回潮率对石英纤维纱织造前后力学性能的影响

余鹏举， 王黎黎， 张文奇， 刘 洋， 李文斌

(1. 武汉纺织大学 省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室， 湖北 武汉 430200； 2. 湖北三江船艇科技有限公司， 湖北 孝感 432000； 3. 湖北三江航天红阳机电有限公司， 湖北 孝感 432000)

石英纤维是由二氧化硅含量≥99.5%、直径为7～9 μm的天然石英晶体制成的纤维，具有耐高温、低导热、高强度、高弹性模量、介电性能优异和化学性能稳定、可织造性良好等优点，被广泛应用于航空航天、光纤制造、半导体制造、特种电缆制造、电子电气以及军工等领域[1-3]。近年来，石英纤维由于其性能优良成为了一种应用极广的新型复合材料。张春燕[4]利用石英纤维研制天线罩用针刺复合织物，李鹏等[5]探究了环氧树脂/石英纤维透波复合材料制备，孙绯[6]设计了单层高厚石英织物并探究其可成形性。由于石英玻璃的脆性，石英纤维生产过程中表面必须涂敷一层有机浸润剂[7]来实现石英纤维的后续可加工性，同时赋予了石英纤维纱集束、润滑、黏结、柔软、抗静电等性能[8]。

已有研究结果表明，湿热环境对石英纤维增强复合材料的力学性能具有很大影响。王佩艳等[9]就环境对石英纤维织物增强氰酸酯树脂复合材料性能的影响进行了研究，发现湿热环境对复合材料层间性能的影响很大。刘钧等[10]研究了石英纤维增强二氧化硅雷达罩吸潮机制，认为石英纤维增强二氧化硅雷达罩吸潮后透波率整体下降，并提出相应的防潮解决方案。张亚娟等[11]发现相对于振动、冲击及离心加速度等使用因素，气候环境使该复合材料的力学性能下降较大，是影响复合材料力学性能的主要因素。以上研究得出一致结论：环境因素对石英纤维及其复合材料的性能影响很大，但目前缺乏关于回潮率对石英纤维纱织造前后力学性能影响方面的研究和认知。

在实际生产过程中发现，石英纤维纱作为一种湿敏无机材料，在织造过程中，环境湿度变化对石英纤维纱的强度影响较大。本文旨在研究不同回潮率条件下织造前后石英纤维纱强度变化及原因，为其工业高效生产提供理论依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料：C型石英纤维长丝纱(95、195、390 tex，武汉鑫友泰光电科技有限公司),石英纤维浸润剂(环氧k型树脂，武汉鑫友泰光电科技有限公司),去离子水(优普超纯水制造系统制备)。

仪器：INSTRON 5934拉伸强度试验机(上海英斯特朗实验设备贸易有限公司),PW-100-515飞纳台式扫描电子显微镜(上海复纳科学仪器有限公司),DHG-9076A型电热恒温鼓风干燥箱(上海浦东荣丰科学仪器有限公司),优普纯水/超纯水制造系统(四川优普超纯科技有限公司),SGA598半自动打样机(宁波纺织仪器厂),Y331C纱线捻度仪(温州方圆有限公司),A0-3M180数码显微镜(深圳市奥斯威光学仪器有限公司)。

1.2 测试与表征

1.2.1 石英纤维的微观结构观察

为观察石英纤维截面及纵向微观形态，用导电胶将石英纤维样品黏贴在电镜台上，压紧，经真空喷金处理后，采用扫描电子显微镜观察其表面及断面形态。

1.2.2 石英纤维纱捻度测试

参照纱线捻度标准GB/T 2543.1—2015《纺织品 纱线捻度的测定 第1部分：直接计数法》，用纱线捻度仪测试3种不同线密度(95、195、390 tex)石英纤维纱的捻度。试样夹持长度为250 mm，每种纱线测试10次。

1.2.3 回潮率对石英纤维纱的影响测试

取3种不同线密度(95、195、390 tex)长300 mm的石英纤维纱各320根，每20根为1组，每种纱线各16组。将所有纱线放入100 ℃鼓风干燥机中烘干2 h，称取质量记为G0。将16组同时浸入去离子水中5 min，处理后将其中1组放入100 ℃鼓风干燥机中烘干2 h，将另15组纱线取出放入恒温恒湿密闭环境中，每隔30 min，取出一组纱线，并称取质量记为G1。称量完毕后，利用拉伸强度试验机进行拉伸性能测试。选用纱线拉伸测试专用的防滑羊角夹头、1 kN传感器，夹头间距为100 mm，拉伸速度为100 mm/min。

回潮率W作为一种评价纺织材料吸湿程度的指标，可由下式计算：

式中：G1为湿态质量，g；G0为干态质量，g。

断裂强度可由下式计算：

式中：Ptex为线密度制强度，N/tex；P为纱线的强力，N；Tt为纱线的线密度，tex。

断裂强度损失率PC可由下式计算：

式中：P0为损失前断裂强度，N/tex；P1为损失后的断裂强度，N/tex。

1.2.4 回潮率对石英纤维纱织造的影响测试

为了探讨回潮率在织造过程中对石英纤维纱断裂强度的影响，将上述3种线密度石英纤维纱在一定的湿度环境中使用半自动打样机织造平纹织物，织物的经密为50根/(10 cm)、幅宽为10 cm、长度为20 cm、织造完成后，取未进入综眼的经纱、钢筘与织物间的经纱、织物中拆下的经纱各20根，在温度20 ℃、湿度55%条件下利用拉伸强度试验机进行断裂强度测试。

将织造前和织造后的390 tex石英纤维纱分别固定在显微镜载物台上，使用数码显微镜观察织造前后石英纤维纱的形态。

1.2.5 浸润剂涂敷实验

用浸润剂和去离子水按照比例配制11组浸润剂水溶液，即浸润剂体积分数为0%～100%。取11组(每组20根)390 tex的石英纤维纱，利用上述溶液均匀涂敷，并在湿度为55%、温度为20 ℃的通风橱中悬挂12 h后取出，在100 ℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干2 h，再用拉伸强度试验机进行拉伸断裂强度测试。

2 结果与讨论

2.1 石英纤维微观形貌

石英纤维表面形态如图1所示。可见石英纤维的断裂横截面为圆形，且断面平整(见图1(a))，表明石英纤维是一种脆性材料。石英纤维在纺丝过程中，纺丝速度不匀，导致石英纤维细度不匀，且纤维表面有疵点(见图1(b))，是石英纤维存在弱节的原因，弱节是纤维力学性能最薄弱点，拉伸时极易断裂。相邻石英纤维间，缝隙会被浸润剂填塞，将相邻2根纤维黏附在一起(见图1(c))，石英纤维集束性增强，拉伸时纤维同时受力，弱节部位拉伸力被其他纤维分担不易断裂。

图1 石英纤维微观形态Fig.1 Microscopic morphology of quartz fiber. (a) Fracture section(×15 000); (b) Fiber surface morphology(×10 000); (c) Interfibrillary morphology(×10 000)

2.2 回潮率对石英纤维纱的影响

图2、3分别示出不同线密度、不同回潮率石英纤维纱的拉伸断裂强度和断裂应变及其拟合曲线。由图可知：3种不同线密度的石英纤维纱的断裂强度均随回潮率增加而下降，回潮率在0%～10%时断裂强度下降最为明显，当回潮率为10%时，其断裂强度损失下降均在20%以上。这可能是因为水分子属于极性分子，而石英纤维界面呈负电性，当水分子与石英纤维接触时，由于电极性相反其界面处水分子将发生偏转，使得带正电的氢离子转向带负电的石英纤维表面，并与石英纤维中的氧原子构成氢键，使得其断裂强度降低[12]。除此之外，石英纤维纱表面吸湿后浸润剂浓度降低，黏附性减弱，石英纤维纱集束性减弱，导致其断裂强度下降。石英纤维纱线密度越高其断裂强度受回潮率影响相对越小，其中95、195、390 tex石英纤维纱在回潮率为100%时比0%时强度分别降低41%、34%、28%。同时通过捻度测量可知，390 tex纱线为6.52捻/(10 cm)，195 tex纱线为4.04捻/(10 cm)，95 tex纱线为2.12捻/(10 cm)。390 tex纱线捻系数为128.8,195 tex纱线捻系数为56.4,95 tex纱线捻系数为20.67，高线密度纱线捻度高，结构紧密，断裂强度受回潮率影响较小。此外，随回潮率降低，3种不同线密度的石英纤维纱的断裂强度均增加，当回潮率为0.6%时，3种线密度石英纤维纱断裂强度均恢复到0%时的95%以上。

图2 回潮率对断裂强度的影响Fig.2 Effect of moisture regain on fracture strength

图3 回潮率对断裂应变的影响Fig.3 Influence of moisture regain on fracture strain

2.3 回潮率对石英纤维纱织造的影响

在织造过程中，整经、穿综、穿筘等预织过程，以及送经、开口、引纬、打纬、卷取五大运动都会对石英纤维造成一定损伤，这主要是经纱与经纱、综眼及筘板之间的摩擦造成的。390 tex石英纤维纱织造后部分纤维断裂，且纤维分布相对松散如图4所示。另外，在高湿环境下浸润剂被稀释，由于织造过程中各部件对经纱的摩擦与挤压，浸润剂经过综眼、筘板等部件后会大量残留，影响纤维束的集束性，进一步导致纤维强度损失。

图4 390 tex石英纤维纱织造损伤(×180)Fig.4 Quartz fiber yarns of 390 tex weaving damage (×180)

表1示出在不同回潮率下对不同线密度石英纤维纱在织造过程中经过各部位的强度损失测试结果。其中整经对石英纤维纱断裂强度的影响不大，故没有列出。 可看出：3种线密度石英纤维纱在织造时各织造阶段烘干后断裂强度均低于原纱，且断裂强度损失率随回潮率增大而增大，这是织造过程中石英纤维纱磨损导致的力学性能不可恢复，回潮率越高，石英纤维纱断裂强度越低，织造后损伤越严重。与低密度石英纤维纱相比，高线密度的石英纤维纱表层摩擦损伤的纤维占比较少，织造后强度损失率较低。

表1 石英纤维纱织造过程中经纱的损伤Tab.1 Damage of warp yarn during quartz fiber yarns weaving

2.4 石英纤维纱断裂强度损失的影响因素

由2.2及2.3节可知，不同回潮率条件下石英纤维纱的断裂强度变化较大，即石英纤维纱内部及其表面的水分子会对其强度造成较大影响。石英纤维的主要成分为二氧化硅，从微观角度讲，二氧化硅由互相连接的硅氧基四面体构成。由于二氧化硅颗粒最外侧氧原子不饱和性，很容易在二氧化硅表面形成大量的硅羟基[13]。二氧化硅表面的硅羟基主要以自由硅羟基、连生硅羟基和双生硅羟基3种形式存在。硅羟基的存在使得二氧化硅表面容易与环境中的水形成氢键，形成结合水，结合水又吸附空气中的水形成吸附水[14]，致使二氧化硅表层结构发生溶胀，造成二氧化硅内部化学键力学性能下降。另外，环氧k型树脂浸润剂具有亲水性，按1.2.5节实验方法对390 tex石英纤维纱涂敷所测得的实验结果如图5所示。

图5 浸润剂对390 tex石英纤维纱力学性能的影响Fig.5 Effect of concentration of wetting agent on mechanical properties of quartz fiber yarns of 390 tex

由图5可知：在390 tex石英纤维纱表面涂敷不同体积分数浸润剂，浸润剂体积分数越高，经烘干后石英纤维纱的断裂强度越大。相比于未经处理的石英纤维纱，经100%浸润剂处理的石英纤维纱其断裂强度上升17%，而经去离子水处理的石英纤维纱其断裂强度下降9%，这主要是由于石英纤维纱表面涂敷浸润剂质量分数越高，烘干后表面浸润剂含量越多。石英纤维纱是多根单丝经加捻组合在一起的丝束，浸润剂可对各单丝之间起到较好的黏连作用来更好地提升纤维集束性，这有利于石英纤维纱线拉伸时各单丝同时受力，从而提高纱线的断裂强度。

3 结 论

1)回潮率对石英纤维纱断裂强度有明显影响，3种线密度(95、195、390 tex)石英纤维纱在回潮率为10%时，断裂强度均下降20%以上，回潮率在100%时较0%时断裂强度分别降低41%、34%、28%，烘干后石英纤维纱的断裂强度可恢复。

2)石英纤维纱断裂强度的降低与石英纤维表面浸润剂吸水有关。回潮率低时，浸润剂黏附性高，纱线集束性强，纤维拉伸时，同时受力。

3)织造过程中石英纤维纱会受到损伤，环境湿度越高，织造过程中损伤越明显，且织造过程对其造成的损伤不可恢复。

4)环境湿度对石英纤维纱的力学性能有较大影响，为提高石英纤维纱的质量和生产效率，在实际生产中要严格控制织造车间的湿度。

FZXB