 cx i = x 2 = - x 4 = o 水平) 2 n 2 1 0 1 2 七一柏盛w 。盅2 圉t 织物平方糖重与针捌密度对基布厚 ： 度( m ) 的影响 随着针刺密度的增加，更多的 刺针作用于纤网上，使纤网逐渐紧 密，纤维之问的摩擦纠缠加强，纤 网表层的纤维随着刺针的针刺作 用进入纤网内层，由于纤维的纠缠 抱合力的增强，纤维由于应力的回 弹到初始状态的可能变小了。纤维 被所锁定在新的位置，致使织物厚 度逐渐下降。 。翌恶唑，监唑璺芝艘!但是，随着针刺密度的进一步 睇；5 萋! 磊廖附捌深度对基柑犀度增戒篡磊爵蔡釜爱箱墓菇茄到二的影响瑁刀，基币嗣禁崔发彳h 继瑁加到一 定程度后趋于稳定，基布的厚度也 保持不变。这时针刺密度的继续增加势必会导致纤网中表层纤维 的损伤，而且损伤的纤维还主要保留在基布表面，纤维的变短使 其回弹性能增强，纤维之间的束缚减弱，这样基布的厚度有回升 的趋势n “。 3 、针刺深度对基布厚度的影响 对厚度回归方程式中令x 。= x ：- - - 0 ，则有 y = i 3 0 7 5 0 0 5 5 4 x 3 0 0 0 5 2 9 x 。一0 0 0 9 4 x 3 x 4 0 0 0 2 2 x ? 一0 0 0 9 7 x , 2 对上式进行绘图分析( 图3 ) 可以得到，针刺基布的厚度随着针 刺深度的增加而明显的降低。这可以这样解释；由于针刺深度的 增加，刺针作用于纤网的工作长度增加，同时作用于纤网的刺针 倒刺数量增加，纤网中表层纤维随着刺针进入纤网内层的程度加 大，纤维在垂直方向上的数量增加，纤维在垂直、水平方向上的 刺2 ， 0 七 愆 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究第三章 联系加强，彼此之间的束缚加大，纤维回弹到初始位置的可能变 小，结果基布的厚度下降。 4 、针刺工艺参数的交互作用的影响 从表3 我们可以看到针刺深度对基布的厚度有相当显著的影 响，针刺密度对基布厚度影响并不显著，而与针刺深度的交互作 用对基布厚度有显著影响。不考虑其他因素的情况下，针刺基布 的厚度随着织物克重的增加而明显的加大，而其又随着针刺密 度、针刺深度的增加而逐渐下降。然而基布的生产是针刺工艺参 数的同时作用而生产的。考虑到各因素对基布的交互作用，从图 4 ，图5 我们可以看到：基布的厚度随着针刺密度、基布克重的增 加，在基布克重较低的情况下曲线的斜率( 针刺密度基布克重) 较小，这说明针刺密度对基布厚度影响占优势，当基布克重继续 增加时，基布克重对厚度的影响逐渐明显，从这点上也说明了基 布克重的增加，为使基布达到应有的性能则要较大的针刺密度； 基布厚度随着针刺密度、深度的增加而明显减少，这从两因子对 基布厚度影响中可得到很好解释。 二、各因子对基布强力( 纵横向) 的影响 约定：从试验结果可以看到，基布的纵横向强力随针刺工艺参 数的变化趋势相同，为此就须仅对基布的横向强力进行分析，其 结论对基布纵向强力一样有效。具体分析如下： l 、织物克重对基布强力的影响 由试验数据所得的回归方程，) ( 3 = x 。= 0 ，得到基布与织物克重、 针刺密度之间的关系如下式，画图为图9 ： y = 5 1 8 3 3 3 3 + 5 3 3 3 3 3 x l + 2 6 6 6 6 7 x 2 + 3 7 5 x l x 2 + 1 7 7 0 8 3 x a 2 - 8 5 4 1 7x 2 2 为了更好解释基布受其生产工艺参数的影响，我们首先分析一 下针刺基布的拉伸断裂过程：针刺非织造布的拉伸断裂实际是针 刺织物中不同纤维束在不同时间的断裂过程。针刺织物在拉伸力 作用下，其内部纤维之间产生不同程度的滑移而形成不同的纤维 束，随着拉伸力的不断增加，有些纤维束由于不能承受其拉力出 现断裂，同时又形成别的纤维束，但是由于拉伸力的不断增大， 基布内部纤维形成纤维束的时间愈来愈短，纤维束中纤维的数量 也就逐渐减少，基布断裂程度加剧，最终造成基布全面的断裂。 从针刺基布断裂过程可以看到，要想提高基布的拉伸强度，一方 面要求基布能提供一定的伸长能力，使基布在受到强力拉伸时能 台成革针刺基布生产工艺及性能的研究第三章 及时形成纤维束。另一方面要求基布中纤维的分布均匀( 即针刺 织物的结构要好) ，这样基布在拉伸过程中不易形成“弱点”“。 ia 怕口州i 口mu | e c n j 一 硝f a b l k ：w 吨批 x 2 n e e d l ed e n o 呻 田b ：织物克置对基布强力的影响田t ：针捌犍对基布强力韵影响 ( 1 2 - 0 ：x 3 = x 4 = 1 水平)( i i = x 3 = x 4 = o 水平) 上图6 表明，基布的横向强力随着织物克重的增加而显著增 加。织物克重的增加导致基布强力的上升，有两种解析：第一种 可能为在其他针刺工艺条件不变的情况下，基布克重的增加，使 纤网中单位面积内纤维数量增加，纤维之间的摩擦阻力增加，使 纤维在针刺过程中不易随刺针作用重定向滑移进入纤网内层，致 使织物结构相对蓬松，在织物拉伸过程中，由于纤维数量较多， 这样在织物内部易形成较大的纤维束，在拉伸力较大的情况下， 纤维也易摆脱彼此的束缚产生较多的滑移，从而提高了织物的强 力，这时织物的断裂伸长率较大。第二中可能是织物克重的增加， 纤维之间的摩擦阻力增加，在拉伸过程中形成较大纤维束的同 时，织物的紧密度迅速增大，织物强力也迅速上升，此时纤维之 间的滑移大大减少，使得织物的断裂伸长率下降。另外，由于织 物克重的增加，在前道铺网工序中，纤网层数增多，也提高了纤 网的均匀度，减少了织物在拉伸过程中形成“弱点”的可能。 2 、针剌密度对基布强力的影响 图7 中所示，针刺密度的增加，基布的强力也随之增加，达到 一峰值后趋于下降。这可以这样解释：随着针刺密度的增加，使 基布单位面积内所受的刺针作用数量愈多，刺针的倒刺带着纤网 表层纤维重定向进入纤网内层的数量增大，这样纤网中水平、垂 直两方向上的纤维之间的联系、锁合加强了。同时在针刺力的作 用下，织物的紧密度大大提高。这样在织物拉伸过程中，纤维之 间滑脱减少，织物的强力提高，其断裂伸长率下降。 随着针刺密度的进一步提高，织物的紧密度不再随之增加，纤 维之间的束缚使纤网的纤维不能随着刺针作用而产生滑移，使刺 针损伤纤维的数量迅速增加，反而影响了织物的强力。 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究第三章 作为合成革基布，其 要求在保证基布有一定 的伸长条件下，有尽可能 大的强力性能，织物具有 较好的手感。但是单纯增 加针刺密度以提高织物 的强力，一方面会使之物 的紧密度大大增加，织物 的手感变硬，织物的伸长 。x 3 ) e p t h 0 f n e e d | e p e m 怕i 确 性能减小。另外针刺密度 匦l o ：针剌密度与针赫凉度对基都强力的影响 的提高其损伤纤维的程 度也增加，这样通过提高针刺密度改善织物强力性能也是有限 的。为了解决这一矛盾，可以通过增加针刺道数来实现，针刺道 数的增加，每一道的针刺密度相对较低，使基布单位面积内所受 的针刺数减少，纤维在针刺过程中能产生足够的滑移，从而减少 了刺针对纤维的损伤，同时，由于针刺道数的增加，纤网中针刺 密度分布更为均匀，这样纤网中纤维在水平、垂直方向上的分布 也较好，基布的结构得到改善。从而在提高基布强力的同时，又 改善了基布的其他性能。但是，针刺道数的增加，工艺方面会造 成织物的意外牵伸加大，工艺参数增多，给生产设计带来一定的 难度，更重要的是针刺道数的增加势必造成生产投入的大大增 加，而且生产率受到影响，这样导致产品的生产成本的增加。如 何优化现有针刺工艺参数，以提高产品的质量，降低生产成本， 提高生产效率，这也是本课题试验意义的所在。 5 、针刺深度对基布强力的影响( 见图8 ) 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究第三章 基布的强力随针刺深度的增加而逐渐增加达到一峰值后逐渐 下降。随着针刺深度的增加，一方面针刺的倒钩通过纤网作用于 纤维在垂直方向的行程增加，使其带入纤网内层的纤维重定向加 剧，在垂直方向上纤维增多，纤维在垂直、水平方向上的联系加 强，织物的紧密度提高，织物的纵横向强力得到提高，纵横向强 力比得到改善。另一方面，由于针刺深度的增大，作用于纤网的 刺针倒钩数增多，使得纤维在垂直方向上数量增多的同时也增加 了纤维的断裂。这样过大的针刺深度导致织物强力的下降。同时， 针刺深度的太大，使刺针在针刺过程中可能从基布的一面穿透基 布，并将纤维带出，影响了基布的表面性能。 针刺深度对基布性能的影响主要是通过改变纤网中纤维的分 布( 即基布的结构) 来实现。如何利用针刺深度使得纤网垂直方 向上数量增多的同时又不过分损伤纤维，而且基布内纤维在垂 直、水平方向保持紧密的联系，从而获得良好的织物内部结构和 外观，这也是合成革基布的基本要求。 考虑到各因子对基布强力交互作用的影响，从表3 及图9 ，l o 可以看到，各因子的交互作用对基布的强力性能影响并不显著， 而针剌深度的二次效应对基布的强力性能有显著的影响，尤其是 随着针刺道数的增加，这也说明针刺道数工序的增加，基布的紧 密度增加，针刺深度的改变对基布中纤维的损伤有决定性的影 响，从这点上也说明随着针刺工序的进行，其针刺深度要逐渐减 少。在其他工艺参数给定的情况下，基布的强力性能随着基布克 重、针刺密度的增加有增加的趋势，而对给定基布克重条件下， 基布强力随针刺密度增加而增加有一峰值：基布强力随着针刺密 度、针刺深度的增加趋先增加后减小。这对给定基布规格指标克 重情况下，使基布的强力性能达到最值成为可能，为工艺的优化 提供了可行的理论依据 四、各因子对基布断裂伸长率的影响 1 、织物克重对基布断裂伸长率的影响 如图所示，由于基布纵横向的断裂伸长率的变化趋势相同，以 下仅分析横向断裂伸长率受各因子的影响，在基布横向断裂伸长 率的回归方程中，令x 。= x 。= o 得 y = 3 9 7 5 + 0 0 4 1 6 7 x l 一1 4 5 8 3 x 2 0 3 1 2 5 x 1 x 2 十1 0 5 2 i x 。2o 3 2 2 9 x ： 对上式进行计算机画图( 见图1 4 ) ，具体分析如下： 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究第三章 固1 3 ：针刺棵度对基布断裂伸长率 的影响( ( 1 = 1 2 - - o ；x 4 ：1 ) 3 7 瀚 j，4 5 - 21012 硝- f a b r i c w e i g h t 固1 4 针柬t 密度和织物平方米克盂对基布断 裂伸长率的影响 从图1 1 中我们可以看到，织物的断裂伸长率随着织物克重的增 加而增加。这在前面分析基布克重对基布强力影响情况中，本次 试验支持第一种观点。这可能是本次试验中的针刺密度不高的原 因，当针刺密度较大的情况下，织物的紧密度大，则出现第二种 情况的可能性要大些。 从表3 中可以看到，基布克重对基布的断裂伸长率影响中一次 效应并不显著，而其二次效应显著，这说明基布克重对基布断裂 伸长率影响为非线性的影响，在相同条件下，相对其它因子而言 其对基布断裂伸长率的影响。 2 、针刺密度、针刺深度对基布断裂伸长率的影响 对基布断裂伸长率性能回归方程中令x 1 _ x 。= o 则有： y = 3 9 7 5 1 4 5 8 3 x ：i 2 9 1 7 x 3 + 1 0 6 2 5 x 2 一o 3 2 2 9 x 2 2 - 0 0 7 2 9 x ，2 合成革针剌基布生产工艺及性能的研究第三章 从图1 2 ，1 3 中可以看 到，基布的断裂伸长率随着 针刺密度、针刺深度的增加 而减少。具体原因见上面对 基布强力的分析。另有一种 观点认为，随着针刺密度和 针刺深度的增加，刺针对基 布中纤维的损伤加大，使纤 网中纤维的主体长度有所 。跫也唑曼攫鲤盘竺! 粤n 下降，纤维在织物的拉伸过 勘5 豁望铲搬针。鞴密度对基布断烈帐率表莘：葬蕹高落荔苌茬暑薪的影响程甲，计难明精移长发伺所 降低，从而使基布的强力、 断裂伸长减少。”。 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究第四章 第四章实验的优化验证 第一节数据的优化处理 一、优化数学模型的建立 优化的目的是求出在满足给定的约束条件下，寻求工艺的最 佳方案。为此，首先我们得将最优问题表示成数学模型，其次是 根据数学模型，采用一定的优化方法。求出最优解。 作为合成革基布，根据其性能及后整理的加工要求：机械性 能方面，在保证基布一定的伸长条件下，有足够高的强力，而且 基布的纵横向强力比不超过1 ：2 ( 一般实控l ：1 4 左右) ；外观 性能方面，要求基布的厚度不匀率尽可能小，基布外观平整，手 感柔软。 为此，我们可以将其强力的回归方程作为目标函数，将其余 指标的回归方程y i ( x ) 作为约束条件。在满足约束条件的情况 下，求其强力的最大值。 基布的强力有纵横向之分，若对基布的纵横向强力都进行优 化，则出现多目标函数，多约束条件的优化问题，而且基布的纵 横向强力有一定的关系，能否化一个强力方程为约束条件呢? 一般情况下，基布的纵向强力比横向强力要大，而且随着横 向强力的增加而增加，基布纵横向强力比随基布的生产工艺不同 而不一。作为合成革基布，一般要求其纵横向强力比控制在1 ： 2 范围内。因此，我们可以将基布的横向强力回归方程作为优化 的目标函数，将纵横向强力比= 1 ：2 为约束条件，从而优化为单 目标函数问题。 现对目标函数基布的横向强力y ，( x ) 方程进行分析。如依 次对方程中的四个因子任意取其中三个为零水平，可发现各单因 子对基布强力的影响呈抛物线规律。例如设x 。= x ，= x 4 = o ，则有： y 3 = 5 1 8 3 3 3 3 + 2 66 6 6 7 x 2 85 4 1 7 x 2 2 这说明，各设计因子对基布性能影响有极值点。当考虑到各 影响因子的交互作用时，发现多因子及其交互作用对基布强力的 规律为空间的抛物曲面，只有当各因子达到极值点时，才能达到 合成革针刺基布生产工艺及性能的研究- 第四章 工艺的最优。以上因子的变化趋势为工艺优化提供了可行的依 据。 对于基布的平方米克重( x ，) ，令x 2 _ x ，= x = 0 ，有： y = 5 1 8 3 3 3 + 5 3 3 3 3 x i + 2 70 8 3 x 1 2 上式表明基布的强力随基布克重为抛物递增关系，没有上限。 但作为合成革基布产品，基布的平方米克重是作为基布的规格参 数，因此在生产设计中是给定的。为此我们可以在给定基布的平 方米克重下，进行针刺工艺的优化。 经过上述分析，得到针刺工艺的优化数学模型为： 目标函数： y 3 = 5 1 8 3 3 3 + 5 3 3 3 3 x l + 2 6 6 6 7 x 2 + 1 55 8 3 x 3 33 3 3 ) ( 4 + 3 7 5 x l x 2 - 6 2 5 x 1 x 3 - 2 2 ，5 x l x 4 十5 x 2 x 3 + 3 7 5 x 2 x 4 - 2 6 ，2 5 x 3 x 4 + 1