熱處理對滌綸針刺非織造布結(jié)構(gòu)與性能的影響*

沈 璐 鄧炳耀 劉慶生 夏前軍 范立元

(1.江南大學非織造技術(shù)中心，無錫，214122;2.江南大學生態(tài)紡織教育部重點實驗室，無錫，214122;3.南京際華三五二一特種裝備有限公司，南京，210007;4.江蘇迎陽無紡機械有限公司，常熟，215539)

針刺非織造技術(shù)是我國非織造行業(yè)中發(fā)展較早的生產(chǎn)技術(shù)，產(chǎn)品具備較強的市場競爭力和占有率，主要應用于合成革基布、過濾材料、土工材料和裝飾布等領(lǐng)域。近幾年來自水刺、紡粘、熔噴等技術(shù)在工藝及產(chǎn)品性能等方面的威脅［1］，向針刺非織造工藝及產(chǎn)品的性能和多元化發(fā)展提出了更高的要求。關(guān)于針刺非織造布的研究，多集中在原料選擇、纖網(wǎng)面密度、針刺深度和針刺密度等方面［2-3］，而在利用熱處理技術(shù)改善其結(jié)構(gòu)與性能方面尚缺少深入的研究。特別是針對作為空氣過濾材料用的滌綸針刺非織造布，在利用熱處理技術(shù)改進其過濾效率，拓寬其應用于環(huán)境保護領(lǐng)域的優(yōu)勢方面有待于進一步探究。

熱處理過程會引起纖維分子結(jié)構(gòu)和形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變，使穩(wěn)定度較低的結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定度較高的結(jié)構(gòu)單元［4］。熱處理引起的微觀變化，將綜合地體現(xiàn)在纖維及產(chǎn)品的宏觀性能的改變上，如尺寸穩(wěn)定性、強力和手感等［5］。因此，熱處理工藝常用于改善非織造布的結(jié)構(gòu)與性能，以改善其使用性能，滿足非織造布在衛(wèi)生、環(huán)保、過濾和土工等領(lǐng)域的應用［6］。本文在分析滌綸非織造布等溫結(jié)晶的基礎(chǔ)上，選擇適當?shù)臏囟扰c時間，對滌綸針刺非織造布進行熱處理，并進行各項性能表征。

1 試驗部分

1.1 原料與設(shè)備

原料:滌綸針刺非織造布，江蘇迎陽無紡機械有限公司。

設(shè)備:DSC-Q200差示掃描量熱儀，沃特世科技(上海)有限公司;R-3定型烘干機，瑞比染色試機有限公司;YG026A型織物強力機，常州第二紡織儀器廠;LZC-H型濾料綜合性能測試臺，蘇州華達儀器設(shè)備有限公司;CFP-1100A型毛細管流動孔隙測量儀，美國施多威爾公司;PL203電子天平，上海菁海儀器有限公司;YG141D型織物厚度儀，寧波紡織儀器廠。

1.2 等溫結(jié)晶性能測試

取5 mg左右的樣品放入DSC-Q200型差示掃描量熱儀進行測定。受氮氣氣氛保護，流量為50.0 mL/min，以 50.0℃/min的升溫速率，從30℃升溫至300℃，恒溫3 min，消除熱歷史，然后以100.0℃/min的冷卻速率分別驟降至180、190、200、210、220和230℃，恒溫一定時間進行等溫結(jié)晶，并記錄DSC譜圖。

1.3 熱處理

采用R-3定型烘干機，在210℃橫向定長狀態(tài)下，對滌綸針刺非織布分別處理1、2、3和4 min，取出后置于室溫中自然冷卻，靜置24 h。

1.4 性能測試

將經(jīng)過不同時間熱處理的與未經(jīng)處理的滌綸針刺非織造布進行各項性能表征，并進行對比分析。

1.4.1 面密度和厚度

按照FZ/T 60003—1991《非織造布單位面積質(zhì)量測定》及FZ/T 60004—1991《非織造布厚度測定》對熱處理前后的滌綸針刺非織造布進行面密度和厚度測試。

1.4.2 力學性能

采用YG026A型織物強力機對滌綸針刺非織造布進行斷裂強力及斷裂伸長率測試。夾持距離為10 cm，拉伸速度為100 mm/min，各樣品測量5次，取平均值。

1.4.3 孔徑與過濾性能

采用CFP-1100A型毛細管流動孔隙測量儀對滌綸針刺非織造布進行孔徑及孔徑分布測試。

采用LZC-H型濾料綜合性能測試臺對滌綸針刺非織造布進行過濾效率測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 滌綸非織造布等溫結(jié)晶DSC曲線

圖1 是滌綸非織造布在180、190、200、210、220和230℃恒溫一定時間所得的結(jié)晶過程曲線。滌綸分子中含有不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)的苯環(huán)，其大分子基本為剛性分子，易于保持線性分子鏈，因此在一定溫度條件下很容易形成結(jié)晶。

圖1 不同溫度下滌綸非織造布等溫結(jié)晶DSC曲線

2.2 熱處理溫度與時間的確定

聚合物結(jié)晶的總速度由晶核生成速度與晶體生長速度所控制［7］。在結(jié)晶過程中，溫度影響成核速率，也影響晶體生長速率。溫度過高，不利于晶核形成;溫度過低，則影響晶體的生長速率。結(jié)晶度與晶區(qū)分布對滌綸及其織物的力學性能有一定影響［8］。

當溫度在180～200℃之間時，晶核生成的速度增加，同時分子鏈仍然具有相當?shù)倪\動活性，容易向晶核擴散排入晶格，晶體生長速度也加快，結(jié)晶總速度迅速增加。因此，在該溫度下完成結(jié)晶的過程所需時間非常短，基本在1 min內(nèi)完成結(jié)晶，結(jié)晶峰尖銳。

當溫度在200～230℃之間時，隨著溫度的升高，分子熱運動加劇，分子鏈有序排列所形成的晶核不穩(wěn)定或不易形成晶核，盡管此時分子運動能力很強，但總的結(jié)晶速度較低，完成結(jié)晶的過程所需時間逐漸增加，在230℃時完成結(jié)晶的時間超過10 min，結(jié)晶峰不明顯。因此，在210℃條件下，結(jié)晶速度較為適中。

滌綸的相對結(jié)晶度X是t時刻試樣結(jié)晶放出的熱量與其完全結(jié)晶時所放出熱量的比值，可通過下面公式計算得到［9］:

式中:Xc(t)——t時刻試樣結(jié)晶放出的熱量;

Xc(t∞)——無限長時間放出的最大熱量。

由圖2可見，相對結(jié)晶度與時間的關(guān)系曲線呈S形，滌綸結(jié)晶的晶體生長過程可以分為三個階段［10］。結(jié)晶誘導初期滌綸的相對結(jié)晶度沒有顯著提高，此后結(jié)晶度則隨時間迅速增長。測試結(jié)果表明，在210℃時完成結(jié)晶過程的時間約為3 min。為進一步研究熱處理過程中結(jié)晶狀況對于滌綸針刺非織布性能的影響，選定210℃為熱處理溫度，處理時間根據(jù)結(jié)晶完成時間分別確定為1、2、3和4 min。

圖2 滌綸非織造布在210℃時相對結(jié)晶度與時間的關(guān)系曲線

2.3 熱處理前后非織造布性能表征

2.3.1 面密度與厚度

表1為未經(jīng)處理的滌綸針刺非織造布與在210℃下分別經(jīng)過1、2、3和4 min熱處理后的滌綸針刺非織造布的面密度和厚度?？梢钥闯觯S著熱處理時間的增加，面密度逐漸增加。熱處理溫度高于滌綸的玻璃化溫度，部分分子鏈段運動加劇，能自由旋轉(zhuǎn)、彎曲、伸展或收縮，纖維表現(xiàn)出較大的變形能力。同時，隨著熱處理時間的增加，纖維收縮加劇，非織造布結(jié)構(gòu)更加緊密。非織造布在橫向被固定，縱向發(fā)生收縮，因而面密度增加。熱處理對于非織造布厚度的影響不大，厚度的差異主要來源于基布本身的厚度不勻。

表1 熱處理前后非織造布面密度與厚度參數(shù)

2.3.2 力學性能

由圖3可見，隨著熱處理時間的增加，滌綸非織造布的斷裂強力逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。這是因為熱處理時間的延長，使滌綸大分子處于顯著熱運動的時間更久，更有利于分子的誘導取向再結(jié)晶過程，形成更多結(jié)構(gòu)更完善的結(jié)晶;同時，在熱處理過程中，單根纖維的熱收縮造成了非織造布整體的收縮，使非織造布結(jié)構(gòu)以及纖維之間的纏結(jié)更加緊密。結(jié)晶更加完善和結(jié)構(gòu)更加緊密綜合作用的結(jié)果導致非織造布的力學性能得到明顯改善。在達到一定時間后，結(jié)晶趨于完整，不會隨著時間的增加而無限結(jié)晶，同時非織造布結(jié)構(gòu)緊密程度趨于穩(wěn)定，因此強力隨之保持穩(wěn)定。

圖3 熱處理前后非織造布斷裂強力與斷裂伸長率變化曲線

圖3還顯示，經(jīng)過熱處理的非織造布的斷裂伸長率明顯低于未經(jīng)處理的非織造布。這是由于熱處理使纖維結(jié)晶度增大，大分子鏈之間的作用力增強，阻礙分子鏈之間的滑移，延伸度降低。

2.3.3 孔徑及過濾效率

熱處理前后滌綸針刺非織造布孔徑及孔徑分布的測試結(jié)果見表2。

表2 熱處理前后非織造布孔徑及孔徑分布測試結(jié)果

熱處理使纖維變形收縮，非織造布整體隨著纖維的收縮而更加緊密，且隨著熱處理時間的增加，平均孔徑明顯減小，同時孔徑分布最集中的區(qū)域值逐漸減小。

過濾效率是針刺非織造布作為過濾材料應用時的一項重要指標，其中以針對PM2.5的監(jiān)測標準尤為重要。表3是熱處理前后滌綸針刺非織造布的過濾性能。綜合過濾效率η按下式計算:

式中:nl——上游各粒徑的粒子數(shù)總和;

n2——下游各粒徑的粒子數(shù)總和。

表3 滌綸針刺非織造布的過濾性能

經(jīng)熱處理后，非織造布的平均孔徑隨著熱處理時間的增加而逐漸減小，相應的過濾效率也逐漸提高，尤其是對于較小粒徑顆粒的過濾效率較高。其中，經(jīng)熱處理后對粒徑≥2.0 μm的顆粒的過濾效率，由最初的46%，提升至70%以上，過濾效率提高較為明顯。對粒徑≥10 μm的顆粒熱處理前后的滌綸針刺非織造布的過濾效率均可達到100%。從綜合過濾效率來看，經(jīng)過熱處理后的非織造布過濾效率明顯提高，且隨著熱處理時間的增加，纖維收縮使非織造布更加緊密，其綜合過濾性能提高，對小粒徑顆粒的過濾效率得到改善。

3 結(jié)論

(1)滌綸針刺非織造布在不同溫度下的等溫結(jié)晶DSC曲線顯示，在210℃時完成結(jié)晶過程的時間約為3 min。

(2)熱處理對滌綸針刺非織造布的力學性能有明顯影響，隨著熱處理時間的增加，斷裂強力提升，斷裂伸長率較未處理時有所下降。

(3)隨著熱處理時間的增加，滌綸針刺非織造布平均孔徑逐漸減小，對小粒徑顆粒的過濾效率提高，對粒徑≥2.0 μm的顆粒的過濾效率，由最初的46%提升至70%以上，綜合過濾效率得到改善。

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