汽車內飾用滌綸針刺布/PE膜熱壓覆膜工藝研究

馬志遠, 韓 建, 于 斌, 丁新波, 朱斐超

(浙江理工大學, a. 材料與紡織學院; b. 浙江省產業(yè)用紡織材料重點實驗室, 杭州 310018)

汽車內飾用滌綸針刺布/PE膜熱壓覆膜工藝研究

馬志遠a, 韓 建a, 于 斌b, 丁新波b, 朱斐超b

(浙江理工大學, a. 材料與紡織學院; b. 浙江省產業(yè)用紡織材料重點實驗室, 杭州 310018)

探討汽車內飾用滌綸針刺布/PE膜熱壓復合材料的最佳覆膜工藝條件。采用正交實驗分析法,選擇熱壓溫度、熱壓強度和熱壓時間進行三因素三水平實驗,對滌綸針刺布/PE膜熱壓復合材料的拉伸、撕裂以及剝離等力學性能進行研究;并采用掃描電鏡觀察復合材料中PE膜與滌綸針刺布的結合情況。結果表明:隨著熱壓溫度、熱壓壓強和熱壓時間的增加復合材料的拉伸、撕裂及剝離強力均有所提高,其中熱壓溫度對復合材料的力學性能影響最為顯著。通過掃描電鏡對復合材料的形貌結構觀察可知當熱壓溫度高于PE熔點時熱壓復合使PE膜滲透較為充分,與基材結合更為緊密。在工藝參數為115℃、3 MPa和5 min時可獲得綜合性能較為優(yōu)異的滌綸針刺布/PE膜覆膜材料。

汽車內飾; 針刺布; PE; 熱壓覆膜; 剝離強力

0 引 言

車用非織造內飾材料主要應用于門內飾、行李艙蓋板、車頂、車廂襯墊、座椅靠背等[1-2],其中最常見的為滌綸針刺非織造材料,并通過起絨、上膠、淋膜、噴霧和涂層等后整理工藝改善其性能[3-4]。

李華冠[5]通過對PET/PP非織造復合材料進行模壓整理制得克重低、尺寸穩(wěn)定性好、無甲醛釋放的汽車內飾材料。金銀山等[6]通過對阻燃滌綸/ES纖維非織造復合材料進行軋光整理制得了硬挺度好、透氣性低、力學性好、阻燃性好的車內飾材料。雖然現有研究對車內飾無紡布性能的改善已經較為充分,但是大部分都是只改善了其力學性能、硬挺度、阻燃性能等,對于其抗污、拒水、易打理等性能研究較少。通過對非織造材料表面覆膜,將膜材所特有的表面性能附加于基材,使其獲得特有的功能和性能,如抗水、拒污、易打理等[7-8]。常用的覆膜方法有兩種:一為膠粘法,使用膠黏劑將非織造布與膜材粘合在一起,但其材料的覆膜牢度低,易脫落,且膠黏劑中往往含有甲醛等有毒害成分;另一為熱壓復合法,其獲得的材料覆膜牢度較高,工藝簡便,生產效率高且無污染。在汽車內飾用非織造材料表面覆膜,其剝離強力是表征覆膜牢度的一項重要指標[9-10]。

本文通過對自制滌綸針刺布表面進行PE膜熱壓覆膜,來制備拉伸強力、撕裂強力和剝離強力較高,覆膜牢度穩(wěn)定的覆膜復合材料。探討在不同實驗條件下即通過改變熱壓溫度,熱壓壓強和熱壓時間對復合材料的力學性能、覆膜牢度和結合的影響,并分析在不同熱壓溫度下PE膜與滌綸針刺布的粘結現象以及剝離時的剝離機理。

1 試 驗

1.1 實驗材料與儀器

材料:自制滌綸針刺布(厚度2.7 mm,平方米質量240 g/m2),PE膜(0.01 mm,熔點112.3℃)。

儀器:XLB-25D平板硫化機(湖州星力橡膠機械制造公司);英斯特朗3369型電子萬能材料試驗機(美國英斯特朗集團);JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本電子公司)。

1.2 試驗方法

采用正交實驗設計方法,選擇對復合材料性能指標(拉伸強力、撕裂強力、剝離強力)產生顯著影響的熱壓溫度(A)、熱壓壓強(B)和熱壓時間(C)作為三個因素(工藝參數),再確定各因素的水平用L9(33)正交進行實驗研究,實驗安排如表1所示。

1.3 測試方法

1.3.1 力學性能的測試

根據標準GB/T 3923.1—1997《織物拉伸性能測試標準》,在英斯特朗3369型電子萬能材料試驗機上測試覆膜后樣條的拉伸強力。

根據標準GB/T 3903.12—2005/IOS 20872:2001《褲型撕裂強力測試標準》,在電子萬能材料試驗機上測試覆膜后樣條的撕裂強力。

1.3.2 剝離強力測試

根據標準FZ/T 60039—2013《剝離強力測試驗方法》,在電子萬能材料試驗機上測試覆膜后樣條的剝離強力。

1.3.3 結構與形貌的觀察

用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡對覆膜后復合材料進行橫截面觀察,并對PE在滌綸針刺布中的滲透情況進行分析。

2 結果與討論

2.1 正交實驗的結果與討論

以拉伸強力、撕裂強力及剝離強力為主要評價指標,做表1所示L9(33)正交實驗,其實驗結果如表2所示。

對以上實驗結果作極差分析,結果如表3所示。

根據表3中各不同因素相關性能指標(拉伸強力、撕裂強力、剝離強力)的大小,可知3個因素對性能指標影響的重要性排序均為A>B>C。

拉伸強力:A3B2C3;

撕裂強力:A3B3C3;

剝離強力:A3B2C3.

綜合平衡確定最優(yōu)工藝條件:

因素A,對于拉伸強力、撕裂強力、剝離強力,A3(115℃)均為最佳水平。

因素B,對于拉伸強力、剝離強力B2(3 MPa)為最佳水平;對于撕裂強力B3(5 MPa)為最佳水平,但撕裂強力為次要因素。所以取B2(3 MPa)為最佳水平。

因素C,對于拉伸強力、撕裂強力、剝離強力C3(5 min)為最佳水平。

2.2 熱壓工藝對復合材料力學及滲透性能的影響

2.2.1 熱壓工藝對力學性能的影響

為了分析熱壓工藝對復合材料的拉伸強力、撕裂強力的影響,作拉伸強力、撕裂強力隨熱壓溫度、熱壓壓強和熱壓時間變化曲線如圖1、圖2所示:

圖1可知,隨著熱壓溫度、熱壓時間的上升,復合材料的拉伸強力逐漸上升。其中熱壓溫度對復合材料的拉伸強力影響最為明顯。這是因為,當熱壓溫度、熱壓時間增加,PE膜與基材的結合趨于緊密,膜與基材間的作用力增強,從而提升復合材料的拉伸強力。觀察熱壓壓強對復合材料拉伸強力的影響,可知,熱壓壓強為3 MPa時,復合材料的拉伸強力達到最大值;而在熱壓壓強5 MPa時,復合材料的拉伸強力有所下降。這是因為,熱壓壓強增大有利于熱壓模具與PE膜及滌綸針刺材料間熱量的傳遞,使PE膜與基材結合緊密,膜與基材間作用力增強,從而提升復合材料的拉伸強力,但是過高的熱壓壓力使滌綸纖維嵌入PE膜中,破壞了膜的完整性,使復合材料的拉伸強力下降。

圖2可知,隨著熱壓溫度、熱壓壓強和熱壓時間的上升,復合材料的撕裂強力均呈逐漸上升趨勢,其中熱壓溫度對復合材料的撕裂強力影響最為明顯,熱壓壓強和熱壓時間對復合材料的撕裂強力影響相對較小。

2.2.2 熱壓工藝對剝離強力的影響

剝離強力是表征覆膜材料覆膜牢度的關鍵指標。剝離強力隨熱壓溫度、熱壓壓強和熱壓時間變化曲線如圖3所示。

圖3可知,隨著熱壓溫度和熱壓時間的上升,剝離強力呈上升趨勢,而熱壓溫度對覆膜牢度的影響最為顯著;但是,隨著熱壓壓強的上升覆膜材料的剝離強度呈現先上升后下降趨勢。由于覆膜復合材料的剝離強力是由界面間粘合強力所決定的[11],覆膜材料界面間的作用力主要是兩層材料間的吸附,吸附強力的大小關鍵是滌綸針刺布和薄膜間的接觸面積,因此,熱壓時提高溫度和增加時間,能提高PE膜和針刺布之間的接觸面積從而增加剝離強力;然而,過高的熱壓壓強使得滌綸纖維嵌入熔融后的PE膜,破壞了膜的完整性,減少了膜材與針刺布間的粘結力,因此,剝離強力在熱壓壓強增加到5 MPa時反而有所下降。

由于熱壓溫度對復合材料的剝離強力影響最明顯,為了研究覆膜材料膜材剝離時的剝離機理,選取表2中試樣4(熱壓工藝為110℃,1 MPa,3 min)、試樣8(熱壓工藝為115℃,3 MPa,1 min)作剝離強力-剝離位移曲線,結果如圖4所示。

圖4可見,剝離曲線上波峰和波谷間上下過渡區(qū)曲線較陡,測試時隨著拉力增大,曲線不斷上升,當達到峰值時,拉力又迅速下降。出現此現象的原因是,PE膜與基材的粘結是點與面及線與面的結合,剝離是點與面及線與面的剝離,所以當PE膜與基材剝離時拉力先上升,一旦點與面或者線與面達到剝離時拉力又迅速下降。比較試樣4和試樣8的剝離曲線可以發(fā)現,試樣8的波動頻率較大且波峰與波谷之間的差值較大。上述情況的原因是在試樣8的覆膜工藝(熱壓溫度高于PE的熔點)下纖維與PE膜緊密結合,剝離作用是粘合界面的纖維與纖維之間抽離以及纖維與PE膜之間的剝離,所以,剝離強力大且波動頻率較高;試樣4的覆膜工藝(熱壓溫度低于PE的熔點)下纖維與PE膜結合情況一般,剝離作用是粘合界面的纖維與PE膜之間的點接觸剝離,所以波峰與波谷之間的差值較小。

2.3 熱壓工藝對復合材料的結構與滲透性能的影響

采用SEM對不同熱壓溫度PE膜熱壓覆膜后復合材料進行形貌結構觀察,結果如圖5所示。

圖5為不同熱壓溫度(105、110、115℃),相同熱壓壓強、相同熱壓時間時復合材料橫截面SEM圖。通過比較可發(fā)現:圖5(a)中PE膜經過105℃熱壓后對基材基本無滲透,PE膜與基材粘結情況較差;圖5(b)中經110℃熱壓后PE膜有部分滲透入基材中,覆膜效果一般;圖5(c)中可發(fā)現經過115℃熱壓后PE膜熔融滲透充分,PE膜與基材結合緊密,而且基材中纖維之間緊密。由上述可知,當熱壓溫度上升時PE膜對基材滲透的程度提高,PE膜和基材的結合變得緊密,基材中纖維與纖維之間的抱合增強。此現象可解釋復合材料的力學性能和剝離強力隨熱壓溫度提高而提高的原因。

3 結 論

a) 以復合材料的拉伸強力、撕裂強力和剝離強力為評價指標,其最佳工藝條件為熱壓溫度115℃,熱壓壓強3 MPa,熱壓時間5 min。

b) 覆膜后復合材料中PE膜與滌綸針刺布的結合情況表明,隨著PE在滌綸針刺布中滲透部分的增加,拉伸強力、撕裂強力和剝離強力呈上升的趨勢,這主要是滲透后PE膜與基材緊密結合增強了基材的力學性能,PE膜與滌綸針刺布之間的接觸面積增加其覆膜牢度也有所上升。

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(責任編輯： 張祖堯)

Study on Hot Pressing Process of Polyester Needle-PunchedNonwovens/PE Film for Automobile Interior

MA Zhi-yuana, HAN Jiana, YU Binb, DING Xin-bob, ZHU Fei-chaob

(a. School of Materials and Textiles; b. The Key Laboratory of Industrial Textile Materials andManufacturing in Zhejiang Province, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper discusses the optimal pressing process conditions of polyester needle-punched nonwovens/PE film hot pressing composite materials for automobile interior; conducts three-factor and three-level test with hot pressing temperature, strength and time with orthogonal test analysis method and studies mechanical properties of polyester needle-punched nonwovens/PE film hot pressing composite materials such as tensile, tearing and stripping properties; and observes the combination of PE film and polyester needle-punched nonwovens with scanning electron microscope. The result shows that tensile, tearing and stripping strengths of composite materials increase with the increase of hot pressing temperature, pressure and time and hot pressing temperature has most significant influence on mechanical properties of composite materials. According to the observation of morphology and structure of composite materials by scanning electron microscope, hot pressure makes PE film penetrate more fully and bond with the base material more closely when hot pressure temperature is higher than PE melting point. When technological parameters are 115℃, 3MPa and 5min, polyester needle-punched nonwovens/PE film materials with outstanding comprehensive performance can be obtained.

automobile interior; needle-punched nonwoven; PE; hot pressing; peeling strength

1673- 3851 (2015) 05- 0612- 05

2014-12-29

馬志遠(1990-),男,浙江義烏人,碩士研究生,主要從事產業(yè)用紡織品方面的研究。

韓 建,E-mail:hanjian8@zstu.edu.cn

TS176.6

A