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。
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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, ,,,, ,,,,,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【 ,】 。
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,,年代, ,,,
,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,,,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, ,,,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, ,,,,年德国拜尔利用异氰酸酯和多元酯加聚反应生成聚氨酯,,,,,这为,,合成革的生产奠定了基础。 ,,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,,可根据需要设计性能各异的产品,,,。 ,,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
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,,,,,,《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【 ,】 。
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,,的结合使合成革内部结构达到了逼真的境界。
,,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,,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。
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。
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,,】 。
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。
间的联系如下图所示,,,,维性能 纤网结构 针刺工艺参数 ,,,能刺织物性能
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
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,,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,
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【 , ,】 ,
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,
,、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。
,、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。
,、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。
,、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。
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。
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。
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, ,, ,, ,,,,,和,, ,, ,,,,,,,一” ,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。
②,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。
,,随着针刺道数的增加,针刺织物的平方米克重随着增加,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,,,,,降低。
④,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
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。
针刺法生产非织造布最早用在制毡生产中,早在,,,,年英国一家公司就设计出针刺机的样机。但是直到,,世纪,,年代,英国,, , , ,,,,,,,,,,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。 ,,,,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,,,,,,,,。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,,,,,,,,,、德国,, ,,、法国,,,,, ,,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,,, ,,, ,, ,,公司和,,,,,,公司的,,,,,,,,,,,兀, ,,,,,与,,,,,,型高性能针刺机的针刺频率分别高达,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,。大多公司的交叉折叠铺网机最高速己达,,,,,,,,。如奥地利,,,,,,公司,,,,,,,,气流铺网机幅宽可达,, ,,,纤网平方米克重,,,,,,,,,,每米工作宽度产量从,,,,,,提高到,,,,,, ,,用于轻定量纤网生产的,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,气流成网机,其出网速度高达,,,,,,,,,德国斯宾宝,,,,,,,,公司的,,,,,,,型梳理机纤网的纵横比可在,, ,,,, ,,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
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,,,,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,,,越细越好,长度在,,,,,,,,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。
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,¨ ,。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。
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,易过小,使其在后道主刺时不会造成过大的牵伸。
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。
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, ,,,浸渍,抛光, ,,浸渍,,,干燥处理,涂层,表面整理等。化学浆料,,,浸渍可使纤维与浸渍进去的,,隔开, 当在加工过程中用热水再把,,,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,,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。
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,,,聚氨脂,结合生产高档,,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,,,,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,,合成革对基布有以下要求【 ,副,
