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文檔簡介
1、畢業設計(論文)題 目: 針刺土工布工藝研究 學 院: 紡織與材料學院 專業班級:非織造材料與工程12級11201班 指導教師: 職稱: 教授 學生姓名: 學 號: 1201221024 摘 要土工布具有優秀的過濾、排水、隔離、加筋、防滲、防護作用,具有重量輕、抗拉強度高、滲透性好、耐高溫、抗冷凍、耐老化、耐腐蝕。而針刺土工布又是土工布中比較重要的一類。因此,研究針刺土工布的工藝對于設計性能優異的土工布有著重要意義。本課題研究的目的是通過上機實驗確定在生產針刺土工布最優的開松、混和、梳理、鋪網和針刺工藝。本課題研究的內容是從纖維原料的選擇到針刺非織造布生產線上的實驗,主要研究了固網前準備工藝(
2、開松、混和、梳理)和針刺工藝,并在相同針刺密度時改變針刺深度,在相同深度時改變針刺密度制備出產品。最后對產品進行性能測試,分析出工藝參數變化對產品力學和透水性能的影響,并確定最優的工藝參數。結果表明,鋪網機上簾速度為26hz(7.35m/min),下簾速度為26hz(7.35m/min) ,釘簾速度為1.75hz(0.306m/min),且針刺密度250刺/cm2,針刺深度為8mm時,可獲得較為優越的性能。關鍵詞:針刺土工布,針刺密度,針刺深度,力學性能,透水性能abstract geotextile with excellent filtration, drainage, isolation
3、, reinforced, impervious, protective, light weight, high tensile strength, good permeability, high temperature, freezing resistance, aging resistance, corrosion resistance.the needle-punched geotextile is one of the the geotextiles more important. therefore, the process of needle-punched geotextile
4、is of great significance for the design performance geotextile. the purpose of this research is to experiment on the computer to determine the best in the production of needle-punched geotextile opening, blending, carding, lapping, and needling process. the content of this research project is the se
5、lection of raw materials from the fiber to the experiments of needlepunched nonwoven fabric production line, mainly fixed-line preparation process and the needling process, and when the density of the same needle change the needle depth, and prepared to change the needle density products in the same
6、 depth. finally, the product performance testing, analysis of the impact of changes in process parameters on the mechanics and permeability performance, and determine the optimal process parameters.the results show that the curtain speed lapper 26hz (7.35m/min), under the curtain speed 26hz (7.35m/m
7、in), spiked lattice speed 1.75hz (0.306m/min), the needle density of 250 stab / cmneedling depth of 8mm, achieve superior performance.key words: needle-punched geotextile, needle density, needle depth, mechanical properties, permeability properties目 錄前 言1第1章 針刺土工布的簡介21.1 土工布的種類21.2針刺土工布的現狀和發展趨勢31.3本
8、課題研究意義與內容41.3.1本課題研究意義41.3.2本課題的研究內容4第2章纖維原料的選用及固網前準備工藝的研究52.1針刺土工布用纖維原料52.1.1針刺土工布所使用的纖維原料的種類52.1.2各原料的性能52.1.3 針刺土工布纖維的規格及本課題的纖維選用62.2針刺土工布的工藝路線72.3 針刺土工布的固網前準備工藝82.3.1開松工藝82.3.2混和工藝92.3.3梳理工藝102.3.4鋪網和喂入工藝112.4本章小結12第3章 針刺土工布的針刺工藝研究143. 1預針刺工藝143.2倒針刺工藝153.3主針刺工藝153.4產品設計及工藝計算163.6本章小結17第4章 針刺土工布
9、工藝對性能影響174.1針刺密度和深度對產品定量的影響174.2針刺密度和深度對產品厚度的影響174.3針刺密度和深度對產品透水性能的影響174.4針刺密度和深度對產品力學性能的影響174.4.1針刺密度和深度對產品頂破強度的影響174.4.2針刺密度和深度對產品拉伸斷裂強度的影響174.4.3針刺密度和深度對產品撕裂強度的影響174.5本章小結17結 論17參考文獻17致 謝17誠信聲明17前 言針刺非織造布作為土工布廣泛地運用于各種民用工程,如公路和鐵道路基修建、抑制山體滑坡、土地開墾、河堤和坡道加固等。在各種應用情況下,土工布都表現出其具有分離、過濾、排水和加固功能。通常要求一種土工布具
10、有多種功能,因此針刺土工布的設計必須滿足其使用要求和技術指標。對土工布結構的研究已長達幾十年,早期是用簡單的織物,比如地毯基布或帆布作為土工布使用。然而,今天如果想把土工布用在任何所需的民用工程中,就必須明確定義土工布的特性并制造出滿足工程要求的產品。這就提出了如何確定一個較為合理的工藝參數,以使得所生產出的針刺土工布達到比較優秀的力學和透水性能指標。本文討論了生產針刺非織造土工布所采用的纖維種類、開松和梳理工藝、纖維成網及針刺工藝,并對不同針刺工藝參數(針刺深度、針刺頻率)下針刺土工布產品的各項性能進行比較,從而獲得性能較為優異的土工合成材料。本課題以江蘇雙鳳無紡布設備有限公司的wl小型針刺
11、非織造生產線為例,通過上機實驗,在不同工藝參數下制成樣品,在改變工藝變量時采用控制變量法(如:相同針刺深度下改變針刺密度,相同針刺密度下改變針刺深度),最后,通過性能測試實驗,分析出針刺密度和深度對針刺土工布力學和透水性能的影響,在查閱國家標準土工合成材料短纖針刺非織造土工布gb/t17638-1998后得出一個較為合適的工藝參數。第1章 針刺土工布的簡介1.1 土工布的種類(1)機織土工布使用高強度工業用丙綸、滌綸、錦綸等合成纖維為原料,由至少兩組平行的紗線(或扁絲)組成,一組沿織機的縱(織物行進的方向)稱經紗,另一組橫向布置稱為緯紗。用不同的編制編織設備和工藝將經紗與緯紗交織在一起織成布狀
12、,可根據不同的使用范圍編織成不同的厚度與密實度的土工布產品,具有較高的原始強力。經機織后成規律交織結構,綜合承載能力進一步提高。適應巖土工程的各種不同特性、要求而形成的一個土工材料的工業品系列。廣泛應用于河流、海岸、港灣、公路、鐵路、碼頭、隧道、橋梁等巖土工程中。能滿足各種不同的用途。(2)編織土工布編織土工布是以聚丙烯、聚乙烯扁絲為原料通過編織工藝制成的土工合成材料,廣泛用于水利、電力、港灣、公路、鐵路建筑等巖土工程中。(3)非織造土工布非織造土工布是由長絲紡粘成網或短纖維經過梳理工藝鋪排成網狀,再經過針刺等工藝讓不同的纖維相互交織在一起,相互纏結固著使織物規格化,讓織物柔軟、豐滿、厚實、硬
13、挺,以達到不同的厚度滿足使用要求,無紡土工布具有很好的織物間隙,有很好的附著力,由于纖維柔軟具有一定的抗撕裂能力,具有很好的變形適應能力,同時具有很好的平面排水能力,表面柔軟多間隙有很好的摩擦系數能夠增加土粒等的附著能力,可以防止細小顆粒通過阻止了顆粒物的流失同時排除了多余水分,表面松軟有很好的保護能力。根據工藝的不同又分為長絲紡粘土工布和短纖針刺土工布。它們都能起到很好的過濾、隔離、加筋、防護等功效,是一種應用廣泛的土工合成材料。長絲的抗拉強度高于短絲,可根據具體要求選擇使用。長絲紡粘土工布長絲紡粘土工布是采用高聚物切片經紡粘成網和針刺固結直接制成,產品規格從 80-800g/m 2 任意選
14、擇,它是巖土工程和土木工程中應用的一種土工合成材料,是通過聚酯長絲成網和固結的方法制成,其纖維排列成三維結構。除了具有良好的力學性能外,還具有良好的縱橫向排水性能和良好的延伸性能及較高的耐生物、耐酸堿、耐老化等化學穩定性能。同時,還具有較寬的孔徑范圍、曲折的孔隙分布、優良的滲透性能和過濾性能。短纖針刺土工布是非織造及工業用布的一種。是采用纖維纖度為6-12旦,長度為54-64mm的卷曲短纖維為原材料。通過無紡生產設備的開松,梳理,雜亂(短纖維相互交織在一起),鋪網(規格化纏結固著),針刺等生產工藝的流程制成布狀。它只要應用于鐵路路基的加筋、公路路面的養護、運動館、堤壩的防護、水工建筑的隔離、遂
15、洞、沿海灘涂、圍墾、環保等工程。1.2針刺土工布的現狀和發展趨勢短纖針刺土工布在上世紀60 年代末期開始應用于歐洲,上世紀70 年代這種土工布很快從歐洲傳播到美洲、西非洲,最后傳到亞洲。但就目前土工布的發展趨勢來看,從上世紀90年代中期開始,歐美土工布用量主要以紡粘長絲土工布為主,大約占到了非織造土工布的60%,而日本紡粘長絲土工布用量最大,大約占到非織造土工布的70%。這些情況都為針刺土工布的生產和銷售帶來了不小的壓力。但事實告訴我們,短纖針刺土工布具有很多獨特的優勢:在工藝上,首先,針刺土工布原料選擇范圍廣,可依據產品要求選擇多種天然及合成纖維,纖度范圍在2.78dtex至13.3dtex
16、之間,可以是單一纖維也可以是多種纖維的組合;其次,生產組織靈活,針刺土工布的生產是從纖維開始,生產停產方便,大小批量均可上產,而紡粘長絲土工布是從聚合物切片紡絲開始,雖然生產能力大,但是只能連續生產,小批量產品難以生產,不易調整規格和品種;再次,工藝可塑性大,針刺土工布工藝可調性大,可通過改變工藝達到優化產品性能達目的。雖然,目前土工合成材料中出現了紡粘長絲土工布、土工網格等材料,但是,但是,各種材料都有各自不同的優缺點,也有不同的適用范圍。短纖針刺土工布正如上述的那樣具有著自己的優勢和特點,因此不會因其它材料的發展而被輕意地取代,它還有著良好的發展前景。1.3本課題研究意義與內容1.3.1本
17、課題研究意義 土工布能夠加強土體的抗拉強度和抗變能力,增加建筑結構的穩定性,以改善土體質量,從而有效地將集中應力擴散、傳遞或分解,防止土體受外力作用而破壞。而針刺土工布,作為非織造土工布中比較重要的一大種類,具有很多其他土工合成材料不具備的優勢。對于針刺土工布,其各項工藝參數決定了產品的性能和質量。因此研究針刺針刺土工布的工藝對針刺土工布的開發和工程施工土工布產品的選擇有著至關重要的意義。1.3.2本課題的研究內容本課題的研究內容主要是以合成纖維為原料,在小型非織造針刺生產線上進行小樣生產,通過變換梳理機、鋪網機以及預針刺和主針刺的各項參數,使產品的定量、針刺密度、針刺深度發生改變從而制成不同
18、針刺密度和深度的產品。最后分測試在相同針刺深度下不同針刺密度和在相同針刺密度下不同針刺深度時產品的拉伸斷裂強力、撕裂強力、頂破強力、垂直滲透系數等性能指標,并得出它們之間關系,最后通過比較確定最優的工藝參數。第2章纖維原料的選用及固網前準備工藝的研究2.1針刺土工布用纖維原料2.1.1針刺土工布所使用的纖維原料的種類目前研究的是針刺土工布。該產品一般采用合成短纖為原料,適用原料廣泛,可使用滌綸、維綸、丙綸、錦綸、粘膠、棉等多種纖維加工,也可使用紡織下腳料。2.1.2各原料的性能(1)滌綸聚酯纖維是由聚對苯二甲酸乙二酯經熔融紡絲制得,即滌綸。其性能優異,抗皺保暖性好,伸長、壓縮、彎曲等形變恢復能
19、力高,剛性大其彈性模量高,熱穩定性好,耐腐蝕性僅次于錦綸。是一種比較理想的針刺非織造布用纖維。(2)錦綸聚酰胺纖維又稱錦綸,其耐磨性最好,彈性回復率高、耐疲勞性好。缺點是彈性模量低,保型性差,耐熱性不夠高,耐光性差。適用于造紙毛毯和合成革基布。(3)丙綸由聚丙烯熔融紡絲制得,俗稱丙綸。其耐水性優異,耐磨性良好,不吸水。廣泛用于針刺過濾材料和土工布。 各種合成纖維性能比較如表2-2:表2-2合成纖維性能比較性能纖維類型滌綸錦綸丙綸乙綸彈性(cn/tex)4060406020603070初始模量(cn/tex)2508502607005070020500斷裂伸長(%)203020501550104
20、55%伸長回彈性(%)70909510085959095密度(g/cm3)1.3951.1450.9100.955斷裂功(cn/tex)719610672蠕變(%)低中高高2.1.3 針刺土工布纖維的規格及本課題的纖維選用(1)纖維品種土工布不僅需要足夠的強力,而且要能夠阻止土壤流失并能排出多余水分。這就要求用于針刺土工布的纖維不僅具有一定的強力,而且具有良好的耐水性和防霉變性。通過前兩節的分析我們可以得知丙綸強力較高,耐磨和耐水性能優異,所以在本課題中我們選用丙綸纖維作為原料。(2)纖維長度纖維長度與產品拉伸強度和息息相關,一般化纖廠的纖維標準長度為38mm、51mm、64mm、76mm。一
21、般纖維長度越長、布的單向強度有所提高,但均勻性會差。纖維長些有利于增強抱合力,提高強度,但過長不易開松,易纏繞工作輥,產生纖維纏結,影響纖網均勻度;纖維過短會影響強力。為了達到針刺土工布的強力要求,我們在本課題中選擇長度較長的纖維為原料,最終確定為76mm。(3)纖維細度纖維細度的選擇取決于針刺產品的用途、手感、產品強伸度以及表面細膩度等。因為針刺土工布需要足夠高的強力,所以土工布設定了纖維的系度范圍2.78dtex至13.3dtex,可根據產品的要求自由選擇。最終我們根據上述性能比較,我們在此課題中選用了規格為6旦×76毫米(約為6.67dtex×76mm)的丙綸纖維作為
22、針刺土工布的纖維原料。2.2針刺土工布的工藝路線針刺土工布所采用的工藝路線框圖如下:鋪網梳理混和開松主針刺倒針刺預針刺其中典型的生產線流程如圖2-1所示,本課題所采用的生產線也是如此:圖2-1針刺土工布的生產線纖維原料經過開松機初步的開松,然后通過風道送入喂棉機進行開松與混和,然后緩慢的喂入羅拉梳理機,梳理后的纖維形成薄的纖網,薄的纖網經過交叉鋪網機的鋪疊形成厚的纖網,可通過改變鋪網角度和鋪網速度來改變纖網的厚度。最后厚的纖網經過喂入機構送入針刺機通過預針刺、倒針刺、主針刺三道工藝并經過切邊卷繞后即形成產品。2.3 針刺土工布的固網前準備工藝2.3.1開松工藝開松是針刺土工布工藝流程中的第一道
23、工序,我們選用粗開松機,粗開松機有多種形式,我們可依據纖維品種、纖維規格來選擇開松形式。為防止設備對纖維造成較大損傷,一般打手選用要根據纖維細度來確定,細度低于0.67tex的選用釘式,大于0.67tex應選擇豪豬式輥筒。本次課題我們選用的是wlgka500型開松機,開松機的示意圖如圖2-2所示:圖2-2開松機示意圖在纖維原料喂入開松機之前應該嚴格按照不同原料的比例,或者不同顏色的比例準確稱重,嚴格控制喂入量的差異否則會造成成網的厚度不均勻。因為鋪網機的幅寬為0.5m,而設計的產品定量為250g/m2,每批產品的長度大約為6m,考慮到開松、梳理等工藝有纖維原料損耗(每批產品大約為50g),所以
24、每批次喂入開松機的纖維原料大約750g。而纖維喂入時一定要保證梳理機出網的連續性和均勻性,所以在纖維喂入開松機時一定要緩慢均勻的喂入。喂入輥速度和開松輥速度要有一個恰當的配合,如果喂入輥速度過快可能造成纖維擁堵,開松輥不能將纖維充分開松,較高的開松輥速度可以將纖維充分開松,但是開松輥速度過高會損傷纖維,造成產品質量下降。通過多次實驗我們確定電動機電動機頻率為50hz,此時喂入輥轉速14r/min,開松輥轉速933r/min。開松過程中開松作用要適度柔和,使纖維損傷最小。同時觀察風機的負荷是否正常,因為是人工喂入,所以必須均勻加入纖維原料,絕對不能喂入超出機械負荷的量,造成開松錫林堵棉或風道塞棉
25、,甚至會造成電動機損壞。2.3.2混和工藝棉箱喂棉是針刺法非織造布厚度和單位面積重量穩定的前提條件,其主要作用是經過充分開松、混和后的纖維處理成均勻的筵棉喂給梳理機,而筵棉的均勻性直接影響梳理成網的均勻性直接影響梳理成網的質量。如何保證筵棉均衡準時、定量通過喂入機構進入梳理機,使道夫出來的纖網均衡,這才是控制的關鍵。根據工作原理不同,棉箱喂棉機可以分為定重式和定容式兩種。根據棉箱結構不同,棉箱喂棉機又可分為稱重式喂棉機,槽臥式喂棉機、震動式喂棉機和氣壓式喂棉機屬于定容類型。本課題選用的是江蘇省太倉雙鳳非織造布設備有限公司生產的wlgkd500型給棉機,如圖2-3所示:光電管角丁簾底簾光電管圖2
26、-3震動式喂棉機對于震動式喂棉機來說,一般需要調整角釘簾與均棉羅拉的隔距、底簾的速度、角丁簾的速度以及剝取羅拉的轉速。調整角丁簾和均棉羅拉的隔距是改變過棉量;調整底簾速度使棉束對角丁簾產生一定的壓力,使角丁簾能夠帶上足夠的棉,同時起到混和作用,底簾速度越大角釘簾上帶的纖維越多,過大的底簾速度可能造成纖維不能充分將纖維混和;剝取羅拉的速度取決于能否把角丁簾上的棉剝取干凈;調節光電管的上下位置和延時時間使棉箱容量適當;調節震動板的頻率和振幅是保證纖維橫向和縱向上的密度分布均勻。由于該小型喂棉機可調節的參數只有角丁簾參數,我們經過多次實驗,最終將角丁簾的電機頻率設定為18hz。2.3.3梳理工藝在針
27、刺土工布的成網過程中,梳理是關鍵工序。梳理的作用是將經過開清棉工序的纖維加工成薄纖維網,并經過鋪疊交叉成網后供針刺機加固。梳理機一般有羅拉式梳理機、蓋板式梳理機以及非織造專用的雙錫林雙道夫梳理機。本次設計所采用的是江蘇省太倉雙鳳非織造布設備有限公司生產的wlgsa500型梳理機。通常工作輥和錫林之間的速比為(1:20)(1:40)。即工作輥的線速度若為1m/min,則錫林的線速度為2040m/min。如果纖維短的話,速比可采用較大一點,它可以有效的改變梳理效果;如果纖維長的話,速比可采用較小一點,以減少梳理負荷。主錫林的速度是道夫的1520倍;剝取輥的速度比工作輥的速度快1.11.2倍;主錫林
28、與工作輥速度的相對值越小越有利于減少棉結;適當降低工作輥速度,可改善棉網均勻性,提高撕裂強力。生產速度加大,將增加主錫林的針面負荷,影響纖網的均勻性。道夫是將錫林上上的棉層凝聚在針尖上,它的作用是將錫林上的棉層均勻的凝聚在其表面,所以它和錫林之間的隔距至關重要的。隔距過大則無法將錫林上的棉層充分轉移出來,那么錫林上會逐漸形成棉網的沉積,影響整個梳理的效果;反之,隔距過小也會造成道夫上棉層太薄甚至無棉。凝聚輥是起一種機械雜亂的作用,凝聚雜亂的原理是吧纖維推擠到凝聚羅拉的針齒上并改變纖維方向(負牽伸)。它是將道夫上的棉層進一步凝聚,同時在凝聚過程中使部分纖維改變了排列方向,從而起到改變縱橫向強力的
29、作用。通常情況下雜亂輥有兩根,通過兩次雜亂后,棉層已全部浮在針尖表面,再由剝取羅拉將棉層完全地從針尖上剝取下來,形成一張連續均勻的棉網,通過棉網的傳輸帶再輸送入鋪網機,道夫與雜亂輥的速比一般為(1:1.2)(1:1.4)。由于wl小型梳理機的工藝參數關系到纖網及產品的定量,由于本次設計的針刺土工布定量為250g/m2,且各種纖維原料的工藝參數略有不同。經過多次開機試驗,我們將梳理機的各項頻率設置為:錫林30hz(868.6m/min),道夫25hz(9.3m/min), 喂入輥10.5hz(0.651m/min)。剝取輥:112.0m/min,胸錫林:29.9m/min,工作輥1、2:5.3m
30、/min,工作輥3:4.7m/min,雜亂輥1:7.6m/min,雜亂輥2:6.1m/min。該小型梳理機的各部件間的隔距是不可調的,具體如表2-4所示:表2-4 wlgsa500型梳理機各部件間的隔距部件隔距(mm)喂入輥與胸錫林間0.47剝取輥1、2、3、4與錫林間0.70工作輥1與錫林間0.70工作輥2與錫林間0.60工作輥3與錫林間0.50剝取輥4與道夫間0.70道夫與錫林間0.10-0.18道夫與雜亂輥1間0.25雜亂輥1與雜亂輥2間0.25斬刀與雜亂輥2間0.352.3.4鋪網和喂入工藝本次設計所采用的是江蘇太倉雙鳳非織造布設備有限公司生產的wl小型交叉鋪網機,該鋪網機的原理如圖3
31、-1所示。纖網圖3-1 wl小型交叉鋪網機示意圖纖網被夾持在上簾和下簾之間,通過上簾與下簾的相對運動,將纖網鋪放在釘簾上,通過調節上簾和下簾的速度,可以達到改變鋪網速度的效果。通過調節釘簾的速度可以改變纖網輸出速度進而改變鋪網的厚度。釘簾的速度越大,其鋪網層數越多,纖網越厚,產品定量越大,反之,產品定量越小。針刺機的喂入與輸出一般為連續運動,對于中速針刺機的特殊低頻率(針刺頻率400次/min)針刺機應采用間歇步進,這樣能提高產品布面質量。調整設備時一定要達到:當刺針在上止點時,喂入羅拉與輸出羅拉開始工作,當刺針在下止點時,喂入羅拉與輸出羅拉停止工作。因為所設計的產品定量在200g/m2以上,
32、且纖維原料在320旦之間,送網裝置如圖3-2。圖3-2針刺生產線的送往裝置圖1-纖網 2-針梁 3-針板4-刺針 5剝網版 6-托網板7-輸網簾 8-輸入輥 9-導網片由于定量與鋪網的厚度有著密切的關系,而此次設計的產品的定量為250g/m2,為了達到要求的定量,進行了多次開機試驗,最終確定鋪網機的參數為:鋪網機上簾速度為26hz(7.35m/min),下簾速度為26hz(7.35m/min) ,釘簾速度為1.75hz(0.306m/min)。2.4本章小結(1)為了能使原料充分混和、開松,經過多次測試,在角丁簾電機頻率為18hz時,原料混和最為充分。(2)通過多次實驗,最終確定每次喂入開松機
33、750g丙綸短纖維。梳理機的各項頻率設置為:錫林30hz(868.6m/min),道夫25hz(9.3m/min), 喂入輥10.5hz(0.651m/min)時可以輸出較為穩定且連續的纖網。(3)在實驗過程中,應該注意棉箱上部風道處容易掛花,使風道堵塞,造成未免中斷。另外,喂棉機右側的光電管上方也容易掛花,掛花可能遮擋紅外線的接收,造成喂棉機意外停車,影響纖網的連續性。(4)需要注意的是鋪網機釘簾的設置和小型梳理機喂入羅拉進料的參數設置,經過多次開機試驗,當鋪網機參數設置為上簾:26hz;下簾:26hz;釘簾:1.75hz,且每組纖維原料重量約為700750g時,所得產品的定量基本達到標準。
34、第3章 針刺土工布的針刺工藝研究3. 1預針刺工藝本課題中,預針刺設備選用的是江蘇雙鳳非織造設備有限公司生產的wl小型預針刺機。針刺機分為預針刺機、倒針刺機和主針刺機,由于條件有限,本次設計只開啟了預針刺和主針刺兩臺針刺機,通過兩道針刺工藝來達到產品預先設計的針刺密度。本課題選用的預針刺機為單針板預針刺機,其植針密度1750針/米,預針刺機的作用是將經過梳理、鋪網形成一定工藝要求的纖網通過預針刺的工序將纖網初步纏結定型,盡可能的減少成型纖網的牽伸,保證原纖網的纖網方向不變,達到產品的最佳效果。由于纖網輸出速度和針刺頻率關系到產品針刺密度,而設備的工藝參數完全是由電機頻率來表示,這就需要找到電機
35、頻率與針刺工藝參數的關系,以便后面合理設置。經過多次開機測量,三臺針刺機的電機頻率與工藝參數關系相同,且均呈線性變化,得出整個針刺工藝中針刺頻率與電機頻率和纖網輸出速度與電機頻率的關系,便于后期工藝計算參考。具體如圖3-2和3-3所示。針刺頻率(次/min)電機頻率(hz)圖3-2針刺頻率與電機頻率的關系纖網輸出速度(cm/min)(cm/min)電機頻率(hz)圖3-3纖網輸出速度與電機頻率關系3.2倒針刺工藝倒針刺工藝選用的設備還是江蘇雙鳳非織造設備有限公司生產的wl小型倒針刺機。倒針刺機的植針密度為2076針/米。倒針刺工藝的主要作用是通過刺針對纖網的反向穿刺,將纖網背面的纖維帶入纖網內
36、部,增加了纖維的纏結,使經過預針刺的纖網強力提高。當然,倒針刺將纖網背面裸露的纖維帶入纖網內部,也使產品表面變得平整光潔。根據圖3-2和圖3-3得出的關系,我們可以對倒針刺機的參數進行合理的配置,但需注意的是倒針刺機的纖網輸出速度要與預針刺機的纖網輸出速度基本保持一致,以防止倒針刺機輸出速度過快造成纖網牽伸打斷刺針,或者倒針刺機速度過慢造成倒針刺機進料口處發生擁堵影響產品質量。3.3主針刺工藝主針刺工藝選用的設備是江蘇雙鳳非織造設備有限公司生產的wl小型預針刺機。主針刺機的植針密度為3666針/米。主針刺機的主要作用是將進過預刺和倒刺初步纏結的纖網通過主針刺機進一步針刺纏結,從而達到產品工藝要
37、求的纏結效果和針刺密度。為了達到產品要求的針刺密度,主針刺機的植針密度是所有針刺機中植針密度最大的。經過倒針刺和主針刺的產品表面平整,無明顯針痕條紋等缺陷。3.4產品設計及工藝計算考慮到針刺土工布的針刺工藝參數(針刺密度和針刺深度)對其厚度和尺寸及性能有一定影響,所以針對所設計產品的要求進行如下工藝計算:為了便于變量的控制和后期性能測試實驗的對比,設計了三組產品六組式樣,如表3-1表3-1產品的設計工藝變量組別123樣品編號d1s1d2s2d3s3針刺深度(mm)858585針刺密度(刺/cm2)150200250產品定量(g/m2)250250250由于鋪網寬度為50cm,產品的定量為250
38、g/m2,每個樣品的長度約為6m,則每組纖維的喂入量約為700-750g針刺工藝參數的計算公式如下: d=n/(100×s) (3-1)式中:d針刺密度(刺/cm2);n針刺機植針密度(針/m);s針刺機每刺一次纖網前進的距離(cm)另外,s和纖網輸出速度、針刺機針刺頻率有關,可用下式表示: s=v/n×100 (3-2)式中:v纖網輸出速度(m/min); n針刺機的針刺頻率(次/min)所以,針刺密度d還可以表示為: d=n×n/(10000×v) (3-3)由于本課題僅開啟預針刺機和倒針刺機,所以必須通過預針刺和倒針刺兩道工序使產品的針刺密度達到要
39、求,即滿足下式: d=d預+d倒 (3-4)因為,通過改變針刺頻率和和纖網輸出速率均可改變產品針刺密度,所以我對每組的主針刺頻率進行預先確定,然后通過產品針刺密度來計算纖網輸出速度。第一組:根據圖3-2和圖3-3,設置預針刺頻率為200刺/min(10hz),倒刺頻率為300刺/min(15hz),據此計算纖網輸出速度如下:150=1750×200/(10000×v)+2076×300/(10000×v)解得:v=0.648m/min即7.62hz其他參數不變,樣品d1針刺深度8mm,樣品s1針刺深度5mm第二組:根據圖3-2和圖3-3,設置預針刺頻率為
40、250刺/min(12.5hz),倒刺頻率為400刺/min(20hz),據此計算纖網輸出速度如下:200=1750×250/(10000×v)+2076×400/(10000×v)解得:v=0.634m/min即7.46hz其他參數不變,樣品d2針刺深度8mm,樣品s2針刺深度5mm第三組:根據圖2設置預針刺頻率為300刺/min(15hz),倒刺頻率為450刺/min(22.5hz),據此計算纖網輸出速度如下:250=1750×300/(10000×v)+2076×400/(10000×v)解得:v=0.584
41、m/min即6.87hz其他參數不變,樣品d3針刺深度8mm,樣品s3針刺深度5mm為了防止纖網喂入時在針刺機的輥子內側發生擁堵,將刺針打斷,須在喂入和纖網輸出時有一定的牽伸,所以進料機的喂入速度應稍小于纖網輸出速度,經多次試驗,將進料機的頻率設置為5.62hz,進料速度0.466m/min。對生產出的產品定量進行初步測試,定量為238g/m2,基本達到產品定量要求。但在實際操作中可能出現由于倒針刺的針刺頻率過高,針刺機出現斷針現象,可以結合實際情況將針刺頻率降低至原來設計頻率的一半,并重復進行兩次倒刺工藝,以使得產品達到要求。3.6本章小結(1)本章主要是對針刺工藝部分進行了介紹以及對產品的
42、設計,最終通過尋找針刺工藝參數與電機頻率的關系,計算出符合產品要求的針刺頻率和纖網輸出速度。 (2)在預針刺時纖網輸出速度應該稍大于喂入機的進料速度,使其具有一定的牽伸,防止纖網擁堵造成產品質量下降和預針刺機出現斷針,而倒針刺機的纖網輸出速度應與預針刺機的纖網輸出速度保持一致。第4章 針刺土工布工藝對性能影響本課題通過對不同針刺密度下不同針刺深度的樣品進行性能測試,性能測試均通過各樣品之間的對比得出各種工藝參數對產品的影響。性能測試主要涉及產品定量、厚度、頂破強力、拉伸斷裂強力、撕裂強力以及透水性等6項測試,能夠直觀的反映出一些問題。4.1針刺密度和深度對產品定量的影響非織造布定量的定義是指單
43、位面積的質量,單位是克每平方米(g/m2)。本課題采用bg-200a型電子天平對每塊邊長為10cm的樣品進行測試,并計算出定量。測試結果:見表4-1表4-1針刺土工布定量測試結果針刺密度(刺/cm2)150200250針刺深度(mm)8585851237.56242.96242.09230.35234.23233.562248.73256.53239.47245.76218.34224.753239.45245.67217.56240.45220.58241.234257.34238.78222.64235.23234.45244.245232.47246.53228.48249.67219.
44、63227.4平均定量pa(g/m2)245.73248.76230.64238.59223.64235.3739.7642.5739.8744.2843.4547.85cv(%)17.7818.0917.2918.5617.6819.24從表4-1中我們可以看出:(1)各個試樣的平均定量均低于預先設計預先設計好的產品定量。這是因為在生產過程中在開松、混和、梳理以及鋪網過程中纖維原料有一定的損耗(如儲棉箱中的掛花,梳理機羅拉上纖維的纏繞,鋪網機鋪成的纖網前端和尾部厚度不夠造成定量不足)。(2)當針刺深度不變時,針刺密度越大產品的定量越小。這是因為梳理機和鋪網機的工藝參數不變,喂入針刺機的纖網重
45、量固定,樣品的定量隨針刺密度的增加而減小。這是由于在針刺過程中,倒刺帶著纖網表層的纖維重定向垂直進入纖網內層,纖維之間相互鎖合,同時針刺壓力使纖網變形產生擴散,而纖網在前進中又受到托網板、針刺阻力以及輸入與輸出速比造成的牽伸,結果使纖網厚度下降,樣品定量減小。(3)針刺深度深度較深的試樣的cv值小于針刺深度相對較淺的試樣。這是因為針刺越深纖維纏結得越緊密,纖維之間發生相對滑移的可能性就越小,其變異系數也就越小,反之,cv值也就越大。4.2針刺密度和深度對產品厚度的影響非織造布的厚度是指在承受規定壓力下的布表面間的距離。它是評定評定非織造布外觀性能的主要指標之一。非織造布的厚度影響非織造布產品的
46、性能。不同類、不同用途的非織造布的厚度不同,同一類產品也有不同厚度規格之分。測定前取樣要求:樣品面積不小于壓腳面積,距布邊不得少于10cm,可以不裁樣,以不影響操作為前提,測試點要均勻分布測10次。實驗儀器:yg141d型織物厚度儀。由于測試的是土工布的厚度,所以無需確定織物是否為膨松型產品,而是直接采用2kpa的壓腳進行測量。測試結果;見表4-2表4-2針刺土工布的厚度測試樣品規格實驗次數及結果(mm)12345678910acv(%)150刺/cm28mm4.684.764.744.514.424.484.434.664.654.414.570.13.05mm4.414.404.764.5
47、34.604.794.294.734.644.694.580.23.7200刺/cm28mm4.124.064.274.194.634.144.234.014.024.144.180.24.35mm4.044.164.594.764.174.084.554.334.304.164.310.24.4250刺/cm28mm3.533.263.433.473.703.493.763.513.493.393.500.14.15mm3.733.853.903.984.243.633.593.583.624.103.820.26.1從表4-2中可以看出:(1)當針刺深度不變時,針刺密度越大產品厚度越大。這
48、是因為針刺土工布的厚度隨針刺密度的增加而逐漸減小。隨著針刺密度的增加,更多的刺針作用于纖網上,使得纖網逐漸緊密,纖維之間的摩擦纏結加強。纖網表層的纖維隨著刺針運動進入纖網內層。由于纖維的纏結抱合力的增強,纖維受應力回彈到初始狀態的可能性變小。纖維被鎖定在新的位置,致使針刺土工布的厚度隨著針刺密度的增大而減小。但是,隨著針刺密度的進一步增加,針刺土工布的緊密度相繼增加到一定程度后趨于穩定,其厚度也趨于穩定。這時針刺密度的繼續增加勢必會導致纖網中表層纖維的損傷,纖維變短使其回彈性增強,纖網之間束縛減弱,這樣針刺土工布的厚度就有回升趨勢。(2)當針刺密度度不變時,針刺深度越大產品厚度越大。因為針刺深
49、度增加,針刺作用于纖網的工作長度增加,同時作用于纖網的刺針倒刺數量增加,纖網表層的纖維隨著刺針進入纖網內層的程度加大,纖維在垂直方向上的數量加,纖維在垂直、水平向下的聯系加強,彼此之間的束縛加大,纖維回彈到初始位置的可能性變小,針刺土工布的厚度下降。(3)cv值也隨著針刺密度和針刺深度的增大而增大,說明在產品的生產中,局部的厚度不太一致,這可能是因為預針刺機的針板上的斷針過多造成的。所以,在工業生產中要保證產品質量應及時更換刺針。4.3針刺密度和深度對產品透水性能的影響滲透系數是土工布水力特性的一項主要指標,也是反映水在土工布孔隙中泳移的一種特性參數。我們要求土工布既能阻止土顆粒隨水流失,又要
50、求它具有一定的透水性。而透水性主要用垂直滲透系數來表示。垂直滲透系數的定義是滲流的水利梯度等于1時的滲透流速。(4-1)kn20=q·a·h·t·r20kn20標準溫度(20oc)時試樣的垂直滲透系數(cm/s);t測量透水量的時間(s);qt時間的透水量(cm3)a試樣的透水面積(cm3)r試驗水溫時的動力粘滯系數(kpa·s)2020oc時水的動力粘滯系數(kpa·s)本實驗采用yt020n型透水性能測定儀進行測試,測試結果如表4-3表4-3針刺土工布垂直滲透系數測試樣品規格實驗次數及結果(cm/s)123k20cv(%)150刺
51、/cm28mm0.3200.3300.3130.3210.00852.655mm0.3830.3960.3970.3920.00781.99200刺/cm28mm0.3610.3580.3730.3640.00912.505mm0.3880.3950.3960.3930.00812.06250刺/cm28mm0.3960.3780.3610.3960.00651.645mm0.3880.3920.4020,3940.00721.83從表4-3中可以看出:(1)當針刺深度不變時,針刺密度越大產品的垂直滲透系數越大。這是因為,針刺密度越大,針刺土工布的孔隙率增大,單位面積內透過的水量增加,使得其垂
52、直滲透系數增大。但是,當針刺密度過大時,纖維之間的纏結增強,纖維之間的間隙減少,水不容易滲透,導致針刺土工布的垂直滲透系數增加趨緩。(2)當針刺密度不變時,針刺深度越大產品的垂直滲透系數越大。這是因為一方面,針刺深度增加,針孔的直徑增加,使單位面積內水的流速增加,導致針刺土工布垂直滲透系數;另一方面,針刺深度較小時,產品的厚度越大,過水時間增加同樣導致產品的垂直滲透系數增加。4.4針刺密度和深度對產品力學性能的影響4.4.1針刺密度和深度對產品頂破強度的影響頂破強度是在土工布的平面,施加垂直的集中載荷,使其擴張至破裂所得到的最大頂壓力。頂破試驗是模擬在工程中土工布受到凹凸不平的載荷時,反映一種
53、抵抗垂直于土工布平面法向壓力的能力。實驗儀器:yg(b)026d-500織物強力測試機。通過對產品頂破強度的測試得到以下數據,如表4-3所示。表4-4針刺土工布頂破強度的測試樣品規格實驗次數及結果(n)123平均值150刺/cm28mm 362.35358.75371.65364.255mm298.11294.57300.62297.40200刺/cm28mm428.01442.12417.37431.505mm375.65392.47363.48378.60250刺/cm28mm520.18 523.34 498.36514.285mm487.51489.23 464.26480.50 (1)當針刺深度不變時,針刺密度越大,產品的頂破強力越大。這是因為針刺密度增大,可以增加產品內部纖維的纏結,使產品的強力提高,所以產品的頂破強度增大。 但是實驗表明,針刺密度過大時,可能導致產品表面的纖維斷裂,從而影響產品的頂破強度。(2)當針刺密度不變時,針刺深度越大,產品的頂破強力越大。這是因為針刺深度增大,刺針表面的倒刺
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