针刺土工布工艺研究 毕业设计

1、毕业设计（论文）题 目： 针刺土工布工艺研究 学 院： 纺织与材料学院 专业班级：非织造材料与工程12级11201班 指导教师： 职称： 教授 学生姓名： 学 号： 1201221024 摘 要土工布具有优秀的过滤、排水、隔离、加筋、防渗、防护作用，具有重量轻、抗拉强度高、渗透性好、耐高温、抗冷冻、耐老化、耐腐蚀。而针刺土工布又是土工布中比较重要的一类。因此，研究针刺土工布的工艺对于设计性能优异的土工布有着重要意义。本课题研究的目的是通过上机实验确定在生产针刺土工布最优的开松、混和、梳理、铺网和针刺工艺。本课题研究的内容是从纤维原料的选择到针刺非织造布生产线上的实验，主要研究了固网前准备工艺（

2、开松、混和、梳理）和针刺工艺，并在相同针刺密度时改变针刺深度，在相同深度时改变针刺密度制备出产品。最后对产品进行性能测试，分析出工艺参数变化对产品力学和透水性能的影响，并确定最优的工艺参数。结果表明，铺网机上帘速度为26hz（7.35m/min），下帘速度为26hz（7.35m/min） ，钉帘速度为1.75hz（0.306m/min），且针刺密度250刺/cm2，针刺深度为8mm时，可获得较为优越的性能。关键词：针刺土工布，针刺密度，针刺深度，力学性能，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 录前 言1第1章 针刺土工布的简介21.1 土工布的种类21.2针刺土工布的现状和发展趋势31.3本

8、课题研究意义与内容41.3.1本课题研究意义41.3.2本课题的研究内容4第2章纤维原料的选用及固网前准备工艺的研究52.1针刺土工布用纤维原料52.1.1针刺土工布所使用的纤维原料的种类52.1.2各原料的性能52.1.3 针刺土工布纤维的规格及本课题的纤维选用62.2针刺土工布的工艺路线72.3 针刺土工布的固网前准备工艺82.3.1开松工艺82.3.2混和工艺92.3.3梳理工艺102.3.4铺网和喂入工艺112.4本章小结12第3章 针刺土工布的针刺工艺研究143. 1预针刺工艺143.2倒针刺工艺153.3主针刺工艺153.4产品设计及工艺计算163.6本章小结17第4章 针刺土工布

9、工艺对性能影响174.1针刺密度和深度对产品定量的影响174.2针刺密度和深度对产品厚度的影响174.3针刺密度和深度对产品透水性能的影响174.4针刺密度和深度对产品力学性能的影响174.4.1针刺密度和深度对产品顶破强度的影响174.4.2针刺密度和深度对产品拉伸断裂强度的影响174.4.3针刺密度和深度对产品撕裂强度的影响174.5本章小结17结 论17参考文献17致 谢17诚信声明17武汉纺织大学本科毕业设计（论文）前 言针刺非织造布作为土工布广泛地运用于各种民用工程，如公路和铁道路基修建、抑制山体滑坡、土地开垦、河堤和坡道加固等。在各种应用情况下，土工布都表现出其具有分离、过滤、排水

10、和加固功能。通常要求一种土工布具有多种功能，因此针刺土工布的设计必须满足其使用要求和技术指标。对土工布结构的研究已长达几十年，早期是用简单的织物，比如地毯基布或帆布作为土工布使用。然而,今天如果想把土工布用在任何所需的民用工程中,就必须明确定义土工布的特性并制造出满足工程要求的产品。这就提出了如何确定一个较为合理的工艺参数，以使得所生产出的针刺土工布达到比较优秀的力学和透水性能指标。本文讨论了生产针刺非织造土工布所采用的纤维种类、开松和梳理工艺、纤维成网及针刺工艺，并对不同针刺工艺参数（针刺深度、针刺频率）下针刺土工布产品的各项性能进行比较，从而获得性能较为优异的土工合成材料。本课题以江苏双凤

11、无纺布设备有限公司的wl小型针刺非织造生产线为例，通过上机实验，在不同工艺参数下制成样品，在改变工艺变量时采用控制变量法（如：相同针刺深度下改变针刺密度，相同针刺密度下改变针刺深度），最后，通过性能测试实验，分析出针刺密度和深度对针刺土工布力学和透水性能的影响，在查阅国家标准土工合成材料短纤针刺非织造土工布gb/t17638-1998后得出一个较为合适的工艺参数。第1章 针刺土工布的简介1.1 土工布的种类（1）机织土工布使用高强度工业用丙纶、涤纶、锦纶等合成纤维为原料，由至少两组平行的纱线（或扁丝）组成，一组沿织机的纵（织物行进的方向）称经纱，另一组横向布置称为纬纱。用不同的编制编织设备和工

12、艺将经纱与纬纱交织在一起织成布状，可根据不同的使用范围编织成不同的厚度与密实度的土工布产品，具有较高的原始强力。经机织后成规律交织结构，综合承载能力进一步提高。适应岩土工程的各种不同特性、要求而形成的一个土工材料的工业品系列。广泛应用于河流、海岸、港湾、公路、铁路、码头、隧道、桥梁等岩土工程中。能满足各种不同的用途。（2）编织土工布编织土工布是以聚丙烯、聚乙烯扁丝为原料通过编织工艺制成的土工合成材料，广泛用于水利、电力、港湾、公路、铁路建筑等岩土工程中。（3）非织造土工布非织造土工布是由长丝纺粘成网或短纤维经过梳理工艺铺排成网状，再经过针刺等工艺让不同的纤维相互交织在一起，相互缠结固着使织物规

13、格化，让织物柔软、丰满、厚实、硬挺，以达到不同的厚度满足使用要求，无纺土工布具有很好的织物间隙，有很好的附着力，由于纤维柔软具有一定的抗撕裂能力,具有很好的变形适应能力，同时具有很好的平面排水能力，表面柔软多间隙有很好的摩擦系数能够增加土粒等的附着能力，可以防止细小颗粒通过阻止了颗粒物的流失同时排除了多余水分，表面松软有很好的保护能力。根据工艺的不同又分为长丝纺粘土工布和短纤针刺土工布。它们都能起到很好的过滤、隔离、加筋、防护等功效，是一种应用广泛的土工合成材料。长丝的抗拉强度高于短丝，可根据具体要求选择使用。长丝纺粘土工布长丝纺粘土工布是采用高聚物切片经纺粘成网和针刺固结直接制成，产品规格从

14、 80-800g/m 2 任意选择，它是岩土工程和土木工程中应用的一种土工合成材料，是通过聚酯长丝成网和固结的方法制成，其纤维排列成三维结构。除了具有良好的力学性能外，还具有良好的纵横向排水性能和良好的延伸性能及较高的耐生物、耐酸碱、耐老化等化学稳定性能。同时，还具有较宽的孔径范围、曲折的孔隙分布、优良的渗透性能和过滤性能。短纤针刺土工布是非织造及工业用布的一种。是采用纤维纤度为6-12旦，长度为54-64mm的卷曲短纤维为原材料。通过无纺生产设备的开松，梳理，杂乱（短纤维相互交织在一起），铺网（规格化缠结固着），针刺等生产工艺的流程制成布状。它只要应用于铁路路基的加筋、公路路面的养护、运动馆

15、、堤坝的防护、水工建筑的隔离、遂洞、沿海滩涂、围垦、环保等工程。1.2针刺土工布的现状和发展趋势短纤针刺土工布在上世纪60 年代末期开始应用于欧洲,上世纪70 年代这种土工布很快从欧洲传播到美洲、西非洲,最后传到亚洲。但就目前土工布的发展趋势来看，从上世纪90年代中期开始，欧美土工布用量主要以纺粘长丝土工布为主，大约占到了非织造土工布的60%，而日本纺粘长丝土工布用量最大，大约占到非织造土工布的70%。这些情况都为针刺土工布的生产和销售带来了不小的压力。但事实告诉我们，短纤针刺土工布具有很多独特的优势：在工艺上，首先，针刺土工布原料选择范围广，可依据产品要求选择多种天然及合成纤维，纤度范围在2

16、.78dtex至13.3dtex之间，可以是单一纤维也可以是多种纤维的组合；其次，生产组织灵活，针刺土工布的生产是从纤维开始，生产停产方便，大小批量均可上产，而纺粘长丝土工布是从聚合物切片纺丝开始，虽然生产能力大，但是只能连续生产，小批量产品难以生产，不易调整规格和品种；再次，工艺可塑性大，针刺土工布工艺可调性大，可通过改变工艺达到优化产品性能达目的。虽然，目前土工合成材料中出现了纺粘长丝土工布、土工网格等材料，但是，但是，各种材料都有各自不同的优缺点,也有不同的适用范围。短纤针刺土工布正如上述的那样具有着自己的优势和特点,因此不会因其它材料的发展而被轻意地取代,它还有着良好的发展前景。1.3

17、本课题研究意义与内容1.3.1本课题研究意义 土工布能够加强土体的抗拉强度和抗变能力，增加建筑结构的稳定性，以改善土体质量，从而有效地将集中应力扩散、传递或分解，防止土体受外力作用而破坏。而针刺土工布，作为非织造土工布中比较重要的一大种类，具有很多其他土工合成材料不具备的优势。对于针刺土工布，其各项工艺参数决定了产品的性能和质量。因此研究针刺针刺土工布的工艺对针刺土工布的开发和工程施工土工布产品的选择有着至关重要的意义。1.3.2本课题的研究内容本课题的研究内容主要是以合成纤维为原料，在小型非织造针刺生产线上进行小样生产，通过变换梳理机、铺网机以及预针刺和主针刺的各项参数，使产品的定量、针刺密

18、度、针刺深度发生改变从而制成不同针刺密度和深度的产品。最后分测试在相同针刺深度下不同针刺密度和在相同针刺密度下不同针刺深度时产品的拉伸断裂强力、撕裂强力、顶破强力、垂直渗透系数等性能指标，并得出它们之间关系，最后通过比较确定最优的工艺参数。第2章纤维原料的选用及固网前准备工艺的研究2.1针刺土工布用纤维原料2.1.1针刺土工布所使用的纤维原料的种类目前研究的是针刺土工布。该产品一般采用合成短纤为原料，适用原料广泛,可使用涤纶、维纶、丙纶、锦纶、粘胶、棉等多种纤维加工,也可使用纺织下脚料。2.1.2各原料的性能（1）涤纶聚酯纤维是由聚对苯二甲酸乙二酯经熔融纺丝制得，即涤纶。其性能优异，抗皱保暖性

19、好，伸长、压缩、弯曲等形变恢复能力高，刚性大其弹性模量高，热稳定性好，耐腐蚀性仅次于锦纶。是一种比较理想的针刺非织造布用纤维。（2）锦纶聚酰胺纤维又称锦纶，其耐磨性最好，弹性回复率高、耐疲劳性好。缺点是弹性模量低，保型性差，耐热性不够高，耐光性差。适用于造纸毛毯和合成革基布。（3）丙纶由聚丙烯熔融纺丝制得，俗称丙纶。其耐水性优异，耐磨性良好，不吸水。广泛用于针刺过滤材料和土工布。 各种合成纤维性能比较如表2-2：表2-2合成纤维性能比较性能纤维类型涤纶锦纶丙纶乙纶弹性（cn/tex）4060406020603070初始模量（cn/tex）2508502607005070020500断裂伸长（%

20、）20302050155010455%伸长回弹性（%）70909510085959095密度（g/cm3）1.3951.1450.9100.955断裂功（cn/tex）719610672蠕变（%）低中高高2.1.3 针刺土工布纤维的规格及本课题的纤维选用（1）纤维品种土工布不仅需要足够的强力，而且要能够阻止土壤流失并能排出多余水分。这就要求用于针刺土工布的纤维不仅具有一定的强力，而且具有良好的耐水性和防霉变性。通过前两节的分析我们可以得知丙纶强力较高，耐磨和耐水性能优异，所以在本课题中我们选用丙纶纤维作为原料。（2）纤维长度纤维长度与产品拉伸强度和息息相关，一般化纤厂的纤维标准长度为38mm、

21、51mm、64mm、76mm。一般纤维长度越长、布的单向强度有所提高，但均匀性会差。纤维长些有利于增强抱合力，提高强度，但过长不易开松，易缠绕工作辊，产生纤维缠结，影响纤网均匀度；纤维过短会影响强力。为了达到针刺土工布的强力要求，我们在本课题中选择长度较长的纤维为原料，最终确定为76mm。（3）纤维细度纤维细度的选择取决于针刺产品的用途、手感、产品强伸度以及表面细腻度等。因为针刺土工布需要足够高的强力，所以土工布设定了纤维的系度范围2.78dtex至13.3dtex，可根据产品的要求自由选择。最终我们根据上述性能比较，我们在此课题中选用了规格为6旦76毫米（约为6.67dtex76mm）的丙纶

22、纤维作为针刺土工布的纤维原料。2.2针刺土工布的工艺路线针刺土工布所采用的工艺路线框图如下：铺网梳理混和开松主针刺倒针刺预针刺其中典型的生产线流程如图2-1所示，本课题所采用的生产线也是如此：图2-1针刺土工布的生产线纤维原料经过开松机初步的开松，然后通过风道送入喂棉机进行开松与混和，然后缓慢的喂入罗拉梳理机，梳理后的纤维形成薄的纤网，薄的纤网经过交叉铺网机的铺叠形成厚的纤网，可通过改变铺网角度和铺网速度来改变纤网的厚度。最后厚的纤网经过喂入机构送入针刺机通过预针刺、倒针刺、主针刺三道工艺并经过切边卷绕后即形成产品。2.3 针刺土工布的固网前准备工艺2.3.1开松工艺开松是针刺土工布工艺流程中

23、的第一道工序，我们选用粗开松机，粗开松机有多种形式，我们可依据纤维品种、纤维规格来选择开松形式。为防止设备对纤维造成较大损伤，一般打手选用要根据纤维细度来确定，细度低于0.67tex的选用钉式，大于0.67tex应选择豪猪式辊筒。本次课题我们选用的是wlgka500型开松机,开松机的示意图如图2-2所示：图2-2开松机示意图在纤维原料喂入开松机之前应该严格按照不同原料的比例，或者不同颜色的比例准确称重，严格控制喂入量的差异否则会造成成网的厚度不均匀。因为铺网机的幅宽为0.5m，而设计的产品定量为250g/m2,每批产品的长度大约为6m，考虑到开松、梳理等工艺有纤维原料损耗（每批产品大约为50g

24、），所以每批次喂入开松机的纤维原料大约750g。而纤维喂入时一定要保证梳理机出网的连续性和均匀性，所以在纤维喂入开松机时一定要缓慢均匀的喂入。喂入辊速度和开松辊速度要有一个恰当的配合，如果喂入辊速度过快可能造成纤维拥堵，开松辊不能将纤维充分开松，较高的开松辊速度可以将纤维充分开松，但是开松辊速度过高会损伤纤维，造成产品质量下降。通过多次实验我们确定电动机电动机频率为50hz，此时喂入辊转速14r/min，开松辊转速933r/min。开松过程中开松作用要适度柔和，使纤维损伤最小。同时观察风机的负荷是否正常，因为是人工喂入，所以必须均匀加入纤维原料，绝对不能喂入超出机械负荷的量，造成开松锡林堵棉或

25、风道塞棉，甚至会造成电动机损坏。2.3.2混和工艺棉箱喂棉是针刺法非织造布厚度和单位面积重量稳定的前提条件，其主要作用是经过充分开松、混和后的纤维处理成均匀的筵棉喂给梳理机，而筵棉的均匀性直接影响梳理成网的均匀性直接影响梳理成网的质量。如何保证筵棉均衡准时、定量通过喂入机构进入梳理机，使道夫出来的纤网均衡，这才是控制的关键。根据工作原理不同，棉箱喂棉机可以分为定重式和定容式两种。根据棉箱结构不同，棉箱喂棉机又可分为称重式喂棉机，槽卧式喂棉机、震动式喂棉机和气压式喂棉机属于定容类型。本课题选用的是江苏省太仓双凤非织造布设备有限公司生产的wlgkd500型给棉机，如图2-3所示：光电管角丁帘底帘光

26、电管图2-3震动式喂棉机对于震动式喂棉机来说，一般需要调整角钉帘与均棉罗拉的隔距、底帘的速度、角丁帘的速度以及剥取罗拉的转速。调整角丁帘和均棉罗拉的隔距是改变过棉量；调整底帘速度使棉束对角丁帘产生一定的压力，使角丁帘能够带上足够的棉，同时起到混和作用，底帘速度越大角钉帘上带的纤维越多，过大的底帘速度可能造成纤维不能充分将纤维混和；剥取罗拉的速度取决于能否把角丁帘上的棉剥取干净；调节光电管的上下位置和延时时间使棉箱容量适当；调节震动板的频率和振幅是保证纤维横向和纵向上的密度分布均匀。由于该小型喂棉机可调节的参数只有角丁帘参数，我们经过多次实验，最终将角丁帘的电机频率设定为18hz。2.3.3梳理

27、工艺在针刺土工布的成网过程中，梳理是关键工序。梳理的作用是将经过开清棉工序的纤维加工成薄纤维网，并经过铺叠交叉成网后供针刺机加固。梳理机一般有罗拉式梳理机、盖板式梳理机以及非织造专用的双锡林双道夫梳理机。本次设计所采用的是江苏省太仓双凤非织造布设备有限公司生产的wlgsa500型梳理机。通常工作辊和锡林之间的速比为（1:20）（1:40）。即工作辊的线速度若为1m/min，则锡林的线速度为2040m/min。如果纤维短的话，速比可采用较大一点，它可以有效的改变梳理效果；如果纤维长的话，速比可采用较小一点，以减少梳理负荷。主锡林的速度是道夫的1520倍；剥取辊的速度比工作辊的速度快1.11.2倍

28、；主锡林与工作辊速度的相对值越小越有利于减少棉结；适当降低工作辊速度，可改善棉网均匀性，提高撕裂强力。生产速度加大，将增加主锡林的针面负荷，影响纤网的均匀性。道夫是将锡林上上的棉层凝聚在针尖上，它的作用是将锡林上的棉层均匀的凝聚在其表面，所以它和锡林之间的隔距至关重要的。隔距过大则无法将锡林上的棉层充分转移出来，那么锡林上会逐渐形成棉网的沉积，影响整个梳理的效果；反之，隔距过小也会造成道夫上棉层太薄甚至无棉。凝聚辊是起一种机械杂乱的作用，凝聚杂乱的原理是吧纤维推挤到凝聚罗拉的针齿上并改变纤维方向（负牵伸）。它是将道夫上的棉层进一步凝聚，同时在凝聚过程中使部分纤维改变了排列方向，从而起到改变纵横

29、向强力的作用。通常情况下杂乱辊有两根，通过两次杂乱后，棉层已全部浮在针尖表面，再由剥取罗拉将棉层完全地从针尖上剥取下来，形成一张连续均匀的棉网，通过棉网的传输带再输送入铺网机，道夫与杂乱辊的速比一般为（1:1.2）(1:1.4)。由于wl小型梳理机的工艺参数关系到纤网及产品的定量，由于本次设计的针刺土工布定量为250g/m2,且各种纤维原料的工艺参数略有不同。经过多次开机试验，我们将梳理机的各项频率设置为：锡林30hz(868.6m/min)，道夫25hz(9.3m/min)， 喂入辊10.5hz（0.651m/min）。剥取辊：112.0m/min，胸锡林：29.9m/min，工作辊1、2：

30、5.3m/min，工作辊3：4.7m/min，杂乱辊1：7.6m/min，杂乱辊2：6.1m/min。该小型梳理机的各部件间的隔距是不可调的，具体如表2-4所示：表2-4 wlgsa500型梳理机各部件间的隔距部件隔距(mm)喂入辊与胸锡林间0.47剥取辊1、2、3、4与锡林间0.70工作辊1与锡林间0.70工作辊2与锡林间0.60工作辊3与锡林间0.50剥取辊4与道夫间0.70道夫与锡林间0.10-0.18道夫与杂乱辊1间0.25杂乱辊1与杂乱辊2间0.25斩刀与杂乱辊2间0.352.3.4铺网和喂入工艺本次设计所采用的是江苏太仓双凤非织造布设备有限公司生产的wl小型交叉铺网机，该铺网机的原

31、理如图3-1所示。纤网图3-1 wl小型交叉铺网机示意图纤网被夹持在上帘和下帘之间，通过上帘与下帘的相对运动，将纤网铺放在钉帘上，通过调节上帘和下帘的速度，可以达到改变铺网速度的效果。通过调节钉帘的速度可以改变纤网输出速度进而改变铺网的厚度。钉帘的速度越大，其铺网层数越多，纤网越厚，产品定量越大，反之，产品定量越小。针刺机的喂入与输出一般为连续运动，对于中速针刺机的特殊低频率（针刺频率400次/min)针刺机应采用间歇步进，这样能提高产品布面质量。调整设备时一定要达到：当刺针在上止点时，喂入罗拉与输出罗拉开始工作，当刺针在下止点时，喂入罗拉与输出罗拉停止工作。因为所设计的产品定量在200g/m

32、2以上，且纤维原料在320旦之间，送网装置如图3-2。图3-2针刺生产线的送往装置图1-纤网 2-针梁 3-针板4-刺针 5剥网版 6-托网板7-输网帘 8-输入辊 9-导网片由于定量与铺网的厚度有着密切的关系，而此次设计的产品的定量为250g/m2,为了达到要求的定量，进行了多次开机试验，最终确定铺网机的参数为：铺网机上帘速度为26hz（7.35m/min），下帘速度为26hz（7.35m/min） ，钉帘速度为1.75hz（0.306m/min）。2.4本章小结（1）为了能使原料充分混和、开松，经过多次测试，在角丁帘电机频率为18hz时，原料混和最为充分。（2）通过多次实验，最终确定每次喂

33、入开松机750g丙纶短纤维。梳理机的各项频率设置为：锡林30hz(868.6m/min)，道夫25hz(9.3m/min)， 喂入辊10.5hz（0.651m/min）时可以输出较为稳定且连续的纤网。（3）在实验过程中，应该注意棉箱上部风道处容易挂花，使风道堵塞，造成未免中断。另外，喂棉机右侧的光电管上方也容易挂花，挂花可能遮挡红外线的接收，造成喂棉机意外停车，影响纤网的连续性。（4）需要注意的是铺网机钉帘的设置和小型梳理机喂入罗拉进料的参数设置，经过多次开机试验，当铺网机参数设置为上帘：26hz；下帘：26hz；钉帘：1.75hz，且每组纤维原料重量约为700750g时，所得产品的定量基本达

34、到标准。第3章 针刺土工布的针刺工艺研究3. 1预针刺工艺本课题中，预针刺设备选用的是江苏双凤非织造设备有限公司生产的wl小型预针刺机。针刺机分为预针刺机、倒针刺机和主针刺机，由于条件有限，本次设计只开启了预针刺和主针刺两台针刺机，通过两道针刺工艺来达到产品预先设计的针刺密度。本课题选用的预针刺机为单针板预针刺机，其植针密度1750针/米，预针刺机的作用是将经过梳理、铺网形成一定工艺要求的纤网通过预针刺的工序将纤网初步缠结定型，尽可能的减少成型纤网的牵伸，保证原纤网的纤网方向不变，达到产品的最佳效果。由于纤网输出速度和针刺频率关系到产品针刺密度，而设备的工艺参数完全是由电机频率来表示，这就需要

35、找到电机频率与针刺工艺参数的关系，以便后面合理设置。经过多次开机测量，三台针刺机的电机频率与工艺参数关系相同，且均呈线性变化，得出整个针刺工艺中针刺频率与电机频率和纤网输出速度与电机频率的关系，便于后期工艺计算参考。具体如图3-2和3-3所示。针刺频率（次/min）电机频率（hz）图3-2针刺频率与电机频率的关系纤网输出速度(cm/min)（cm/min）电机频率（hz）图3-3纤网输出速度与电机频率关系3.2倒针刺工艺倒针刺工艺选用的设备还是江苏双凤非织造设备有限公司生产的wl小型倒针刺机。倒针刺机的植针密度为2076针/米。倒针刺工艺的主要作用是通过刺针对纤网的反向穿刺，将纤网背面的纤维带

36、入纤网内部，增加了纤维的缠结，使经过预针刺的纤网强力提高。当然，倒针刺将纤网背面裸露的纤维带入纤网内部，也使产品表面变得平整光洁。根据图3-2和图3-3得出的关系，我们可以对倒针刺机的参数进行合理的配置，但需注意的是倒针刺机的纤网输出速度要与预针刺机的纤网输出速度基本保持一致，以防止倒针刺机输出速度过快造成纤网牵伸打断刺针，或者倒针刺机速度过慢造成倒针刺机进料口处发生拥堵影响产品质量。3.3主针刺工艺主针刺工艺选用的设备是江苏双凤非织造设备有限公司生产的wl小型预针刺机。主针刺机的植针密度为3666针/米。主针刺机的主要作用是将进过预刺和倒刺初步缠结的纤网通过主针刺机进一步针刺缠结，从而达到产

37、品工艺要求的缠结效果和针刺密度。为了达到产品要求的针刺密度，主针刺机的植针密度是所有针刺机中植针密度最大的。经过倒针刺和主针刺的产品表面平整，无明显针痕条纹等缺陷。3.4产品设计及工艺计算考虑到针刺土工布的针刺工艺参数（针刺密度和针刺深度）对其厚度和尺寸及性能有一定影响，所以针对所设计产品的要求进行如下工艺计算：为了便于变量的控制和后期性能测试实验的对比，设计了三组产品六组式样，如表3-1表3-1产品的设计工艺变量组别123样品编号d1s1d2s2d3s3针刺深度（mm）858585针刺密度（刺/cm2）150200250产品定量(g/m2)250250250由于铺网宽度为50cm，产品的定量

38、为250g/m2,每个样品的长度约为6m，则每组纤维的喂入量约为700-750g针刺工艺参数的计算公式如下： d=n/(100s) (3-1)式中：d针刺密度（刺/cm2）；n针刺机植针密度（针/m）；s针刺机每刺一次纤网前进的距离（cm）另外，s和纤网输出速度、针刺机针刺频率有关，可用下式表示： s=v/n100 (3-2)式中：v纤网输出速度（m/min）； n针刺机的针刺频率（次/min）所以，针刺密度d还可以表示为： d=nn/(10000v) (3-3)由于本课题仅开启预针刺机和倒针刺机，所以必须通过预针刺和倒针刺两道工序使产品的针刺密度达到要求，即满足下式： d=d预+d倒 (3-

39、4)因为，通过改变针刺频率和和纤网输出速率均可改变产品针刺密度，所以我对每组的主针刺频率进行预先确定，然后通过产品针刺密度来计算纤网输出速度。第一组：根据图3-2和图3-3，设置预针刺频率为200刺/min(10hz),倒刺频率为300刺/min（15hz）,据此计算纤网输出速度如下：150=1750200/(10000v)+2076300/(10000v)解得：v=0.648m/min即7.62hz其他参数不变，样品d1针刺深度8mm，样品s1针刺深度5mm第二组：根据图3-2和图3-3，设置预针刺频率为250刺/min(12.5hz),倒刺频率为400刺/min（20hz）,据此计算纤网输

40、出速度如下：200=1750250/(10000v)+2076400/(10000v)解得：v=0.634m/min即7.46hz其他参数不变，样品d2针刺深度8mm，样品s2针刺深度5mm第三组：根据图2设置预针刺频率为300刺/min(15hz),倒刺频率为450刺/min（22.5hz）,据此计算纤网输出速度如下：250=1750300/(10000v)+2076400/(10000v)解得：v=0.584m/min即6.87hz其他参数不变，样品d3针刺深度8mm，样品s3针刺深度5mm为了防止纤网喂入时在针刺机的辊子内侧发生拥堵，将刺针打断，须在喂入和纤网输出时有一定的牵伸，所以进料

41、机的喂入速度应稍小于纤网输出速度，经多次试验，将进料机的频率设置为5.62hz，进料速度0.466m/min。对生产出的产品定量进行初步测试，定量为238g/m2,基本达到产品定量要求。但在实际操作中可能出现由于倒针刺的针刺频率过高，针刺机出现断针现象，可以结合实际情况将针刺频率降低至原来设计频率的一半，并重复进行两次倒刺工艺，以使得产品达到要求。3.6本章小结（1）本章主要是对针刺工艺部分进行了介绍以及对产品的设计，最终通过寻找针刺工艺参数与电机频率的关系，计算出符合产品要求的针刺频率和纤网输出速度。 （2）在预针刺时纤网输出速度应该稍大于喂入机的进料速度，使其具有一定的牵伸，防止纤网拥堵造

42、成产品质量下降和预针刺机出现断针，而倒针刺机的纤网输出速度应与预针刺机的纤网输出速度保持一致。第4章 针刺土工布工艺对性能影响本课题通过对不同针刺密度下不同针刺深度的样品进行性能测试，性能测试均通过各样品之间的对比得出各种工艺参数对产品的影响。性能测试主要涉及产品定量、厚度、顶破强力、拉伸断裂强力、撕裂强力以及透水性等6项测试，能够直观的反映出一些问题。4.1针刺密度和深度对产品定量的影响非织造布定量的定义是指单位面积的质量，单位是克每平方米（g/m2）。本课题采用bg-200a型电子天平对每块边长为10cm的样品进行测试，并计算出定量。测试结果：见表4-1表4-1针刺土工布定量测试结果针刺密

43、度（刺/cm2）150200250针刺深度（mm）8585851237.56242.96242.09230.35234.23233.562248.73256.53239.47245.76218.34224.753239.45245.67217.56240.45220.58241.234257.34238.78222.64235.23234.45244.245232.47246.53228.48249.67219.63227.4平均定量pa(g/m2)245.73248.76230.64238.59223.64235.3739.7642.5739.8744.2843.4547.85cv(%)17

44、.7818.0917.2918.5617.6819.24从表4-1中我们可以看出：（1）各个试样的平均定量均低于预先设计预先设计好的产品定量。这是因为在生产过程中在开松、混和、梳理以及铺网过程中纤维原料有一定的损耗（如储棉箱中的挂花，梳理机罗拉上纤维的缠绕，铺网机铺成的纤网前端和尾部厚度不够造成定量不足）。（2）当针刺深度不变时，针刺密度越大产品的定量越小。这是因为梳理机和铺网机的工艺参数不变，喂入针刺机的纤网重量固定，样品的定量随针刺密度的增加而减小。这是由于在针刺过程中，倒刺带着纤网表层的纤维重定向垂直进入纤网内层，纤维之间相互锁合，同时针刺压力使纤网变形产生扩散，而纤网在前进中又受到托网

45、板、针刺阻力以及输入与输出速比造成的牵伸，结果使纤网厚度下降，样品定量减小。（3）针刺深度深度较深的试样的cv值小于针刺深度相对较浅的试样。这是因为针刺越深纤维缠结得越紧密，纤维之间发生相对滑移的可能性就越小，其变异系数也就越小，反之，cv值也就越大。4.2针刺密度和深度对产品厚度的影响非织造布的厚度是指在承受规定压力下的布表面间的距离。它是评定评定非织造布外观性能的主要指标之一。非织造布的厚度影响非织造布产品的性能。不同类、不同用途的非织造布的厚度不同，同一类产品也有不同厚度规格之分。测定前取样要求：样品面积不小于压脚面积，距布边不得少于10cm，可以不裁样，以不影响操作为前提，测试点要均匀

46、分布测10次。实验仪器：yg141d型织物厚度仪。由于测试的是土工布的厚度，所以无需确定织物是否为膨松型产品，而是直接采用2kpa的压脚进行测量。测试结果；见表4-2表4-2针刺土工布的厚度测试样品规格实验次数及结果(mm)12345678910acv(%)150刺/cm28mm4.684.764.744.514.424.484.434.664.654.414.570.13.05mm4.414.404.764.534.604.794.294.734.644.694.580.23.7200刺/cm28mm4.124.064.274.194.634.144.234.014.024.144.180.

47、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从表4-2中可以看出：（1）当针刺深度不变时，针刺密度越大产品厚度越大。这是因为针刺土工布的厚度随针刺密度的增加而逐渐减小。随着针刺密度的增加，更多的刺针作用于纤网上，使得纤网逐渐紧密，纤维之间的摩擦缠结加强。纤网表层的纤维随着刺针运动进入纤网内层。由于纤维

48、的缠结抱合力的增强，纤维受应力回弹到初始状态的可能性变小。纤维被锁定在新的位置，致使针刺土工布的厚度随着针刺密度的增大而减小。但是，随着针刺密度的进一步增加，针刺土工布的紧密度相继增加到一定程度后趋于稳定，其厚度也趋于稳定。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，纤维变短使其回弹性增强，纤网之间束缚减弱，这样针刺土工布的厚度就有回升趋势。（2）当针刺密度度不变时，针刺深度越大产品厚度越大。因为针刺深度增加，针刺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，纤网表层的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加，纤维在垂直、水平向下的联系加强，彼此之间

49、的束缚加大，纤维回弹到初始位置的可能性变小，针刺土工布的厚度下降。（3）cv值也随着针刺密度和针刺深度的增大而增大，说明在产品的生产中，局部的厚度不太一致，这可能是因为预针刺机的针板上的断针过多造成的。所以，在工业生产中要保证产品质量应及时更换刺针。4.3针刺密度和深度对产品透水性能的影响渗透系数是土工布水力特性的一项主要指标，也是反映水在土工布孔隙中泳移的一种特性参数。我们要求土工布既能阻止土颗粒随水流失，又要求它具有一定的透水性。而透水性主要用垂直渗透系数来表示。垂直渗透系数的定义是渗流的水利梯度等于1时的渗透流速。（4-1）kn20=qahtr20kn20标准温度（20oc）时试样的垂直

50、渗透系数（cm/s）；t测量透水量的时间（s）；qt时间的透水量（cm3）a试样的透水面积（cm3）r试验水温时的动力粘滞系数（kpas）2020oc时水的动力粘滞系数（kpas）本实验采用yt020n型透水性能测定仪进行测试，测试结果如表4-3表4-3针刺土工布垂直渗透系数测试样品规格实验次数及结果(cm/s)123k20cv(%)150刺/cm28mm0.3200.3300.3130.3210.00852.655mm0.3830.3960.3970.3920.00781.99200刺/cm28mm0.3610.3580.3730.3640.00912.505mm0.3880.3950.39

51、60.3930.00812.06250刺/cm28mm0.3960.3780.3610.3960.00651.645mm0.3880.3920.4020，3940.00721.83从表4-3中可以看出：（1）当针刺深度不变时，针刺密度越大产品的垂直渗透系数越大。这是因为，针刺密度越大，针刺土工布的孔隙率增大，单位面积内透过的水量增加，使得其垂直渗透系数增大。但是，当针刺密度过大时，纤维之间的缠结增强，纤维之间的间隙减少，水不容易渗透，导致针刺土工布的垂直渗透系数增加趋缓。（2）当针刺密度不变时，针刺深度越大产品的垂直渗透系数越大。这是因为一方面，针刺深度增加，针孔的直径增加，使单位面积内水的流

52、速增加，导致针刺土工布垂直渗透系数；另一方面，针刺深度较小时，产品的厚度越大，过水时间增加同样导致产品的垂直渗透系数增加。4.4针刺密度和深度对产品力学性能的影响4.4.1针刺密度和深度对产品顶破强度的影响顶破强度是在土工布的平面，施加垂直的集中载荷，使其扩张至破裂所得到的最大顶压力。顶破试验是模拟在工程中土工布受到凹凸不平的载荷时，反映一种抵抗垂直于土工布平面法向压力的能力。实验仪器：yg(b)026d-500织物强力测试机。通过对产品顶破强度的测试得到以下数据，如表4-3所示。表4-4针刺土工布顶破强度的测试样品规格实验次数及结果(n)123平均值150刺/cm28mm 362.35358

53、.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）当针刺深度不变时，针刺密度越大，产品的顶破强力越大。这是因为针刺密度增大，可以增加产品内部纤维的缠结，使产品的强力提高，所以产品的顶破强度增大。 但是实验表明，针刺密度过大时，可能导致产品表面的纤维断裂，从而影响产品的顶破强度。（2）当针刺密度不变时，针刺深度越大，产品的顶破强力越大。这是因为针刺深度增大，刺针