聚丙烯非織造布親水改性方法與評價(jià)指標(biāo)

張?jiān)聭c 錢曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

聚丙烯非織造布親水改性方法與評價(jià)指標(biāo)

張?jiān)聭c 錢曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

介紹聚丙烯非織造布親水改性的原理、目前常用的親水改性方法以及親水性能的主要評價(jià)指標(biāo)。指出隨著非織造布應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，新的親水改性方法和評價(jià)指標(biāo)也會不斷出現(xiàn)。

聚丙烯非織造布，親水性，改性方法，評價(jià)指標(biāo)

聚丙烯(PP)非織造布由于其優(yōu)良的性能和低廉的價(jià)格而得到廣泛應(yīng)用，無論在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域還是在服用、擦拭材料方面都成為首選材料［1］。

由于PP是非極性結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較高，分子排列規(guī)整，結(jié)構(gòu)致密，基本不含親水基團(tuán)，所以PP非織造布基本沒有吸水功能。為滿足產(chǎn)品對吸濕性能的要求，必須對PP非織造布進(jìn)行親水改性或親水整理。

1 改善非織造布親水性的原理和途徑

非織造布所吸收的水由兩部分組成:一部分是吸收水，即由于纖維中親水基團(tuán)的作用而吸收的水分;另一部分是毛細(xì)水，即存在于纖維及非織造布內(nèi)部間隙的水分子。吸濕時(shí)，由于表面能的作用，水分子先吸附在纖維及非織造布表面，然后一部分水分子因毛細(xì)效應(yīng)進(jìn)入非織造布內(nèi)間隙，即為毛細(xì)水;另一部分水分子不斷擴(kuò)散與纖維內(nèi)的大分子親水基團(tuán)相結(jié)合，形成吸收水［2］。

PP非織造布親水改性方法由于其吸濕原理而多種多樣，基本上可以分為物理改性和化學(xué)改性兩種方法?；瘜W(xué)改性主要是改變PP的分子鏈結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其吸濕性，主要有共聚、接枝、交聯(lián)、氯化和氯磺化等方法。物理改性是改變分子的高次結(jié)構(gòu)，來達(dá)到提高親水效果的目的，主要方法是共混改性和表面改性等。

1.1 聚合物分子結(jié)構(gòu)改性

分子結(jié)構(gòu)改性是通過共聚、聚合和接枝等化學(xué)方法，在PP大分子中引進(jìn)大量親水性極性基團(tuán)結(jié)構(gòu)，或著將具有親水性的單體或聚合物作為支鏈，在纖維大分子上接枝以提高PP的親水性能。其中，最常用的方法是接枝改性。

1.1.1 化學(xué)接枝法

接枝方法分為表面接枝和本體接枝。表面接枝是在高能射線(電子束或紫外線)、等離子體、電暈放電作用下引發(fā)接枝，進(jìn)而使表面改性。本體接枝改性有溶液法、熔融法、懸浮法和固相法等。目前常用的是熔融接枝改性，其原理是在PP聚合物中加入接枝單體，在引發(fā)劑作用下，加熱熔融、混煉或擠出而發(fā)生接枝反應(yīng)。極性單體的接枝率是影響PP親水改性的重要因素。周延輝［3］將極性單體丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、PP在引發(fā)劑引發(fā)下，通過雙螺桿擠出機(jī)熔融接枝法制備PP接枝物。結(jié)果表明:GMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，PP接枝物的后退接觸角由純 PP的77.3°降為42.0°，親水效果明顯改善。但是，該方法易產(chǎn)生化學(xué)污染物，并對纖維物理性能有不良影響，會降低聚合物結(jié)晶度和熔點(diǎn)。

1.1.2 輻射接枝法

與傳統(tǒng)化學(xué)接枝法相比，輻射改性工藝簡單，節(jié)約能源，不需要引發(fā)劑，無污染，具有很好的發(fā)展前景。共輻射、預(yù)輻射和過氧化輻射接枝三種方法是目前常用的輻射接枝方法。Choi［4］通過輻射接枝法將極性單體丙烯酸接入聚乙烯(PE)/PP非織造布，應(yīng)用于電池隔膜。結(jié)果表明，非織造布的吸液能力和吸堿率隨接枝率的增加明顯提高。Choi等人［5］將親水性單體丙烯酸和甲基丙烯酸通過輻射接枝來改善PP膜的親水性。結(jié)果顯示，應(yīng)用在電池隔膜的PP膜隨著接枝率增加，親水效果得到改善。

1.2 共混改性

PP共混改性是指將其他親水聚合物或表面活性劑與PP混摻，使添加物填入PP較大的球晶內(nèi)，形成一種宏觀上均勻的新的聚合物。共混改性根據(jù)改性劑添加的時(shí)間段不同，可以分為:①母粒法，先將親水添加劑制成親水母粒，再與PP混合均勻后共同熔融紡絲;②全造粒法，將改性劑、PP切片、助劑一起混合均勻，用螺桿擠出機(jī)擠出造粒，制成親水改性PP粒子，再熔融紡絲;③紡前注射法，將親水性高聚物，如聚丙烯酸酯類衍生物、聚乙二醇衍生物等輸入螺桿擠出機(jī)，與PP熔體混合均勻，直接紡絲。

改性后的PP性能取決于共混物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和形態(tài)結(jié)構(gòu)，而共混物的組成、相容性、加工條件又起著關(guān)鍵作用。要通過共混方法得到部分相容的親水性共混體系，一般都需添加大分子親水性表面活性劑或極性聚合物。范玲玲等人［6］將親水改性劑CHA與PP共混后制成的熔噴非織造布可以有效降低接觸角，當(dāng)CHA質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5.5%時(shí)，接觸角為0°。陳青葵等人［7］將聚乙二醇辛基苯基醚、十二烷基苯磺酸鈉和十八醇三種表面活性劑分別與PP進(jìn)行共混，可有效改善PP的親水性，同時(shí)可降低PP熔體的黏度，并降低出口處膨脹率，有利于紡絲加工。姚瑜等人［8］利用丙烯酸接枝PP制成PP接枝丙烯酸共聚物(PP-g-AA)，再將PP、PP-g-AA以及乙烯—丙烯酸共聚物(EAA)三元共混，共混聚合物的接觸角降低到81°，親水性效果得到明顯改善。

1.3 等離子體處理改性

等離子體是一種全部或部分電離的氣體狀態(tài)物質(zhì)，含有原子、分子、離子亞穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)，并且電子、正離子和負(fù)離子的數(shù)量大致相等。氣體在電場力作用下發(fā)生電離，等離子體中的各種離子、激發(fā)態(tài)分子、自由基和光子等多種高能活性粒子與聚合物表面發(fā)生相互作用形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定存在的游離基。等離子體中的氣體可分為反應(yīng)氣體和惰性氣體兩類［9］，可反應(yīng)氣體主要是氮、氧和乙烯等，惰性氣體有氬和氦等。等離子體表面改性的主要途徑有表面濺射、表面刻蝕、表面交聯(lián)和形成新的化學(xué)結(jié)構(gòu)［10］。等離子體改性的優(yōu)點(diǎn)是改性只發(fā)生在材料表面層，不會改變內(nèi)部特性，且作用時(shí)間短、效率高，在干態(tài)下反應(yīng)，不污染環(huán)境。

等離子體改性的效果和等離子體的性質(zhì)有關(guān)。參數(shù)包括等離子體產(chǎn)生的功率、氣體類型、工作壓強(qiáng)等工藝參數(shù)以及設(shè)備結(jié)構(gòu)、頻率、電極的排布方式等設(shè)備參數(shù)。唐麗華等人［11］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加等離子體的放電功率和放電頻率、提高等離子體的數(shù)量和能量，可以明顯改善材料的親水性能。另外，等離子體的氣體種類對非織造布的親水性也有明顯影響，氧氣等離子體處理的非織造布與氬氣等離子體處理的非織造布相比，達(dá)到吸水平衡更快，吸水率高，這是因?yàn)檠鯕獾入x子體比氬氣等離子體更易在材料表面引入含氧極性基團(tuán)。

1.4 親水后整理

親水整理是一種方法簡便、效果顯著、成本低廉的非織造布后整理工藝，一般分為浸漬法和浸軋法，另外還有噴灑法和泡沫整理法。浸軋法能提高親水整理劑的附著力并能均勻分布在非織造布上，工藝簡單易行，所以實(shí)際生產(chǎn)中主要采用浸軋法。浸軋法的原理是將親水油劑覆蓋在非織造布的表面，形成親水薄膜，然后加熱烘干，使油劑固著在非織造布表面。

親水整理方法雖然工藝簡單，易于操作，但是整理后耐久性比較差。劉嫻等人［12］通過耐洗性測試表明，親水整理劑的耐洗性能一般，經(jīng)3次水洗后透水時(shí)間增大了約1.5倍。另外，親水性紡絲油劑常會聚集成大水滴，沿著纖維的邊緣遷移，容易在纖維交叉點(diǎn)上聚集，進(jìn)而形成大的沉淀物［13］，因此親水后整理PP非織造布較多用于一次性衛(wèi)生材料用品。

2 非織造布親水性的評價(jià)

目前PP非織造布的親水評價(jià)指標(biāo)主要有吸水率、接觸角、毛細(xì)效應(yīng)等。隨著非織造布應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，不斷賦予親水性新的內(nèi)容，像瞬時(shí)吸水、吸水均勻性、保水率等概念的提出反映了親水改性技術(shù)革新的動向。

吸水率是表征PP非織造布親水性的常用指標(biāo)。吸水率是指在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)或在材料完全潤濕所需要的時(shí)間內(nèi)，每單位質(zhì)量的非織造布吸收的水量。PP非織造布的吸水性能主要由本身的結(jié)構(gòu)和改性后PP纖維的親水性能決定。非織造布的空隙率越大，毛細(xì)水越多;改性后的PP親水基團(tuán)越多，則吸收水越多。

非織造布的平衡接觸角也是反映PP非織造布親水性的指標(biāo)。接觸角測試時(shí)可以將改性PP非織造布置于潔凈平滑的玻璃板上，平放于烘箱，使其熔融，待熔融后取出玻璃板，自然冷卻至室溫。因?yàn)镻P與玻璃膨脹系數(shù)不同，所以冷卻后PP薄膜自然脫落，從而制得非常光滑的PP同體表面，可采用直接測量法測定平衡接觸角。劉嫻［12］通過自制的親水整理劑浸漬PP非織造布，再以蒸餾水作介質(zhì)，通過針管將水滴直接滴在整理過的PP非織造布表面，測得其平衡接觸角為0°，而整理前PP非織造布的接觸角為148°。

毛細(xì)效應(yīng)也常用來評價(jià)PP非織造布的親水性。其測試方法是:將長30 cm，寬3 cm的PP非織造布試樣垂直放置在毛細(xì)效應(yīng)儀器中，水溫控制在(27±2)℃ ，樣品入水長度8～10 mm，30 min后立刻量取每根試樣條的滲液高度。試樣平均毛細(xì)效應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:H——試樣平均毛細(xì)效應(yīng)(cm/30 min);

n——試樣條數(shù);

hi——第i條試樣毛細(xì)效應(yīng)高度。

3 結(jié)語

隨著PP非織造布在服裝、醫(yī)療衛(wèi)生、保健用品以及產(chǎn)業(yè)用品方面需求不斷增加，PP非織造布的親水改性越來越受到重視。PP以及PP非織造布的親水改性的方法和途徑是決定其親水性能的關(guān)鍵。與此同時(shí)，針對不同領(lǐng)域和不同的用途，新的親水改性方法和評價(jià)指標(biāo)也會不斷出現(xiàn)。但是，不論是物理改性還是化學(xué)改性，在增加PP非織造布親水效果的同時(shí)，一定要兼顧其物理性能，否則改性也將失去意義。

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Hydrophilic modification of PP nonwovens and evaluation index

Zhang Yueqing，Qian Xiaoming
(School of Textile，Tianjin Polytechnic University)

The principles on hydrophilic modification of PP nonwovens and general methods of hydrophilic modification currently and key evaluation index of hydrophilic property were introduced.It was pointed out that novel hydrophilic modification methods and evaluation index would appear continuously by expansion of nonwovens application field.

PP nonwovens，hydrophility，modification method，evaluation indicator

TS176;TQ342+.62

A

1004－7093(2011)07－0033－04

2011－04－11;修改稿:2011－06－14

張?jiān)聭c，男，1983年生，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)楣δ苄苑强椩觳牧稀?/p>