PP/PET針刺過濾材料熱老化性能研究*

胡　爽　　朱　亮　　周淑萍　　張　明　　張如全

武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)和工程學(xué)院， 湖北 武漢 430073

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PP/PET針刺過濾材料熱老化性能研究*

胡爽朱亮周淑萍張明張如全

武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)和工程學(xué)院， 湖北 武漢 430073

摘要：為探索聚丙烯(PP)/聚酯(PET)針刺過濾材料的耐熱老化性能，采用烘箱法對試驗(yàn)制備的3種PP/PET針刺過濾材料樣品進(jìn)行不同熱老化溫度和熱老化時(shí)間的處理，研究熱老化溫度和熱老化時(shí)間對PP/PET針刺過濾材料各項(xiàng)性能的影響。結(jié)果表明：隨著熱老化時(shí)間的延長和熱老化溫度的升高，PP/PET針刺過濾材料的質(zhì)量、厚度、斷裂強(qiáng)度降低，尺寸縮小；當(dāng)熱老化溫度超過120 ℃、熱老化時(shí)間超過4.0 h后，熱老化程度明顯加劇。

關(guān)鍵詞：PP/PET針刺過濾材料，熱老化時(shí)間，熱老化溫度，性能

針刺過濾材料被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、輕工、紡織、制藥、電子、食品、陶瓷等領(lǐng)域，但其熱老化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。目前，有關(guān)針刺過濾材料抗熱老化方面的研究已有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并已取得了一些成果，如使用各種穩(wěn)定劑、抗氧化劑等[1]，但這些藥劑只能延長針刺過濾材料的使用壽命，不能完全解決針刺過濾材料的熱老化問題，故人們?nèi)詫Υ耸株P(guān)注與重視[2]。

聚丙烯(PP)纖維具有良好的力學(xué)、電絕緣和加工性能，且無毒、價(jià)格低廉，是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的纖維品種之一，但其耐老化性能差，在紫外光和氧氣的作用下極易老化。聚酯(PET)纖維斷裂強(qiáng)度和彈性模量高，回彈性適中，熱定型性能優(yōu)異，且耐熱性好，耐光性尚可。因此，研究PP/PET針刺過濾材料的老化行為及其機(jī)理，將有助于了解PP/PET針刺過濾材料的老化過程及引起材料老化的關(guān)鍵影響因素，并據(jù)此提高PP/PET針刺過濾材料的耐老化性能，減少因過濾材料老化而造成的經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。

本文采用烘箱法加速老化進(jìn)程，對PP/PET針刺過濾材料試樣進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，通過測試試樣處理前后的物理性能，分析試樣性能的變化情況，觀察試樣的外觀變化，了解PP/PET過濾材料的耐熱老化性能。

1試驗(yàn)

1.1儀器

CP303型電子天平、YG9(B)141D型織物厚度儀、YG065H型電子織物強(qiáng)力機(jī)、JXC-K080型烘箱、直尺等。

1.2試樣

將PP纖維和PET纖維分別按照80∶20、70∶30、60∶40的質(zhì)量配比充分混合后，保持其他工藝參數(shù)一致，經(jīng)開松→梳理→鋪網(wǎng)→預(yù)針刺→主針刺(兩次)→成卷等工藝流程后，制備出3種試樣用于本文試驗(yàn)。其中10 cm×10 cm規(guī)格的試樣性能參數(shù)見表1。

表1　試樣的性能參數(shù)

1.3試驗(yàn)方法

熱老化試驗(yàn)是一種人工模擬環(huán)境的試驗(yàn)，其使用熱老化儀器模擬產(chǎn)品在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過程中可能遇到的熱環(huán)境，以此探究產(chǎn)品的耐熱老化性能。儀器還具有加速產(chǎn)品熱老化的作用，可大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，且試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場曝露試驗(yàn)相似[6]。

本文利用人工模擬環(huán)境的試驗(yàn)方法探究PP/PET 針刺過濾材料的耐熱老化性能。先將制備好的3種試樣分別剪成10 cm×10 cm的小樣布，每種小樣布準(zhǔn)備11片。首先，每種試樣各取1片小樣布，測試處理前試樣的質(zhì)量、厚度、斷裂強(qiáng)度及尺寸；接著，每種試樣取5片小樣布，分別置于80 ℃烘箱內(nèi)1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 h后取出，測試處理后試樣的質(zhì)量、厚度、斷裂強(qiáng)度及尺寸；然后，每種試樣各取5片小樣布，分別置于60、80、100、120、140 ℃的烘箱內(nèi)2.5 h后取出，測試處理后試樣的質(zhì)量、厚度、斷裂強(qiáng)度及尺寸。利用下式計(jì)算試樣的損失率，以評(píng)定PP/PET針刺過濾材料的耐熱老化性能：

式中：w——某指標(biāo)(質(zhì)量、厚度、斷裂強(qiáng)度、尺寸)的損失率，%；

n1——試樣熱老化處理前，某指標(biāo)[質(zhì)量(g)、厚度(mm)、斷裂強(qiáng)度(N/10 cm)、尺寸(mm)]的初始值；

n2——試樣熱老化處理后，某指標(biāo)[質(zhì)量(g)、厚度(mm)、斷裂強(qiáng)度(N/10 cm)、尺寸(mm)]的測定值。

2熱老化時(shí)間的影響

2.1對質(zhì)量的影響

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時(shí)間與試樣的質(zhì)量及質(zhì)量損失率的關(guān)系如圖1所示。

圖1　熱老化時(shí)間對試樣質(zhì)量及質(zhì)量損失率的影響

由圖1可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時(shí)間的增加，試樣質(zhì)量在持續(xù)減少。其中，試樣質(zhì)量在1.0~3.0 h內(nèi)減少緩慢，3.0 h后試樣質(zhì)量減少加快，試樣熱老化程度逐漸加大。試樣質(zhì)量減少的原因，一方面是試樣自身水分蒸發(fā)導(dǎo)致質(zhì)量減少，另一個(gè)方面是熱老化過程中材料發(fā)生熱氧化反應(yīng)，試樣內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，PP/PET針刺過濾材料試樣質(zhì)量減少。

2.2對厚度的影響

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時(shí)間與試樣厚度及厚度損失率的關(guān)系如圖2所示。

圖2　熱老化時(shí)間對試樣厚度及厚度損失率的影響

由圖2可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時(shí)間的增加，PP/PET針刺過濾材料試樣厚度減少較緩慢，厚度損失率緩慢變大，這表明隨著熱老化時(shí)間的延長，熱老化影響在逐漸加深。

2.3對斷裂強(qiáng)度的影響

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時(shí)間與試樣斷裂強(qiáng)度及斷裂強(qiáng)度損失率的關(guān)系如圖3所示。

圖3　熱老化時(shí)間對試樣斷裂強(qiáng)度及斷裂強(qiáng)度損失率的影響

由圖3可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時(shí)間的延長，試樣的斷裂強(qiáng)度整體呈緩慢下降趨勢。因?yàn)殡S著熱老化時(shí)間的延長，試樣原來的分子結(jié)構(gòu)被破壞，局部區(qū)域內(nèi)高分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，PP/PET針刺過濾材料表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維間相對位置也發(fā)生了改變。

2.4對尺寸的影響

2.4.1縱向尺寸

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時(shí)間與試樣縱向尺寸及縱向尺寸損失率的關(guān)系如圖4所示。

圖4　熱老化時(shí)間對試樣縱向尺寸及縱向尺寸損失率的影響

由圖4可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時(shí)間的延長，試樣縱向尺寸的變化在增大，且4.0 h后的變化更加顯著，這說明熱老化處理4.0 h后的PP/PET針刺過濾材料蠕變緩慢增大。由于聚合物具有黏彈性，其在恒定外力(包括自身質(zhì)量)作用下，隨著時(shí)間的延長，蠕變會(huì)逐漸產(chǎn)生，這將導(dǎo)致試樣的縱向尺寸不穩(wěn)定。一般情況下，含柔性鏈的聚合物抗蠕變能力相對較差，尺寸穩(wěn)定性差；含剛性鏈的聚合物抗蠕變能力相對較強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定性好。

2.4.2橫向尺寸

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時(shí)間與試樣橫向尺寸及橫向尺寸損失率的關(guān)系如圖5所示。

圖5　熱老化時(shí)間對試樣橫向尺寸及橫向尺寸損失率的影響

由圖5可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時(shí)間的延長，試樣橫向尺寸的變化相對于縱向較顯著。原因在于橫向纖維間抱合力較小，經(jīng)熱老化處理后纖維間的相對位置發(fā)生了變化，故橫向尺寸發(fā)生了一定程度的變化；而縱向纖維并列分布，纖維間的相對位置較穩(wěn)定，故而穩(wěn)定性優(yōu)于橫向。

由圖4、圖5知，PET質(zhì)量配比越大，PP/PET針刺過濾材料尺寸變化損失率越小，尺寸穩(wěn)定性越好。

3熱老化溫度的影響

3.1對質(zhì)量的影響

相同熱老化時(shí)間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣質(zhì)量及質(zhì)量損失率的關(guān)系如圖6所示。

圖6　熱老化溫度對試樣質(zhì)量及質(zhì)量損失率的影響

由圖6可知，在相同熱老化時(shí)間處理?xiàng)l件下，隨著熱老化溫度的升高，試樣的質(zhì)量在減小，120 ℃之后試樣質(zhì)量減小更加顯著。這是因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)溫度對試樣的熱老化影響不明顯，但隨著溫度的上升，纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，纖維中結(jié)晶解體，取向度下降，相對分子質(zhì)量下降，最終導(dǎo)致試樣質(zhì)量減小。

3.2對厚度的影響

相同熱老化時(shí)間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣厚度及厚度損失率的關(guān)系如圖7所示。

圖7　熱老化溫度對試樣厚度及厚度損失率的影響

由圖7可知，在相同熱老化時(shí)間處理下，隨著熱老化溫度的逐漸升高，試樣的厚度在減小，且溫度達(dá)120 ℃后試樣厚度減小更加顯著。這是因?yàn)椋S著熱老化溫度的升高，纖維大分子鏈斷裂，纖維發(fā)生蠕變，纖維間的相對位置發(fā)生改變，導(dǎo)致試樣厚度減小。

3.3對斷裂強(qiáng)度的影響

相同熱老化時(shí)間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣斷裂強(qiáng)度及斷裂強(qiáng)度損失率的關(guān)系如圖8所示。

圖8　熱老化溫度對試樣斷裂強(qiáng)度及斷裂強(qiáng)度損失率的影響

由圖8可知，在相同熱老化時(shí)間處理下，隨著熱老化溫度的升高，3種試樣的斷裂強(qiáng)度均呈緩慢減小趨勢。溫度升高，纖維結(jié)晶解體，取向度下降，纖維強(qiáng)度下降、延伸性增大、模量降低；較高溫度時(shí)，PP纖維發(fā)生軟化、熔融；溫度持續(xù)升高，纖維大分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，PP纖維逐漸裂解產(chǎn)生雙鍵，大分子柔曲性提高，分子間結(jié)合力削弱，初始模量隨之降低。此外，試樣1的斷裂強(qiáng)度最小，而試樣2、試樣3的斷裂強(qiáng)度明顯高于試樣1，這是因?yàn)榧尤脒m量PET纖維后，材料的厚度增大，纖維間的抱合力增強(qiáng)，致使材料斷裂強(qiáng)度增大，但當(dāng)PET纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值后，增加PET纖維含量，材料斷裂強(qiáng)度有所下降。

3.4對尺寸的影響

3.4.1縱向尺寸

相同熱老化時(shí)間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣縱向尺寸及縱向尺寸損失率的關(guān)系如圖9所示。

圖9　熱老化溫度對試樣縱向尺寸及縱向尺寸損失率的影響

由圖9可知，在相同熱老化時(shí)間處理下，隨著熱老化溫度的升高，試樣縱向尺寸逐漸減小，且在100 ℃ 后縱向尺寸減小顯著。這是因?yàn)樵谳^高的熱老化溫度下，高分子的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大分子鏈蠕變或者滑移，破壞了原來的分子結(jié)構(gòu)。部分大分子產(chǎn)生斷裂，局部區(qū)域內(nèi)高分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，纖維晶區(qū)的晶格發(fā)生變形, 非晶區(qū)的分子取向增大, 纖維中的微孔有尺寸增大和數(shù)量增多的趨勢，纖維間的相對位置發(fā)生變化，材料表面的結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)改變，故導(dǎo)致試樣尺寸不穩(wěn)定。

3.4.2橫向尺寸

相同熱老化時(shí)間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣橫向尺寸及橫向尺寸損失率的關(guān)系如圖10所示。

圖10　熱老化溫度對試樣橫向尺寸及橫向尺寸損失率的影響

由圖10可知，在相同熱老化時(shí)間處理下，隨著熱老化溫度的升高，試樣的橫向尺寸在減小，特別是100 ℃以后，試樣橫向尺寸減小顯著。究其原因在于，聚合物具有黏彈性，其在熱老化過程中受恒定外力(包括自身質(zhì)量)作用易產(chǎn)生蠕變，導(dǎo)致纖維之間的相對位置發(fā)生改變，加之橫向纖維間的空隙相較于縱向更大，故試樣橫向尺寸更加不穩(wěn)定。

此外，由圖9和圖10可知，PET質(zhì)量配比越大，PP/PET針刺過濾材料的尺寸變化損失率越小，尺寸穩(wěn)定性越好。

4結(jié)論

研究了PP/PET針刺過濾材料的耐熱老化性能，通過與熱老化前的PP/PET針刺過濾材料的質(zhì)量、厚度、斷裂強(qiáng)度、尺寸進(jìn)行比較和分析，得出：

(1)熱老化時(shí)間越長、熱老化溫度越高，PP/PET針刺過濾材料的質(zhì)量、厚度、斷裂強(qiáng)度及尺寸都會(huì)減少；

(2)PP/PET針刺過濾材料中PET的質(zhì)量配比越大，材料尺寸穩(wěn)定性越好。

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Study on thermal aging property of PP/PET needle filter material

HuShuang，ZhuLiang，ZhouShuping，ZhangMing，ZhangRuquan

College of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan 430073, China

Abstract:In order to explore the thermal aging property of the PP/PET needle filter material, three kinds of PP/PET needle filter material samples prepared by experiments were dealed with different thermal aging temperatures and times in the oven, and the effect of thermal aging temperature and time on the properties of PP/PET needle filter material was researched. The results showed that, with the thermal aging time extending and thermal aging temperature increasing, quality, thickness, tensile strength of the PP/PET needle filter material were reduced, and the size also was shorten; and when the thermal aging temperature exceeded 120 ℃ and the thermal aging time exceeded 4.0 h, the degree of thermal aging increased significantly.

Keywords:PP/PET needle filter material, thermal aging temperature, thermal aging time, property

中圖分類號(hào)：TS176+.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1004-7093(2016)01-0020-05

作者簡介：胡爽，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣δ芊强椩觳牧贤ㄐ抛髡?張如全，E-mail：zry2010@gmail.com

收稿日期：2015-04-02

* 湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2013CFA090)；浙江省產(chǎn)業(yè)用紡織材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)基金項(xiàng)目(2014)