共混彈性聚合物熔噴工藝對(duì)纖維直徑的影響

3M中國有限公司，上海200233

無論在日常生活還是工業(yè)生產(chǎn)中，彈性材料都有廣泛的應(yīng)用，特別是在醫(yī)療護(hù)理、嬰幼兒尿不濕等領(lǐng)域，如業(yè)內(nèi)眾所周知的DuPont公司的Lycra?彈性面料、Exxonmobil公司的Vistamaxx?彈性材料、3M公司的專利產(chǎn)品Coban?彈性自黏繃帶及臺(tái)灣全程興業(yè)公司的彈性復(fù)合非織造布等，它們都具有優(yōu)良的形變回復(fù)能力和舒適性。在眾多彈性材料中，彈性復(fù)合非織造布最為常見。

彈性復(fù)合非織造布加工技術(shù)很多，如短纖成網(wǎng)技術(shù)、聚合物紡絲直接成網(wǎng)技術(shù)及彈性復(fù)合加工技術(shù)等。短纖成網(wǎng)技術(shù)使用含有彈性材料的纖維，通過機(jī)械梳理或氣流成網(wǎng)等方式，加工成具有一定彈性的片狀非織造布；聚合物紡絲直接成網(wǎng)技術(shù)利用彈性樹脂，經(jīng)熔融紡絲直接獲得彈性復(fù)合非織造布；彈性復(fù)合加工技術(shù)則利用化學(xué)黏合的方法，將非織造布與彈力絲復(fù)合，制備出彈性回復(fù)性能優(yōu)異的彈性復(fù)合非織造布。這三種加工技術(shù)中，聚合物紡絲直接成網(wǎng)技術(shù)是近年的研究熱點(diǎn)，紡黏法與熔噴法是其中的兩種方法，其最大區(qū)別在熔體的牽伸方式上。紡黏法中，利用冷空氣牽伸絲束，使纖維取向、結(jié)晶，這與傳統(tǒng)熔體紡絲法類似；熔噴法中，模頭兩側(cè)有快速導(dǎo)入的熱空氣，當(dāng)具有一定黏度的熔體離開噴絲口，熱空氣即快速牽伸熔體，實(shí)現(xiàn)纖維的瞬間細(xì)化，這是獲得超細(xì)纖維最有效的一種方式，所得纖維直徑細(xì)(通常在2.0～6.0 μm[1])且比表面積大，成網(wǎng)后網(wǎng)面更致密，更有利于阻隔固體顆粒物、細(xì)菌等[2]。因此，優(yōu)化熔噴工藝參數(shù)，對(duì)獲得理想的纖維直徑，進(jìn)而獲得物理、力學(xué)性能及過濾阻隔性能優(yōu)異的彈性復(fù)合非織造布，具有重要意義。圖1所示為熔噴工藝基本流程(橫噴方式)。

圖1 熔噴工藝基本流程(橫噴方式)

1 共混彈性聚合物性能

共混彈性聚合物(Blended Elastomer Polymer，簡稱“BEP”)是指由兩種或兩種以上的彈性材料和非彈性材料，經(jīng)物理共混加工制成的綜合性能優(yōu)良且均勻的一種混合物。利用BEP經(jīng)熔噴工藝形成的熔噴非織造布，其纖維結(jié)構(gòu)和孔隙及物理力學(xué)性能等，都比較理想。

本文采用上海共誠聚合新材料科技有限公司提供的兩種BEP作為試樣，分別標(biāo)記為BEP1、BEP2，它們的主要性能參數(shù)列于表1中。其中，熔融流動(dòng)指數(shù)表征BEP熔融態(tài)的流動(dòng)性能，其測(cè)試參照美國測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASTM)根據(jù)DuPont公司的聚合物測(cè)試方法制定的通用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測(cè)試原理：將BEP完全熔化成熔體，測(cè)定熔體在規(guī)定時(shí)間(通常為10 min)、特定的溫度和壓力條件下，經(jīng)過直徑為2.095 mm 圓管而流出的質(zhì)量。熔融流動(dòng)指數(shù)越大，表明BEP熔化后流動(dòng)性能越好，即熔體黏度越小，熔噴可加工性越優(yōu)，反之則相反。BEP1和BEP2的共混機(jī)理相似，后者是前者的改善型(BEP2中的彈性組分較BEP1多)，故在表觀形態(tài)上，BEP2更像彈性材料，BEP1近似非彈性材料。

表1 試樣主要性能參數(shù)

熔噴工藝對(duì)纖維直徑的影響很大，纖維直徑越小則表明熔噴工藝的細(xì)纖維加工能力越強(qiáng)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，優(yōu)化熔噴工藝參數(shù)可獲得所需的纖維直徑。本文選取熔噴工藝中最重要的三項(xiàng)工藝參數(shù)(熱空氣溫度、熱空氣壓力及接收距離)為研究對(duì)象，其中接收距離指的是熔體牽伸過程中噴絲口到接收裝置之間的直線距離。這三項(xiàng)工藝參數(shù)分別決定著聚合物熔體的流動(dòng)性能、熱空氣的牽伸速度及成網(wǎng)的收集條件。本文通過研究這三項(xiàng)工藝參數(shù)，探討B(tài)EP熔噴工藝與纖維直徑的關(guān)系，以期用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

為方便表述，將由BEP1、BEP2經(jīng)熔噴工藝制得的纖維分別稱為BEP1纖維、BEP2纖維。

2 熔噴工藝對(duì)纖維直徑的影響

2.1 熱空氣溫度

圖2所示為在保持一定擠出量、熱空氣溫度及熱空氣壓力的條件下，熱空氣溫度對(duì)纖維直徑的影響。

從圖2可以看出：

BEP1纖維直徑和BEP2纖維直徑都隨著熱空氣溫度上升而迅速減小，即熱空氣溫度高則纖維直徑小。在同一熱空氣溫度下，BEP2纖維明顯粗于BEP1纖維，原因在于BEP2中含有更多的彈性組分，其熔體黏流活化值高于BEP1，這導(dǎo)致熔噴加工中BPE2需要吸收更多熱能剪切熔體，從而獲得更小直徑的纖維。

(a) 實(shí)測(cè)值

(b) 線性擬合

(c) 曲線擬合

BEP1纖維、BEP2纖維電鏡照片分別如圖3和圖4所示，前者放大1 000倍，后者放大600倍，可以看出：

兩種纖維直徑差異非常明顯，且都隨著熱空氣溫度上升而減小，其中BEP1纖維直徑的減小程度更明顯。

(b) 熱空氣溫度330 ℃

(a) 熱空氣溫度310 ℃

(b) 熱空氣溫度340 ℃

2.2 熱空氣壓力

熔噴機(jī)理在于熱空氣快速牽伸熔體，實(shí)現(xiàn)纖維直徑的瞬間細(xì)化。熱空氣壓力可以間接表征熱空氣的牽伸速度，熱空氣壓力越大，則牽伸速度越快，越利于纖維的瞬間細(xì)化[3]。圖5揭示了在保持一定擠出量、熱空氣溫度及熱空氣壓力的條件下，熱空氣壓力對(duì)纖維直徑的影響。

圖5 熱空氣壓力與纖維直徑

從圖5可以看出：

隨著熱空氣壓力的提高，纖維直徑迅速減小。當(dāng)熱空氣壓力從0.19 MPa增加到0.30 MPa時(shí)，BEP1纖維直徑從9.8 μm下降至7.2 μm；當(dāng)熱空氣壓力從0.39 MPa增加到0.50 MPa時(shí)，BEP2纖維直徑從12.2 μm下降至8.7 μm。究其原因，主要是BEP1熔體黏度低于BEP2熔體黏度，BEP1熔體更易被熱空氣牽伸。

2.3 接收距離

熔體在接收距離這一區(qū)域內(nèi)完成拉伸、取向及自身黏合，形成纖網(wǎng)。圖6所示為在保持一定擠出量、熱空氣溫度及熱空氣壓力的條件下，接收距離對(duì)纖維直徑的影響。

圖6 接收距離與纖維直徑

從圖6可以看出：

接收距離對(duì)纖維直徑的影響很有限[4]。BEP1纖維直徑在15～25 cm的接收距離內(nèi)基本沒有變化；BEP2纖維直徑在20～35 cm的接收距離內(nèi)也趨于穩(wěn)定，僅有細(xì)微變化。因此，總體而言，兩種纖維直徑隨接收距離改變均無明顯變化。但接收距離不同會(huì)導(dǎo)致纖網(wǎng)蓬松度發(fā)生變化，因?yàn)榻邮站嚯x短，熔體容易黏合在一起，形成的纖網(wǎng)致密，反之纖網(wǎng)蓬松。

3 纖維直徑分布

為更好地表征BEP1纖維直徑和BEP2纖維直徑在一定條件下的變化情況，在保持一定擠出量、熱空氣溫度為320 ℃、熱空氣壓力為0.40 MPa、接收距離為20 cm的條件下，根據(jù)纖維電鏡照片測(cè)量纖維直徑，并繪制纖維直徑分布圖(圖7)，圖中曲線為四點(diǎn)傅立葉轉(zhuǎn)變平滑擬合曲線。

(a) BEP1纖維

(b) BEP2纖維

由圖7可知：

(1) BEP1纖維直徑較均勻，其四點(diǎn)傅立葉轉(zhuǎn)變平滑纖維直徑擬合曲線基本維持在5.0 μm左右。大多數(shù)纖維的直徑在2.0～6.0 μm，直徑超過6.0 μm的纖維只有2根，直徑小于2.0 μm的纖維也較少。因此，BEP1熔噴工藝性能優(yōu)異，所得BEP1熔噴非織造布表面更細(xì)膩、更致密。

(2) 相較于BEP1纖維，BEP2纖維直徑波動(dòng)較大，表現(xiàn)為纖維直徑大且直徑偏差大(CV值在50%以上)。BEP2纖維直徑的四點(diǎn)傅立葉轉(zhuǎn)變平滑擬合曲線在15.0 μm左右，且直徑大于和小于15.0 μm的纖維數(shù)量較多，其熔噴非織造布表面均勻性較差。究其原因，主要與BEP2中含有的彈性組分較多及分散均勻性差有關(guān)。

4 結(jié)論

在保持一定擠出量的條件下，對(duì)BEP熔噴工藝中最重要的三個(gè)工藝參數(shù)(熱空氣溫度、熱空氣壓力、接收距離)對(duì)纖維直徑的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：

(1) 熱空氣溫度對(duì)纖維直徑的影響較大，提高熱空氣溫度有利于得到直徑更小的纖維。

(2) 熱空氣壓力對(duì)纖維直徑的影響顯著，隨著熱空氣壓力提高，纖維直徑迅速減小。

(3) 接收距離對(duì)纖維直徑的影響不大，改變接收距離不能使纖維直徑減小，但可以改變纖網(wǎng)蓬松度。