（纺织工程专业论文）玄武岩纤维及其针织物尺寸性能的研究.pdf

玄武岩纤维及其针织物性能的研究 摘要 连续玄武岩纤维( c o n t i n u o u sb a s a l tf i b r e 简称c b f ) 是前苏联多年研究开发的高 科技纤维，近几年，中国也拥有了玄武岩纤维的批量生产线。与其他高性能纤维相比， 玄武岩纤维综合性能优异、性价比高，应用领域广泛，极具发展前景。因此，对玄 武岩纤维进行研究具有一定的现实意义。目前，对于玄武岩纤维的研究主要是集中 在生产制备技术，而对玄武岩纤维性能以及在针织方面的研究还很少。本课题对玄 武岩纤维及其制品的研究，旨在进一步加深对玄武岩纤维性能的认识与了解，并在 纬编针织工艺方面做出新的尝试与研究，以期使玄武岩纤维得到更大的应用及发展。 论文主要从以下几方面进行研究。 1 对玄武岩纤维及其纱线的各项性能指标进行测试和分析，包括玄武岩纤维强 力分布，玄武岩纤维纱线的拉伸性能，耐酸碱性以及热稳定性等以综合分析玄武岩 纤维及纱线的各种性质。 2 对玄武岩纤维纱线上机编织工艺进行研究，通过对纱线在织针上的钩折强度 以及线圈效率的定义，选择合适机号的手摇横机，采用两种不同规格的纱线编织四 种有代表性的组织结构，考察不同的工艺参数对编织过程和织物外观质量的影响。 3 对玄武岩纤维针织物进行尺寸性能以及线圈形态的研究，通过对玄武岩纤维 针织物进行各项尺寸参数的测试，分析织物密度参数与线圈长度倒数的关系以及织 物的尺寸稳定性，力图实现织前对织物尺寸的预测。同时，通过观察织物中线圈的 形态讨论了玄武岩纤维纱线对线圈结构的影响。 4 对玄武岩纤维损伤程度进行研究，提出了玄武岩纤维损伤程度的定量评价方 法，分析讨论了不同规格玄武岩纤维纱线在不同组织结构情况下，纤维损伤随线圈 长度变化的趋势，发现存在一个最佳工艺点，在该点纤维的损伤最小，这为选择合 理的玄武岩纤维编织工艺提供了依据。 硕士研究生宋鹏飞( 纺织工程) 指导教师王秋美教授 关键词：玄武岩纤维：针织物；尺寸稳定性；可编织性 s t u d y o np r o p e r t i e so fb a s a l tf i b e r sa n dk n i t t e df a b r i c s a b s t r a c t c o n t i n u o u sb a s a l tf i b e r ( c b f ) i sah i g h t e c hf i b e rp r o d u c e db yt h ef o r m e rs o v j e t u n i o na f t e ry e a r so fr e s e a r c h i nr e c e n ty e a r s ，c b fc a nb ep r o d u c e di nq u a n t i t yi nc h i n a c o m p a r e dt oo t h e rh i g h - p e r f o r m a n c ef i b e r s ，c b fh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sg o o d i n t e g r a t e dp e r f o r m a n c e ，h i g hc o s t - e f f e c t i v e ，w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n s ，w o n d e r f u l d e v e l o p m e n tp r o s p e c t sa n ds oo n t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha c t i v i t i e so ft h ec b fi sv e r y p r a c t i c a ls i g n i f i c a n t a tp r e s e n t ，t h es t u d yo fb a s a l tf i b e rp r o d u c t i o ni sm a i n l y c o n c e n t r a t e do nt h ep r e p a r a t i o no fb a s a l tf i b e r s ，h o w e v e r , l i t e r a t u r e sa n dm a t e r i a l sr e l a t e d t op r o p e r t i e so fb a s a l tf i b e r sa n di t sw e f tp r o c e s sa r es t i l ll i m i t e d t h et h e s i sa i m sa t g r a s p i n gt h ep r o p e r t i e so fb a s a l tf i b e rm o r ed e e p l ya n dm a k ean e wt r yo nw e f t k n i t t e d t e c h n i q u e s t 1 1 i ss u b j e c td o e ss o m er e s e a r c ho nb a s a l tf i b e r si nt h ef o l l o w i n g s 1 s e v e r a lp r o p e r t i e so fb a s a l tf i b e r sa n dy a r n s s u c ha ss t a t i s t i c a la n a l y s i so nt h e t e n s i l es t r e n g t ho fb a s a l tf i b e r s ，t e n s i l ei n t e n s i t y , c h e m i c a lr e s i s t a n c e ，t e m p e r a t u r e r e s i s t a n c ee t c w e r ec a r r i e do u ta n da n a l y z e d ，a n dt h e nt h ek n o w l e d g eo fs p e c i a l p e r f o r m a n c eo f b a s a l tf i b e r sc o u l db eo b t a i n e d 2 s t u d yo nt h ep r o c e s so fk n i t t i n g 砀ea p p r o p r i a t eg a u g eo fh a n df l a tk n i t t i n g m a c h i n ew a sc h o s e nb a s e do n1 0 0 pe m c i e n c ya n dl o o ps t r e n g t h i na d d i t i o n , s e v e r a l r e p r e s e n t a t i v es i n g l e f a c e df a b r i c sa n dd o u b l e f a c e df a b r i c sw e r ek n i t t e du s i n gb a s a l t f i b e ry a m sw i t hd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n s i ta l s or e p o r t e dt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tk n i t t i n g p a r a m e t e r so nt h ep r o c e s so fk n i t t i n ga n da p p e a r a n c eo rq u a l i t yo ff a b r i c s 3 s o m ed i m e n s i o n a lp a r a m e t e r so ff a b r i ck n i t t e da b o v ew e r et e s t e da n dt h e i r d i m e n s i o n a lp r o p e r t i e sa n dt h el o o ps h a p e sw e r es t u d i e d ，i n c l u d i n gt h ed i m e n s i o n a l s t a b i l i t ya n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nf a b r i cd e n s i t i e sa n dt h el o o pl e n g t h s i nt h i sw a y , t h e d i m e n s i o n so ft h ef a b r i c sc a nb ep r e d i c t e db e f o r ek n i t t i n g f u r t h e r m o r e ，t h ea u t h o r o b s e r v e dt h es p e c i a ll o o ps h a p e si nb a s a l tf i b e rf a b r i c sa n dd i s c u s s e dt h ee f f e c to fb a s a l t f i b e rp e r f o r m a n c eo nl o o pg e o m e t r i c a ls t r u c t u r e 4 s t u d yo ne v a l u a t i o no fb a s a l tf i b e rd a m a g ed e g r e e n eq u a n t i t a t i v em e t h o du s e d f o re v a l u a t i n gt h ef i b e rd a m a g ed e g r e ew a sp r e s e n t e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ef i b e l d a m a g ea n dt h e1 0 0 pl e n g t h sw e r ea l s oa n a l y z e d t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h e r ei sa n o p t i m u mp o i n ta tw h i c ht h ef i b e rd a m a g ei sm i n i m u md u r i n gt h ek n i t t i n gp r o c e s s t l l i si s h e l p f u lt oc h o o s et h er i g h tl o o pl e n g t h sb e f o r ek n i t t i n g s o n gp e n g f e i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gq i u m e i k e y w o r d s ：b a s a l tf i b e r ；k n i t t e df a b r i c ；d i m e n s i o n a ls t a b i l i t y ；k n i t t a b i l i t y 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 日期：) 稍年6 月7 了日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密日 ( 请在以上方框内打“妒，) 论文储躲霖鹏佴嗍瑚年6 即日 导师签名： 一 亨 忻乏灰 日期：洲年占月io b ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 5 8 第一章绪论 第一章绪论 纺织结构复合材料自上个世纪4 0 年代起便得到越来越多学者们的研究与关注， 复合材料的应用范围在不断扩大，人们对复合材料的性能要求也在不断提高。在复 合材料的纺织纤维选择中，人们往往选择使用一些高性能纤维来整体提高复合材料 的性能。玄武岩纤维是近年来研究开发的新型高性能纤维，它的出现也得到人们的 广泛关注，玄武岩纤维的基本性能得到一定的研究。机织物和编结织物是较为常用 的纺织复合材料的增强结构，近些年来，针织物由于结构设计灵活，易于制作复杂 形状的构件等优点而受到人们越来越多的重视。由于针织物是由线圈组成的，在各 种高性能纤维的利用和编织中会产生一定的困难和问题，并且对于高性能纤维针织 物尺寸特性的研究也是比较欠缺的。因此，高性能纤维的可编织性及其针织物性能 的研究己成为针织增强结构复合材料领域一个重要的研究方向。由于玄武岩纤维具 有较高的拉伸强度、弹性模量以及较好的化学稳定性和独特的热稳定性，并且与基 体有着良好的黏合力，所以，对玄武岩纤维的可编织性及其针织物性能的研究，对 于拓宽玄武岩纤维的应用以及研制和开发新型纺织复合材料具有重要的理论意义和 实际意义。 1 1 连续玄武岩纤维的研究现状 众所周知，地壳由火成岩、沉积岩和变质岩组成。玄武岩属于火成岩的一种， 是以s i 0 2 和a 1 2 0 3 为主的矿物岩石。连续玄武岩纤维( c o n t i n u o u sb a s a l tf i b e r ，以下简 称c b f ) 就是以天然玄武岩矿石作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1 4 5 0 - - 1 5 0 0 熔融后，通过铂铑合金漏板拉丝而制成的连续纤维。玄武岩纤维一般可分为普通玄 武岩棉、超细玄武岩纤维和c b f 。目前，c b f 的研究重点在c b f 的制备和应用上。 与碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维等其它高科技纤维相比，c b f 具有 许多独特的优点，如突出的力学性能、耐高温、可在2 6 9 6 5 0 范围内连续工作， 耐酸碱，吸湿性低，此外，还有绝缘性好、绝热隔音性能优异、良好的透波性能等 优点。以c b f 为增强体可制成各种性能优异的复合材料，可广泛应用于航空航天、 建筑、化工、医学、电子、农业等军工和民用领域，故c b f 被誉为2 1 世纪的新材料【l j 。 1 1 1 国外研究动态 以玄武岩为主要原料生产的岩棉自从1 8 4 0 年首先在英国威尔斯试制成功到现在 已有1 6 0 多年的历史。前苏联莫斯科玻璃和塑料研究院于1 9 5 3 1 9 5 4 年开发出c b f 【2 j 。 1 9 5 9 年德国人报道有关玄武岩棉的生产装置。上个世纪6 0 7 0 年代，全苏玻璃钢与玻 璃纤维科研院乌克兰分院根据前苏联国防部的要求，着手研$ 1 j c b f 。乌克兰建筑材 青岛大学硕士学位论文 料工业部设立了专门的别列切绝热隔音材料科研生产联合体，主要任务是研锘i j c b f 及其制品制备工艺的生产线。联合体的科研实验室于1 9 7 2 年开始研制制备c b f ，曾 经研制出2 0 多种c b f 带i j 品的生产工艺【3 1 ；1 9 8 5 年，c b f 研制成功并实现了工业化生产。 由此可知，c b f 开发成功和投入生产的历史有2 0 年左右。在这期间，乌克兰、俄罗 斯、美国等几个国家都陆续建立起了c b f 铝i j 造工厂。2 0 0 3 年美国军方收购了其国内 一个创办不久的产能1 0 0 0t ac b f 的生产工厂，现在这个厂c b f 产能已经扩大到 4 0 0 0 f f a ，其c b f 产品1 0 0 用于国防军工。继前苏联之后，近几年来，国际上如美国、 日本、德国等一些科技发达国家都加强了对c b f 这一新型非金属无机纤维的研究开 发，并取得了一系列新的应用研究成果。 1 1 2 国内研究动态 我国开展c b f 的研究较晚，发展迟缓，但近几年，随着对其需求加大，c b f 迎 来了自己发展的黄金时代。2 0 世纪9 0 年代中期，南京玻璃纤维研究设计院最早在中 国开始c b f 的研究，专注于适合充当隔热材料的超细玄武岩纤维，主要用于战斗机 的发动机外壳等军工用途，但目前仍然停留在实验室阶段。2 0 0 2 年1 1 月我国将“c b f 及其复合材料”批准列为国家8 6 3 计划( 2 0 0 2 a a 3 3 4 1 1 0 ) ；2 0 0 3 年该8 6 3 计划成果与浙 江民营企业对接成立了横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司。该公司经过1 年多的 研究实验，克服了氧化还原不好等技术难题，掌握了c b f 生产所有工艺技术。2 0 0 4 年开始在上海实现产业化，目前技术己经达到国内领先水平，部分技术达到国际先 进水平和领先水平【4 】。从而为今后大规模稳定生产c b f 奠定了基础。目前，国内许 多厂家相继立项生产c b f ，其中黑龙江省宁安镜泊湖c b f 有限公司产能1 万讹耐碱 c b f 项目已经投产，主要产品为耐碱c b f 原丝、纺织纱、短切纤维薄毡、无捻粗纱 网布以及f r p 筋等。 c b f 研究的前期集中在其制备工艺上，经过各国科研人员的共同努力，c b f 的 制备工艺取得了重大突破。目前，工作重点是c b f 的制造设备和应用，衡量设备先 进与否的一个主要指标是拉丝漏板的孔数，国外工业化国家已普遍采用4 0 0 - - 8 0 0 孔 大漏板的拉丝工艺，而国内多数单位还主要采用2 0 0 孑l 的拉丝工艺。国) - c b f 主要应 用在军工方面，民用方面的应用鲜有报道【5 】。目前，国内除个别单位掌握了c b f 的 制备工艺，多数单位的技术还很不成熟，对c b f 的应用也还处于探索阶段。 1 1 3c b f 的制各 根据熔融原料所使用的容器不同，生产c b f 的方法包括坩埚法和池窑法【6 1 。 坩埚法是把原料制成配合料加入球窑内，高温熔融、澄清均化、制成球，再将 球加入坩埚内重新熔融，经坩埚底部的漏嘴流出，被拉制成纤维。目前c b f 的生产 2 第一章绪论 基本上不采用这种方法。 池窑法又称直接法。它是把原料制成配合料加入窑内，经过高温熔融、澄清均 化，熔体直接流入成型通路，经漏嘴流出后被拉制成纤维。目前，国内工业化生产 c b f 都采用这种方法。 跟坩埚法相比，池窑法省去了制球工序，因而过程简单。加上池窑法具有节能、 污染少、体积小，占地少，成品率高，废丝少等优点。所以，坩埚法已经基本上被 池窑法取代【7 1 。 北京建筑工程学院城建系的闰全英、高春梅【8 】通过实验室实验，开发了一种c b f 的新的制备方法。该实验选取的玄武岩原料颗粒平均粒径在2 5 - - 3 9 m ，把装有玄武 岩的镍铬合金漏板氧化锆埚身的分体坩埚在电炉冷却状态下放入，通电，当电炉温 度达到l3 0 0 , - - - 13 5 0 时，将玄武岩熔体从坩埚的漏嘴中流出，形成圆形液滴，用玻 璃棒进行引丝，c b f 1 0 可获得。 1 2 玄武岩纤维在复合材料方面的应用 2 0 世纪9 0 年代之前，对玄武岩纤维的研究主要集中在玄武岩纤维的生产工艺及 其物理化学性能上，九十年代之后，就开始了对玄武岩纤维应用的研究，尤其是玄 武岩纤维复合材料的研究。玄武岩纤维复合材料主要分为玄武岩纤维增强材料和玄 武岩纤维声、热绝缘复合材料和玄武岩纤维抗摩擦复合材料。下面介绍它们的研究 动态。 1 2 1 玄武岩纤维增强复合材料 由于玄武岩纤维具有比普通玻璃纤维更高的拉伸强度、弹性模量以及更好的化 学稳定性和优良的耐久性，用玄武岩纤维制成的增强复合材料在强度方面与e 型玻璃 纤维相当，其它方面都优于玻璃纤维，并且与金属、塑料以及无机非金属材料等材 料具有良好的兼容性，在某些方面将有取代玻璃纤维作为增强复合材料的应用前景。 采用玄武岩纤维作为增强体制得的复合材料，主要根据其缠绕和编织、分布方 式及其填充混容物的不同而应用于各个领域。混容物一般用的是有机高分子或者无 机非金属材料以及金属、碳纤维等，通过有机粘合剂和矿物粘合剂或者纤维的改性 使其粘合。短切纤维及纤维肋、织物用作混凝土、水泥、沥青的增强体，使混凝土、 水泥、沥青的强度和韧性极大增强，且破碎性和对裂缝的敏感度减弱，可用于建筑 物和桥梁等的补强、加固、更新以及道路表面增强，机场起落跑道等【9 】。用玄武岩 纤维和织物浸渍树脂后缠绕为压力塑料管，可以使产品的物理及机械性能达到最佳 化，可用于输送石油、天然气、化学腐蚀液体和电缆管道，如用金属材料进行填充 可制得高压钢瓶。玄武岩纤维与树脂的粘合强度高于玻璃纤维，利用聚乙烯、聚丙 3 青岛大学硕士学位论文 烯为基体，通过环氧树脂粘合可制成高强性能的复合材料，可利用其纤维的吸湿性 应用于制造渔船、游艇船体和防腐、防水门窗，既达到了防腐、防水的效果又增强 了材料的强度【1 0 】。但这些复合材料的力学性能依赖于玄武岩纤维的含量和排列的方 向。为解决此问题，通过对玄武岩短切纤维聚酰胺复合材料的研究指出，复合材料 的结构随聚酰胺的量而改变，1 0 2 0 的聚酰胺同玄武岩纤维形成无序的网状结 构，这一性质极大地增强了复合材料的机械性而无需对纤维的长度和编织有更高的 要求，该研究成果大大降低了复合材料的成本。但该技术尚有许多缺陷，需要进一 步探烈1 1 】。目前对玄武岩纤维增强复合材料的研究主要集中在对其缠绕和编织、分 布方式上进行一系列的开发。如日本发明了一种汽车用的材料，其内外表面是由玄 武岩纤维编织的纤维板，而内层是由三维网状玄武岩纤维组成的骨架结构，骨架内 由热硬化性添加剂和聚亚胺酯填充，通过热挤压形成一种高硬、高强、易处理的材 料【1 2 1 。 1 2 2 玄武岩纤维声、热绝缘复合材料 4 玄武岩纤维的导热系数随纤维直径的减小而减小，随纤维密度的增大先减小后 增大，选用合适细度和密度的玄武岩纤维可使玄武岩纤维导热系数很低，此种玄武 岩纤维可作为热绝缘复合材料。同时由于此种玄武岩纤维的使用温度范围和抗震性 能优于玻纤，因此可应用于高温和超低温设备以及高温作业的防护服和低温保温服。 由于玄武岩纤维织成的板状和网状的结构具有多孔结构和无规则的排列方式，吸声 性能好，玄武岩纤维吸声能力随着纤维层厚度的增加和密度的减少而增强，玄武岩 纤维可制成声绝缘复合材料应用于航空、船舶、机械制造、建筑行业中作为隔音材 料。用玄武岩纤维还可以制造一系列兼备声、热隔绝性能的复合结构材料，这类材 料不燃烧，加热时不会分解出有害气体，工作温度可以达到6 0 0 7 0 0 ，在与其它 材料匹配使用时的工作温度可以达到1 0 0 0 ，在防火墙、防火门、电缆通孔等特殊 工业或高层建筑防火设施中大有其用武之地【1 3 1 。用玄武岩纤维做声、热绝缘复合材 料与玄武岩纤维产品选用及在复合材料中的结构有很大关联，k o d e r ak a - z u o 通过 适当的玄武岩纤维产品选用与树脂、碳纤维的混合编织，制得了性能优越的声、热 绝缘复合材料【1 4 1 。 1 2 3 玄武岩纤维抗摩擦复合材料 目前，最常用的抗摩擦复合材料的纤维为钢纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤 维、石棉纤维，但这几种纤维又各有其优缺点。例如钢纤维虽然强度较高、热稳定 性好，但比重大、易锈蚀、易损伤对偶；玻璃纤维虽然强度高、价格便宜，但在高 温时易熔化，会导致材料性能的下降，使摩擦性能不稳定；芳纶纤维和碳纤维虽然 4 第一章绪论 各方面性能优异，但其价格昂贵；石棉材料具有强度高、表面活性好、摩擦磨损性 能好、混合料分散均匀等优异的性能，但由于石棉是一种危害人类健康的致癌物质， 且石棉粉尘的污染非常大。而玄武岩纤维不仅强度高、热稳定性好、不易损伤对偶、 磨损低、摩擦系数稳定，而且价格适宜，将成为无石棉纤维的首选材料。目前玄武 岩纤维抗摩擦复合材料主要用于汽车用摩擦材料，如制动及离合装置、汽车轮胎等。 a d a m c z a kl o i c 等采用2 0 - - 5 0 的玄武岩纤维及丙烯酸纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、 铜纤维编成轮胎衬套，此衬套热稳定性好、摩擦系数稳定、磨损低且震动和噪声较 小【15 1 。 总之，玄武岩纤维复合材料，因玄武岩纤维本身卓越的特性，可用于制得各种 各样的功能复合体型材，如：防水复合材料、电磁屏蔽材料、过滤材料、可降解生 态复合材料等。随着人们对玄武岩纤维的深入研究，它将广泛应用于尖端技术领域 的高强度、耐高温、防辐射等复合材料的合成与制备。 1 3 产业用针织结构复合材料的发展概况 人类发展的历史和材料发展的历史是息息相关的，人类历史上各方面的进步与 新材料的创造、出现和应用是分不开的。复合材料作为一种新兴材料工业，直到上 个世纪4 0 年代初才出现a 现代科学技术的发展已经进入一个各种材料综合使用的新 阶段，2 l 世纪会是复合材料大发展的时代。 复合材料是由两种或两种以上固相物质组成的材料。由于两种物质的协同作用， 它具有单一材料不可能具有的优越性能。随着科技的发展，纺织技术和复合材料越 来越紧密结合在一起。2 0 世纪4 0 年代出现了性能良好的第一代玻璃纤维增强塑料复 合材料，但当时仅局限于单向和短切纤维两种形式。由于玻璃纤维的脆性，传统的 纺织机械难以适应。在2 0 世纪5 0 年代初期，只有机织作为工业化的纺织技术被应用 于玻璃纤维复合材料的制作。到了8 0 年代后期，随着纺织技术的进步，纺织复合材 料得到了惊人的发展，大量的纺织预制件在各方面获得应用，针织则是较迟为复合 材料界注目的纺织技术。 复合材料可以在很大程度上改善和提高单一常规材料的力学性能、物理性能和 化学性能，并且可以解决在工程结构上采用常规材料无法解决的关键性问题。因此， 不仅飞机、火箭、导弹、舰艇、坦克和人造卫星这些军工产品离不开它【l6 1 。而且运 输工具、建筑材料、机器零件、化工容器和管道、电子材料、原子能工程结构材料、 医疗器械、体育用品和食品包装等产品也离不开它。由此可见，复合材料在国民经 济中的作用十分重要，要使工业和国防现代化，没有新型复合材料的开发和应用是 不可能的。 针织物具有独特的相互串套的线圈结构，根据织物中纱线走向和线圈的结构， 5 青岛大学硕士学位论文 针织物可以分为经编织物、纬编织物和缝编织物三大类。针织结构的一个明显特点 是经向和纬向都可以置入增强纱线，增强纱线可以以直线状态配置于织物中，纵向 增强纱为衬经纱，纬向增强纱为衬纬纱。增强纱线的使用，改善了针织物组织结构 的性能，扩大了针织复合材料的应用范围。 近几年来，有关纬编针织物复合材料的研究也日益增多与深入，这是由于纬编 针织物及用其制成的增强复合材料具有下列特点【l7 】： 1 延伸性好，适宜深度模压复合材料的加工，无褶皱塑性变形保证了成品件的 流畅成型； 2 成型性好，可通过全成型的方法制成形状复杂的织物，避免因裁剪与拼接造 成的原料损耗和结构不均匀； 3 线圈的几何结构可使纤维取向被立体地固定，保证了纤维取向的稳定和有明 显热塑性变形区域中纤维含量的均等，并可避免层压复合材料中易形成的片状结构， 排除了脱层的可能性； 4 工艺流程短，生产效率高，生产成本低； 5 具有比机织物更好的抗冲击疲劳性能，更大的面内抗剪切性能，更好的开孔 加工性； 6 深延伸，热冲压和无损耗网状成型等仿金属成型的技术，为纬编针织复合材 料在生态和经济领域开创了新的应用。 实践证明，采用针织工艺生产纺织复合材料骨架，具有广阔的发展前途。目前， 产业用针织物仍处于发展的初期阶段，但是随着新材料，新的成形工艺和新的后整 理技术的发展它必将得到更大的发展。 玄武岩纤维及其复合材料直到近几年才被人们所重视，对它的研究也日益增多 与深入。玄武岩纤维与其他高性能纤维相比，其最大的优点就是综合性能是任意一 种高性能纤维所无法比拟的。因此，被广泛应用于复合材料中，鉴于纬编针织物独 特的机织物所无法比拟的优良性能，相信玄武岩纤维针织物复合材料会有更广阔的 发展前景。 目前，玄武岩纤维的产品主要有玄武岩纤维纱线和玄武岩纤维织物，纱线主要 有短切纱，无捻粗纱和纺织纱。就目前的文献报道，未见关于玄武岩纤维针织物的 研究，这主要是因为由于成圈过程复杂，纱线产生弯曲、扭转和拉伸变形，而玄武 岩纤维的高强度和高模量造成了特殊的编织成圈工艺难度，且很容易对机器部件造 成损伤。所以，玄武岩纤维针织物的上机工艺及其物理机械性能有待进行探讨。 6 第一章绪论 1 4 本课题的研究意义、内容和方法 1 4 1 研究意义 近十几年来，虽然国外在玄武岩纤维的生产工艺及其各项物理化学性能方面已 作了一定的研究，但对国产玄武岩纤维及其可编织性、以及针织物性能进行研究的 文献资料未见报道。通过该选题的研究，进一步加深对玄武岩纤维的性能和其编织 性能及其针织物的性能的了解，在纬编针织工艺方面做出新的尝试。 由于高性能纤维编织较困难，且对机器损伤程度大，成本较高，因而国内基本 还没有产业化，特别是三维织物的编织。针织物增强结构有利于规模效应复合材料 的生产，因此，针织增强织物的发展有利于推动复合材料在大规模工业领域和民用 工程中的应用。该选题将在玄武岩纤维纱线在针织工业中的实际应用方面进行探讨， 从而有利于拓宽玄武岩纤维的应用领域，并促进针织增强复合材料的发展。 1 4 2 研究内容和方法 为了实现本课题力求进一步了解玄武岩纤维和纱线性能，可编织性及其针织物 性能的目的，采用各种规格的玄武岩纤维纱线为原料，从以下几个方面进行研究工 作： 1 玄武岩纤维纱线性能的研究与分析：分析测试玄武岩纤维及纱线的各项性能 指标，并与其它纤维纱线相比较； 2 玄武岩纤维纱线上机编织与工艺参数调试：采用不同规格的玄武岩纤维纱线， 在国产普通手摇横机上编织几种具有代表性的单面和双面纬编针织物组织结构，考 察不同的工艺参数对编织过程和织物外观与质量的影响； 3 织后织物尺寸稳定性( 几何性质) 的测试分析：利用几何模型及理论公式对织 后的织物密度进行测算，以期建立玄武岩纤维织物中几何尺寸的经验公式，从而实 现织前对织物尺寸稳定性的预测； 4 玄武岩纤维纱线可编织性的分析与评价：通过对玄武岩纤维纱线织后纤维强 力损伤率的定量研究，来分析评价编织过程对纤维损伤的影响，同时采用显微镜观 察来加以定性描述。 7 青岛大学硕士学位论文 第二章玄武岩纤维及其纱线性质的研究 当今世界上出现了生产开发及使用玄武岩纤维的强劲势头，这是因为玄武岩纤 维同其它纤维相比具有一系列独有的优良特性，但是玄武岩纤维的大规模应用还受 到其生产工艺相对复杂以及需采用很多创新技术的制约。目前，对玄武岩纤维的研 究重点还集中在玄武岩纤维的生产工艺的研究上，对玄武岩纤维的各方面性能的研 究还相对较弱，就目前情况来说，寻求一些能充分发挥玄武岩纤维各方面特性，而 不与其它纤维应用发生冲突的应用领域，对玄武岩纤维的顺利推广具有十分重要的 意义。这就需要增进对玄武岩纤维及制品的认识与了解，本章将就玄武岩纤维的性 能进行研究，了解其纱线的特殊性，并对本课题后面分析其针织编织工艺做准备。 同时，与目前应用最为广泛应用的另一种硅酸盐无机纤维玻璃纤维进行比较分 析。 2 1 玄武岩纤维简介 连续玄武岩纤维( c o n t i n u o u sb a s a l tf i b r e ，简称c b f ) 是以纯天然玄武岩矿石为 原料，在1 4 5 0 , - - - 1 5 0 0 。c 熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维， 纯天然的c b f 颜色似金色。以c b f 为增强体可制成多种复合材料。c b f 与碳纤维、 芳纶、超高分子量聚乙烯纤维( u h m w p e ) 等高技术纤维相比，除了具有高技术纤 维高强度、高模量的特点外，c b f 还具有耐温性佳( 一2 6 9 7 0 0 ) 、抗氧化、抗辐 射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优 异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料，也是一种新的基础材料和 高技术纤维。 2 1 1 玄武岩纤维的成分 连续玄武岩纤维是以天然玄武岩单组分矿物为原料，其中生产连续玄武岩纤维 的矿石的化学成分如表2 1 所示【l 引。 表2 1 玄武岩纤维化学成分 化学成分s i 0 2a h 0 3f e 2 0 3 c a om g o t i 0 2 其他杂质 最低觞 4 41 29430 92 o 最高 5 21 81 41 272 0 3 5 其中，硅的氧化物是玄武岩所含的主要氧化物，由它组成的结构骨架有利于纤 维的弹性和化学稳定性的提高，其含量增高时能提高熔体的粘度；a 1 2 0 3 在纤维结构 骨架网络中，利于提高纤维的化学稳定性，其含量增高也会使熔体的粘度增高；铁 8 第二章玄武岩纤维及其纱线性质的研究 的氧化物可提高纤维的使用温度；t i 0 2 在玄武岩中含量较低，它的存在可提高纤维 的化学稳定性和熔体的表面张力和粘度，有利于形成长纤维；c a o 、m g o 的存在属 于添加剂范畴，其含量增加有利于原料的熔化和制取细纤维 1 9 】。 2 1 2 玄武岩纤维的基本性质 众所周知，在高技术纤维和其它纤维中没有一种纤维的性能或功能是可以“包 打天下的，每一种纤维都有它独特的性能和应用的市场，而c b f 具有综合性能好、 性价比好的产品特点。 1 突出的耐温性能 c b f 的使用温度范围为：2 6 9 - - 7 0 0 ( 软化点为9 6 0 。c ) ，而玻璃纤维为6 0 - 4 5 0 。c 。c b f 在4 0 0 下工作时，其断裂强度能够保持8 5 ；在6 0 0 下工作时，其 断裂强度仍能够保持8 0 的原始强度【2 0 2 1 】；如果c b f 预先在7 8 0 - 8 2 0 0 c 下进行处 理，还能在8 6 0 下工作而不会出现收缩，而即使耐温性优良的矿棉此时也只能保 持5 0 6 0 的强度，玻璃棉则完全破坏【2 2 】。碳纤维的抗氧化性较差，在3 0 0 。c 有 c o 和c 0 2 产生；间位芳纶最高使用温度也只有2 5 0 * c 2 3 1 。 2 突出的抗拉强度 c b f 的抗拉强度为3 8 0 0 4 8 0 0 m p a ，比大丝束碳纤维、芳纶、p b i 纤维、钢纤 维、硼纤维和氧化铝纤维都要高，与s 玻璃纤维相当。 3 与硅酸盐的天然相容性 以同属硅酸盐的火山喷出岩为原料制成的c b f ，耐酸碱性强。实验发现，c b f 在饱和c a ( o h ) 2 溶液以及在水泥等碱性介质中耐久性好，能保持高度的稳定性，可 代替钢筋用作混凝土建筑结构的增强材料，制作桥梁等大型建筑的结构件。在建筑 增强领域的应用已显示出它独特的优势和发展潜力【2 4 】。 4 突出的化学稳定性 c b f 含有的k z o 、m g o 和t i 0 2 等成分对提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到 重要的作用 2 5 2 6 1 。 5 显著的抗热振稳定性 c b f 在5 0 0 下的抗热振稳定性仍然不变，原始质量分数损失不到0 0 2 ；9 0 0 时也仅损失o 0 3 【2 7 1 。 6 良好的介电性能 它的体积电阻率比e 玻璃纤维高一个数量级。 7 优良的透波性能和一定的吸波性能 据分析c b f 中具有0 2 质量分数的金属氧化物，可能是氧化铁、氧化钛成分， 使其具有了一定的吸波性能。如果进一步调整成分、树脂体系内再加上吸收剂或吸 9 青岛大学硕士学位论文 波涂层，可能会有更好的吸波性能。 2 2 玄武岩纤维强力分布的分析 玄武岩纤维属于脆性材料，抗拉强度受控于各类缺陷。由于缺陷的随机分布， 使其强度呈现出多分散性。到目前为止对纤维强度的分散程度有以下几种分布来描 述：正态分布、g a u s s 分布、指数分布以及w e i b u l l 分布等。相对而言，w e i b u l l 分布 是以弱环定理为基础，断裂始于最薄弱横截面，换言之，横截面的薄弱是因为存在 各类缺陷而使有效承载面积减小；横截面存在缺陷的几率愈大，断裂几率也愈大。 因此，单丝强度的概率分布使用w e i b u l l 分布进行评估更为合理。杨大成【2 8 】对芳纶纤 维的强度分布进行了细致的研究，认为芳纶纤维的强度符合w e i b u l l 分布，只是其相 关系数较玻璃纤维及碳纤维低。吴琪琳【2 9 】等在对国产粘胶基碳纤维的强度分析，认 为碳纤维的强度可以用w e i b u l l 分布及g a u s s 分布两种形式来描述。唐伟杰【3 0 】还针对 碳纤维的强度分布情况作了详细研究，认为用三参数w e i b u l l 分布来描述碳纤维强度 是比较理想的。陈国华【3 1 】对常见的几种纤维的强度分析，认为涤纶与芳纶的强度分 布符合二参数w e i b u l l 分布，羊毛与白羊绒符合三参数w e i b u l l 分布，而紫羊绒的强度 分布在强度较高时与正态分布拟合较好，强度较低时用三参数w e i b u l l 分布拟合较 好。姚江薇【3 2 】对碳纤维的强度和离散性进行了研究，探讨了影响碳纤维离散性的因 素。目前，对玄武岩纤维的研究多集中在对其生产工艺的研究，玄武岩纤维强度统 计分布的研究还未见报道。本节通过实验测定玄武岩纤维的抗拉强度，采用w e i b u l l 分布对纤维强度的统计分布进行评估，并与玻璃纤维进行对比分析。 2 2 1w e i b u l l 理论 对于脆性材料，在提到其强度时，要考虑到其分散性。w e i b u l l 把统计的方法用 于处理脆性材料的强度数据。 w e i b u l l 理论基于3 个假设 3 3 - 3 5 】： 1 作用于脆性材料的力是单轴向和均匀的； 2 基于链的最弱连接理论，其内容是脆性材料中存在许多缺陷，它们彼此独立， 断裂往往开始于连接最弱的地方； 阮 3 基于g r i f f i t h 理论得到；4 = f 竺竺即抗拉强度4 与裂纹大d , c 的平方根成反 v 万c 比( 其中，e 为杨氏模量，丫为表面能) 。 w e i b u l l 从弱环理论的串联模型出发，得到了一个广泛适用的w e i b u l l 分布模型： f ( x ) = 卜e x p ( 竿) 。】 1 0 2 - ( 1 ) 第二章玄武岩纤维及其纱线性质的研究 式中，8 0 为尺度参数，m 为形状参数，8 0 、m 0 。r ( r o ) 为位置参数，当，= o 时， 模型退化为二参数w e i b u l l 分布模型。 由于w e i b u l l 函数是连续的，其分布函数与概率密度函数之间有以下关系： 尸( z ) = 尸( j ) 2 ( 2 ) 将测得的强力值x i 按照从小到大的顺序排列起来，i = l ，2 ，3 ，n ，弱环理论的 串联模型可得以下关系： 尸( z ) ：三一 一 + 1 2 ( 3 ) 由以上关系式2 一( 1 ) ，2 - ( 2 ) ，2 - ( 3 ) 可得： l n ( 一h 1 ( 1 一f “+ 1 ) ) ) = 1 1 1 t n ( x , 一厂) 一m l i l 磊 2 - ( 4 ) 其中，令e = 1 n ( - 1 n ( 1 一j ( f v + d ) ) ，五：i n ( x i 一，) ，则式2 ( 4 ) 变为： k = 峭一m l n 8 0 2 - ( 5 1 此即为w e i b u l l 概率函数。 2 2 2 拉伸实验与函数拟合 本实验材料选取上海俄金玄武岩纤维有限公司生产的单丝细度为9 1 t m 玄武岩连 续纤维进行测试，为了使概率图的数据可靠，故作1 0 0 次实验；实验仪器采用 l l y 0 6 e p c 电子单纤维强力仪，测试夹头隔距为1 0 m m ，速度为2 0 m m m i n ，初张力 为1 0 0 c n 。 2 2 2 1 二参数w e i b u l l 分布的拟合 对于二参数分布，且p r = 0 ，则式2 - ( 1 ) 成为f ( x ) ：1 一e x p ( 善) 。】，回归方程仍为式 口0 2 ( 4 ) 。如果概率函数可回归成一条直线，并且其相关系数r 接近1 ，则说明符合w e i b u l l 二参数分布。反之，就不符合。 通过对玄武岩纤维强力的测试及数据的处理，并跟玻璃纤维比较，得到图2 1 、 图2 2 所示的纤维强力二参数w e i b u l l 分布概率图以及表2 1 回归拟合的相关系数以及 参数估计值。 青岛大学硕士学位论文 x 图2 1 玄武岩纤维二参数概率图 x 图2 2 玻璃纤维二参数概率图 表2 2 实验数据和参数估计 平均强度相关系数 纤维种类线密度( d t e x ) m 磊 ( c n d t e x ) r r = 0 玄武岩纤维1 7 8 1 3 5 80 9 6 6 12 8 0 0 71 7 8 0 0 9 玻璃纤维 1 6 21 5 2 00 9 9 0 23 4 6 7 71 6 9 2 5 0 从图2 2 可见，玻璃纤维的概率图基本成一条直线，再由表2 2 中数值还可看出， 以二参数w e i b u l l 分布时的相关系数r 非常接近于1 ，因此，可以断定玻璃纤维强度可 以用二参数w e i b u l l 分布来描述，其尺度参数瓯