熱風(fēng)溫度對(duì)PP/TPU熔噴非織造布結(jié)構(gòu)與性能的影響

彭孟娜 賈慧瑩 周彥粉 陳韶娟 陳寧 馬建偉

摘要： 以聚丙烯/熱塑性聚氨酯（PP/TPU）按80/20共混切片為原料，采用相應(yīng)的工藝進(jìn)行熔噴，從而制備出以TPU為“島”、PP為“?！钡暮u型復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的熔噴非織造布。并對(duì)纖維的橫截面形態(tài)和縱向形態(tài)，非織造布的厚度、透氣量、拉伸強(qiáng)度及彈性回復(fù)性能進(jìn)行了表征。試驗(yàn)表明，高黏度的TPU與低黏度的PP混紡仍有一定的熔噴可紡性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)其他條件保持不變，只改變熱風(fēng)溫度時(shí)，隨著熱風(fēng)溫度的升高，纖維的平均直徑及熔噴非織造布的厚度呈逐漸減小的趨勢(shì)；而熔噴非織造布的透氣量及拉伸強(qiáng)度呈逐漸增加的趨勢(shì)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，PP/TPU熔噴非織造布手感柔軟，具有一定的拉伸強(qiáng)度和彈性回復(fù)性。

關(guān)鍵詞： 聚丙烯（PP）；熱塑性聚氨酯（TPU）；熔噴非織造布；性能；熱風(fēng)溫度

中圖分類(lèi)號(hào)： TS174.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-7003（2018）08-0035-06引用頁(yè)碼： 081107

Abstract： The melt-blown nonwoven fabric with “Sea-Island” composite fiber structure （TPU as “island component” and PP as “sea component”） was prepared with melt-blow technology by PP/TPU （80/20） blended slices. Cross section form and longitudinal form of fibers as well as thickness， air permeability， tensile strength and elastic recovery of the nonwoven fabric were characterized. The test result shows certain melt-blown spinnability in the blends of high viscosity TPU and low viscosity PP. When other conditions kept unchanged and only hot air temperature was changed， the average fiber diameter and the nonwovens thickness decreased with the rise of hot air temperature. The air permeability and tensile strength of nonwovens increased. The hand feel of this PP/TPU melt-blown nonwoven fabric is soft and the fabric has certain tensile strength and elastic resilience.

Key words： PP； TPU； melt-blown nonwovens； properties； hot air temperature

熔噴法非織造布是超細(xì)纖維自行固結(jié)形成的雜亂纖維聚合體，具有纖維直徑小，比表面積大，纖維間空隙小，孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前，熔噴法非織造布材料以其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能而受到廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋醫(yī)療衛(wèi)生用品、過(guò)濾材料和形狀記憶材料等，如醫(yī)療彈性繃帶、用即棄型的嬰兒尿布、女性衛(wèi)生用品等[3-4]。聚丙烯（PP）[5]因其高流動(dòng)性及低成本而成為熔噴的常用原料，此前關(guān)于純PP熔噴技術(shù)已經(jīng)很多，但是PP熔噴非織造布直接用于醫(yī)療衛(wèi)生用品存在彈性和柔軟性差的缺陷，因此很多人嘗試對(duì)PP改性或與其他物質(zhì)共混，使其用途更加廣泛，從而具有更加廣闊的發(fā)展前景。

為使熔噴非織造布具有一定的彈性和柔軟性，有人嘗試添加一定質(zhì)量比例的熱塑性彈性體[6-8]。目前熔噴彈性非織造布的聚合物切片主要有聚氨酯（TPU）、聚酯類(lèi)、聚酰胺類(lèi)、A-B-A型嵌段共聚物（B為彈性段）、乙烯和α-烯烴共聚物、聚醚酯類(lèi)等[9]。其中，TPU是最早用于熔噴彈性非織造布的研究和應(yīng)用的原料。因此，在前期探索的基礎(chǔ)上本試驗(yàn)采用PP和TPU按照80/20的質(zhì)量比進(jìn)行熔融共混，制備PP/TPU熔噴非織造布。

1PP/TPU（80/20）熔噴非織造布的制備

1.1材料與設(shè)備

材料：TPU（上海巴斯夫（Basf）有限公司），熔融指數(shù)73g/10min，貨號(hào)2280A，密度1.19g/cm3，硬度80A，熔點(diǎn)150℃；PP（山東青島俊富無(wú)紡布有限公司），熔融指數(shù)800g/10min，密度0.92g/cm3。

設(shè)備：SHR-10A型高速混合機(jī)（米亞格機(jī)械科技有限公司），SH-RBJ型無(wú)紡布熔噴設(shè)備（上海圣泓自動(dòng)化設(shè)備有限公司），RH7型毛細(xì)管流變儀（英國(guó)馬爾文（Malvern）儀器有限公司），Phenom Pro型掃描電子顯微鏡（復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司），YG（B） 141D型數(shù)字式織物厚度儀、YG 461E-Ⅱ型電腦式透氣性測(cè)試儀（寧波紡織儀器廠(chǎng)），DR028-3000型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)英斯特朗（Instron）公司）。

1.2工藝流程

PP/TPU（80/20）切片由四川大學(xué)實(shí)驗(yàn)室制備；PP/TPU（80/20）熔噴非織造布試樣由青島大學(xué)自主設(shè)計(jì)，委托加工的熔噴機(jī)制備，其工藝流程如圖1所示。

1.3工藝參數(shù)

PP/TPU熔噴非織造布的制備過(guò)程中所涉及的工藝參數(shù)決定了纖維的成形過(guò)程，以及纖維的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[10-11]；同時(shí)，為了克服PP/TPU切片熔體黏度較高、流動(dòng)性較差的缺點(diǎn)，首先應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行探索。由于熔噴工藝中牽伸部分主要由高速熱空氣完成，經(jīng)過(guò)高速氣流的牽伸，熔體絲條的加速運(yùn)動(dòng)是不均勻的。高聚物熔體從噴絲孔擠出后，立即遇到左右兩邊噴射的高速熱空氣流，沿著氣流方向運(yùn)動(dòng)并被牽伸拉細(xì)，最后被運(yùn)載至接收裝置。在實(shí)際生產(chǎn)中，拉伸空氣需要被加速且處于高溫狀態(tài)，熔噴線(xiàn)上高聚物離開(kāi)噴絲孔后的流變行為強(qiáng)烈依靠高溫高速的氣流牽伸，這種開(kāi)放式氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)造成熔噴不穩(wěn)定的現(xiàn)象[12]。同時(shí)，該氣流對(duì)細(xì)度的影響相當(dāng)復(fù)雜，所以，探索合適的熱空氣溫度是必要的。

采用RH7型毛細(xì)管流變儀對(duì)不同溫度下的PP/TPU（80/20）切片的流變行為進(jìn)行了表征，剪切速率為500～3000s-1，其流變性能曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2可知，在同一溫度下，PP/TPU的黏度隨著剪切速率的增加而降低；在相同剪切速率下，隨著試驗(yàn)溫度的升高，PP/TPU的表觀黏度下降。本文經(jīng)過(guò)一系列摸索，在熱空氣壓力為350kPa，擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速45r/min，收料筒轉(zhuǎn)動(dòng)線(xiàn)速度為1.7m/min，模頭溫度240℃固定不變的條件下，制備熱風(fēng)溫度分別為250、260、270℃條件下的熔噴非織造布樣品，即1#～3#樣品。

2PP/TPU熔噴非織造布物理性能測(cè)試

2.1纖維橫截面分析

將PP/TPU熔噴非織造布經(jīng)羊毛纖維包裹，后通過(guò)哈式切片器切取，制備纖維橫截面。通過(guò)Phenom Pro掃描電子顯微鏡觀察前需對(duì)切片進(jìn)行噴金90s的處理，檢測(cè)放大倍數(shù)為5000倍。

2.2纖維直徑測(cè)試

通過(guò)Phenom Pro掃描電子顯微鏡觀察熔噴非織造布的表觀形貌，檢測(cè)放大倍數(shù)為1000倍。然后將各類(lèi)別的PP/TPU熔噴非織造布的SEM圖置于Image Pro Plus 6.0 軟件中，測(cè)量每組SEM圖中100根纖維的直徑，計(jì)算直徑的分布、平均值及CV值。

2.3厚度測(cè)試

樣品厚度測(cè)量參考GB/T3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》，試驗(yàn)設(shè)備選用YG（B） 141D型數(shù)字式織物厚度儀。為了減小試樣不均勻而帶來(lái)的誤差，每組測(cè)量15次樣品的厚度并取平均值。

2.4透氣量測(cè)試

樣品透氣量依照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ASTMD737—2004《紡織面料透氣性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)設(shè)備選用YG461E-Ⅱ型電腦式透氣性測(cè)試儀。為了減小試樣不均勻而帶來(lái)的誤差，每組測(cè)量樣品10處不同位置的透氣量并取平均值。

2.5拉伸強(qiáng)度測(cè)試

樣品拉伸強(qiáng)度依照國(guó)標(biāo)GB/T3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能第一部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備為DR028-3000型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)設(shè)置試樣寬度為50mm，夾距100mm，拉伸速度為100mm/min。

2.6彈性回復(fù)率測(cè)試

樣品彈性回復(fù)率按照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T70006—2004《針織物拉伸彈性回復(fù)率試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)設(shè)備為DR028-3000型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法為定長(zhǎng)反復(fù)拉伸法。

3結(jié)果與分析

3.1PP/TPU熔噴非織造布的纖維橫截面結(jié)構(gòu)分析

圖3為熱風(fēng)溫度分別為250、260、270℃條件下PP/TPU熔噴非織造布的纖維橫截面結(jié)構(gòu)圖像。

由圖3可以看出，TPU和PP形成明顯的以PP為“海”、TPU為“島”的海島型纖維結(jié)構(gòu)，且TPU分布均勻性差、粗細(xì)不一，但島所占海的比例均較大。同時(shí)，由于TPU為熱塑性彈性體，且在制作切片的過(guò)程中受到刀片橫向剪切力的作用，在“海組分”P(pán)P中，TPU會(huì)存在少量的回縮現(xiàn)象或抽拔出來(lái)情況，說(shuō)明PP和TPU流動(dòng)性差異較大、界面親和性較差，具有形成“離型”結(jié)構(gòu)的可能性。如果經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮筇幚?，有可能利用這一特有的理性結(jié)構(gòu)效應(yīng)來(lái)提高產(chǎn)品的回彈性能。

3.2熱風(fēng)溫度對(duì)PP/TPU熔噴非織造布纖維直徑及面密度的影響

圖4、圖5分別表示不同熱風(fēng)溫度下的PP/TPU熔噴非織造布的SEM圖及相應(yīng)的直徑分布圖；圖6為不同熱風(fēng)溫度條件下對(duì)PP/TPU熔噴非織造布纖維直徑的影響；表1為樣品的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。

由圖4可知，PP/TPU熔噴非織造布中纖維呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相互交叉纏繞，纖維粗細(xì)分布不勻，且纖網(wǎng)中空隙較多。由圖5可知，當(dāng)熱風(fēng)溫度為250℃和270℃時(shí)，纖維直徑的分布呈正態(tài)分布的趨勢(shì)。當(dāng)熱風(fēng)溫度降為260℃時(shí)，纖維直徑的分布呈雙峰分布，預(yù)示著溫度較低，PP組分與TPU組分有相分離的趨勢(shì)。由于PP流變性能較好，能夠獨(dú)自成為較細(xì)部分的熔噴纖維，即表現(xiàn)為“細(xì)峰”；而含有TPU組分的共混纖維部分，因?yàn)闇囟认鄬?duì)較低，流變性變差而構(gòu)成較粗部分的熔噴纖維，即表現(xiàn)為“粗峰”。

由圖6可知，隨著熱風(fēng)溫度的升高，纖維平均直徑逐漸減小，其直接表現(xiàn)為細(xì)絲數(shù)量的增加。這主要是因?yàn)?，較高的熱風(fēng)溫度使得熔體溫度下降程度減少，即大分子鏈段活動(dòng)能力保持在較高水平上，更易于被熱空氣牽伸拉細(xì)。隨著熱風(fēng)溫度逐漸升高，熔體在被擠出后由未受到充分牽伸狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆鞝顟B(tài)，因此所制備的非織造布纖維直徑由粗變細(xì)。

結(jié)合圖6和表1可知，熔噴工藝參數(shù)——熱風(fēng)溫度對(duì)纖網(wǎng)中纖維的平均直徑有較大影響。在其他工藝參數(shù)固定不變的條件下，隨著熱風(fēng)溫度的升高，PP/TPU熔噴非織造布直徑粗細(xì)不勻的程度增大，細(xì)絲出現(xiàn)的比例也逐漸增加；纖維之間的并絲現(xiàn)象逐漸明顯，且纖維的彎曲程度逐漸增加。

3.3熱風(fēng)溫度對(duì)PP/TPU熔噴非織造布透氣量、厚度的影響圖7為熱風(fēng)溫度對(duì)PP/TPU熔噴非織造布透氣率及厚度的影響。

由圖7可以看出，隨著熱空氣溫度的升高，PP/TPU熔噴非織造布的透氣率呈增加的趨勢(shì)，其厚度呈減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)?，隨著熱空氣溫度的升高，纖維在熱空氣作用下逐漸拉細(xì)，單位面積內(nèi)較細(xì)的纖維所占比例增大，纖維之間呈網(wǎng)狀交叉分布，孔隙率增多。同時(shí)，隨著面密度的逐漸減小，PP/TPU熔噴非織造布厚度逐漸減小。影響PP/TPU熔噴非織造布透氣性的主要因素包括流體的特性、孔隙結(jié)構(gòu)、厚度、面密度等，一般來(lái)說(shuō)，厚度越小，面密度越小，透氣性好，從而透氣率越大。

3.4熱風(fēng)溫度對(duì)PP/TPU熔噴非織造布拉伸性能的影響

圖8為不同熱風(fēng)溫度下PP/TPU熔噴非織造布的拉伸曲線(xiàn)。

從圖8可以看出，織物的伸長(zhǎng)量均超過(guò)15mm，即伸長(zhǎng)率高于15%，主要是由于TPU加入使材料產(chǎn)生一定的彈性。當(dāng)熱風(fēng)溫度為270℃時(shí)，纖維強(qiáng)力最高，意味著此時(shí)纖維受到了充分的拉伸，纖維較細(xì)。當(dāng)熱風(fēng)溫度降低為260、250℃時(shí)，隨著熱風(fēng)溫度的降低，纖維的平均直徑增大，織物中纖維的取向度降低，強(qiáng)力有所下降。

隨著熱空氣溫度的升高，PP/TPU熔噴非織造布拉伸強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)椋?dāng)熔體被擠出噴絲孔以后，較高的熱風(fēng)溫度能夠有效地避免熔體在拉伸過(guò)程中的熱量損失，纖維逐漸拉細(xì)，熔體得到有效的牽伸，同時(shí)并絲現(xiàn)象的加劇有利于PP/TPU熔噴非織造布拉伸強(qiáng)力的提升。當(dāng)熱風(fēng)溫度較低，熔體在被擠出后未受到充分牽伸，所制備的非織造布纖維直徑粗，材料脆化，強(qiáng)力低。

3.5熱風(fēng)溫度對(duì)PP/TPU熔噴非織造布的彈性回復(fù)率的影響

圖9為不同熱風(fēng)溫度下PP/TPU熔噴非織造布的等速伸長(zhǎng)拉伸曲線(xiàn)。

RW越大，每次拉伸循環(huán)凈耗功越小，材料受到破壞越小，彈性和耐疲勞越好。由圖9可知，當(dāng)熱風(fēng)溫度為250℃及260℃時(shí)，PP/TPU熔噴非織造布的拉伸回復(fù)率較小，即彈性回復(fù)率較差；當(dāng)熱風(fēng)溫度為270℃的PP/TPU熔噴非織造布的拉伸回復(fù)率最小，彈性回復(fù)率最好。這也進(jìn)一步證明了在熱風(fēng)溫度為270℃時(shí)，纖維平均直徑最小，纖維受到了充分的拉伸，使大分子取向度有所提高所致。同時(shí)，當(dāng)熱風(fēng)溫度為270℃時(shí)，PP/TPU熔噴非織造布的厚度和面密度均較小，證明纖維之間疏松、空隙多、交織點(diǎn)少，使得織物存在拉伸、收縮的余地。

4結(jié)論

盡管PP和TPU的相容性并不是很好，但是試驗(yàn)證明PP/TPU具有一定的可紡性，且在PP/TPU熔噴過(guò)程中，熔體牽伸的過(guò)程至關(guān)重要。為了保證熱風(fēng)溫度在流經(jīng)狹縫后還能夠達(dá)到PP/TPU共混物熔融紡絲時(shí)的要求，減小對(duì)熔體溫度的影響，保證PP/TPU熔噴非織造布的順利生產(chǎn)，熱空氣溫度設(shè)置十分重要。試驗(yàn)證明，將熱風(fēng)溫度提高到270℃時(shí)，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能均達(dá)到較好水平，纖維平均直徑小、透氣量好、拉伸強(qiáng)度高、彈性回復(fù)性能好。綜上可知，PP/TPU熔噴非織造布呈現(xiàn)出以PP為“?！薄PU為“島”的海島型纖維結(jié)構(gòu)，且經(jīng)測(cè)試，此樣品具有一定的彈性和觸覺(jué)柔軟性，有望擴(kuò)大熔噴非織造布的應(yīng)用領(lǐng)域。

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