熱塑性聚氨酯熔噴非織造布的制備及表征

閆新 宋會芬 石素宇 趙鐵男 黃守龍

摘要：介紹了熱塑性聚氨酯熔噴非織造布的加工研制過程，并對TPU熔噴非織造布的纖維結(jié)構(gòu)、過濾性能、透氣性能和力學(xué)性能進行測試與表征，重點討論了牽伸熱風(fēng)的風(fēng)溫和風(fēng)壓對熔噴TPU纖維結(jié)構(gòu)及非織造布性能的影響。結(jié)果表明：TPU可在215～225 ℃進行熔噴法非織造布生產(chǎn)，纖維分布均勻。當牽伸熱空氣的風(fēng)壓增大時，纖維細度變小;當牽伸熱風(fēng)風(fēng)溫升高時，非織造布中纖維的黏合更加緊密。纖維結(jié)構(gòu)的變化顯著影響TPU熔噴布的力學(xué)性能、過濾性能和透氣性能。

關(guān)鍵詞：熱塑性聚氨酯;熔噴非織造布;工藝參數(shù);過濾性能;透氣性能

中圖分類號：TS176.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）01-0006-05

近年來，隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)過程中不可避免地產(chǎn)生了一些粉塵和有毒氣體，這些物質(zhì)的存在嚴重影響了空氣的質(zhì)量，破壞了生態(tài)系統(tǒng)，對人們的身體健康產(chǎn)生了不良影響。隨著國家對環(huán)境保護的日益重視，如何處理這些污染物，凈化空氣資源已經(jīng)成為當前亟待解決的問題。研究并開發(fā)高性能、低成本、環(huán)保的各種新型過濾材料是一條實際可行的路線。Wang等[1]利用靜電紡絲技術(shù)制備了聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）/聚乙二醇（PEG）多孔膜，研究了膜對粉煤灰溶液和氣溶膠粒子的過濾性能，研究表明纖維膜對粉煤灰粒子和氣溶膠微粒的過濾效率分別高達96.7%和98%。李志生[2]報道了一種具有除臭功能的非織造過濾材料的制備技術(shù)，這種過濾材料借助化學(xué)反應(yīng)除去像氨、甲醇、硫化氫等惡臭味氣體，顯著高于活性炭的吸附效果。

熔噴法非織造布是由超細短纖組成，纖維呈交錯狀態(tài)均勻分布，故其縱橫向強力差異小，織物孔徑較小，具有較高的比表面積，又因其生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低，所以熔噴法非織造布被廣泛用于過濾行業(yè)[3—4]。李學(xué)偉等[5]采用水熱合成法制備了生物質(zhì)石墨烯炭分子篩，將其加入紡黏非織造布，制備了生物質(zhì)石墨烯紡黏非織造布，過濾效率比普通紡黏非織造布的過濾效率提高31%。德國FirmaCarl公司[6]將濾紙與熔噴復(fù)合材料的熔噴層一側(cè)又合了一層點黏合的熱軋紡粘布，大大提高了復(fù)合濾料的強度和耐磨損性。

熱塑性聚氨酯（TPU）是分子中含有-NH-COO-基團的線性共聚物，聚氨酯獨特的鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的物理性能和加工性能（如彈性好、強度高、韌性好、耐磨、耐低溫性及耐油特性等），被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面[7—9]。此外，基于聚氨酯優(yōu)異的物理性能，很多科研人員也開展了相關(guān)的功能化研究。張軍瑞等[10]基于聚氨酯優(yōu)良的物理性能制備了透明的含氟聚氨酯涂層，這種涂層具有較低的表面能、優(yōu)異的耐候性，可以應(yīng)用于航空和軍事等領(lǐng)域。Yadav等[11]研究了功能化石墨烯納米片增強的熱塑性聚氨酯復(fù)合體系，研究發(fā)現(xiàn)功能化石墨烯的加入令復(fù)合體系在力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性以及形狀記憶方面均有明顯地提高。Yao等[12]設(shè)計并實現(xiàn)了一種新型的彈性聚氨酯/石墨烯壓電材料的制備。將熱塑性聚氨酯應(yīng)用于熔噴技術(shù)，可開發(fā)具有優(yōu)異的韌性、伸展性的彈性熔噴非織造布，不僅可以廣泛應(yīng)用于過濾行業(yè)，也可以用于制造彈性腰帶，手套，醫(yī)療用繃帶等，進一步拓展了熔噴非織造布的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，有關(guān)熔噴TPU非織造布的研究鮮有報道。

基于此，本文以TPU為原料，通過熔噴技術(shù)制備TPU非織造布，并考察了牽伸熱風(fēng)的風(fēng)溫和牽伸熱風(fēng)的風(fēng)壓對熔噴TPU非織造布的形態(tài)結(jié)構(gòu)、強力、過濾性能和透氣性能的影響。

1實驗

1.1實驗原料

熱塑性聚氨酯（TPU），型號B80A，粒料，巴斯夫股份公司，德國。

1.2樣品制備

1.2.1TPU切片的紡前干燥

聚合物切片在紡絲前未進行干燥處理或切片內(nèi)水分干燥不徹底，容易在熔融紡絲過程中形成氣泡絲，并造成毛絲和斷頭，從而使熔噴非織造布的表面光滑度及手感下降，織物強力、彈性及伸長率等也會受到很大影響[13]。另外，切片中水分含量過高時，聚合物的軟化點較低，在螺桿擠出機中容易形成環(huán)結(jié)阻料，不利于紡絲。

因此，本實驗采用DHG型電熱恒溫（鼓風(fēng)）干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）對TPU聚合物切片進行干燥。干燥箱內(nèi)風(fēng)壓為0.09 MPa，風(fēng)溫為95 ℃，干燥時間為4 h。

1.2.2TPU熔融指數(shù)的測試

熔融指數(shù)（MI）是表征聚合物熔體流動性能的一個重要指標，是指在規(guī)定溫度和負荷條件下，熔體在一定時間內(nèi)流過標準毛細管的重量，用g/10 min來表示。其值越大，表明熔體的流動性能越好。在不同溫度下，聚合物的熔融指數(shù)會有所不同。一般情況下，溫度越高，熔融指數(shù)越大，聚合物的流動性越好，更有利于熔噴工藝[14]。

為了確定熔噴紡絲的最佳熔體溫度，采用RL—Z1B1熔體流動速率儀（上海斯爾達科學(xué)儀器有限公司）測定TPU在不同溫度下的熔融指數(shù)。按照標準GB/T 3682—2000《熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率和熔體體積流動速率的測定》測試：負荷為4 675 g，毛細孔直徑為2.095 mm。

由表1可得，從185 ℃開始，隨著溫度的逐漸升高，TPU的熔融指數(shù)逐漸增大，流動性變好。在熔體溫度為215 ℃時，熔融指數(shù)最高（91.89 g/10 min）。因此，熔噴TPU的最佳溫度范圍為215～225 ℃。

1.2.3熔噴TPU非織造布

采用FCN—2型熔噴實驗機（淄博臨淄方辰有限公司）進行熔噴TPU非織造布實驗，噴絲板孔徑0.25 mm。本研究共進行兩組TPU切片的熔噴紡絲試驗。首先通過a組實驗，嘗試確定成功紡絲的工藝參數(shù)。然后采用控制變量的方法，進行b組熔噴紡絲實驗，主要考察牽伸熱風(fēng)的風(fēng)溫及風(fēng)壓對熔噴TPU非織造布結(jié)構(gòu)及性能的影響。表2為a組紡絲工藝參數(shù)。

1.2.4掃描電子顯微鏡（SEM）測試

為了觀察不同工藝條件下熔噴TPU纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，采用Quanta 250型（捷克FEI公司，美國）掃描電子顯微鏡對TPU非織造布的表面進行SEM觀察。在測試前，樣品表面進行噴金處理。

1.2.7透氣性能測試

過濾材料的透氣性影響濾材的過濾性能，透氣性采用規(guī)定試驗面積、壓差條件下，氣體垂直通過試樣的速率表示[16]。采用YG461Z型全自動透氣性能測試儀（萊州市電子儀器有限公司），按照GB/T 5453—1997《織物透氣性的測定》標準測試TPU熔噴非織造布的透氣性能。實驗壓差為200 Pa，試樣面積為20 cm2。為減小實驗誤差，對于每種樣品測試6次，求取平均值，可測得不同熔噴工藝條件下TPU非織造布的氣流速率。

2結(jié)果與討論

2.1熔噴TPU非織造布的形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.1.1a組工藝下熔噴TPU非織造布的形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖1（a）、圖1（b）分別為a組工藝條件下熔噴TPU非織造布放大80倍和200倍的SEM圖。由圖1可知，熔噴TPU非織造布均勻成網(wǎng)，纖維平均直徑約18 μm，非織造布厚度約0.6 mm，平方米質(zhì)量170 g/m2。熔噴TPU非織造布表面質(zhì)量良好，幾乎未形成融滴粒子，且非織造布具有良好的彈性。

2.1.2牽伸熱空氣的風(fēng)壓和風(fēng)溫對纖維直徑的影響

圖2為不同牽伸熱空氣的風(fēng)壓和風(fēng)溫條件下熔噴TPU非織造布的形態(tài)結(jié)構(gòu)。從圖2中可以看出，風(fēng)溫不變時，隨著風(fēng)壓的提高，熔體細流受到的牽伸力增大，纖維沿軸向拉伸效果較好，纖維直徑逐漸變細;風(fēng)壓不變時，隨著風(fēng)溫的提高，熔體黏度下降，流動性能提高，也有利于熔噴纖維直徑的減小。

2.2熔噴TPU非織造布的力學(xué)性能

表4為不同風(fēng)溫和風(fēng)壓條件下熔噴TPU非織造布的頂破強力。由表4可得，隨著牽伸熱空氣風(fēng)壓的增大，TPU熔噴非織造布的頂破強力逐漸增大。牽伸熱空氣的風(fēng)壓越大，紡絲線上的熔體細流所受到的牽伸力也越大，熔體細流的牽伸及取向越好，有利于纖維強力的提升。同時，纖維直徑減小，熔噴纖維網(wǎng)的面覆蓋率增加，纖網(wǎng)中纖維間的接觸面積增加，摩擦力增大，故頂破強力也隨之增加。除了單絲強力增大外，風(fēng)壓的增大，也會改善聚氨酯熔噴非織造纖網(wǎng)中纖維之間的黏合效果，使聚氨酯熔噴非織造材料的頂破強力增大。

此外，隨著牽伸熱空氣的風(fēng)溫的升高，TPU熔噴非織造材料的頂破強力也逐漸增加。主要由于隨著熱風(fēng)溫度的提高，落在接收簾上的TPU纖維來不及冷卻，纖維間的黏合效果增強，布的強力也隨之增大。綜合考慮，牽伸熱風(fēng)的風(fēng)溫為240 ℃時，風(fēng)壓為3.5 MPa時，熔噴TPU非織造材料的頂破強力最高。

表5為不同風(fēng)溫和風(fēng)壓條件下熔噴TPU非織造布的斷裂強力。由表5可得，隨著牽伸熱空氣的風(fēng)壓的增大和牽伸熱空氣風(fēng)溫的升高，TPU熔噴非織造布的斷裂強力提高，其原因與頂破強力相同。

2.3熔噴TPU非織造布的過濾性能

表6為熔噴TPU非織造布的過濾性能測試結(jié)果。從表6中可以看出，牽伸風(fēng)壓和風(fēng)溫的提高都會提高熔噴TPU的過濾效率和濾阻。由SEM結(jié)果可知，熔噴TPU纖維的直徑隨風(fēng)壓增大和風(fēng)溫提高而減小，纖維的比表面積增大，吸附面積增大，所以過濾效率提高。同時纖維的面覆蓋率增加，纖維網(wǎng)孔隙減小，阻力也相應(yīng)加大[17]。

2.4熔噴TPU非織造布的透氣性能

表7為熔噴TPU非織造布的透氣性能測試結(jié)果。當固定風(fēng)溫時，風(fēng)壓越大，TPU熔噴非織造材料的透氣率越小。因為風(fēng)壓越大，熔體細流所受牽伸力越大，TPU熔噴非織造材料內(nèi)的纖維越細，比表面積越大，纖網(wǎng)的孔隙率也越小，故透氣率減小[18]。而固定風(fēng)壓時，風(fēng)溫越高，TPU熔噴非織造

3結(jié)語

本文介紹了熱塑性聚氨酯（TPU）熔噴非織造布的加工研制過程，通過熔融指數(shù)（MI）測試確立了熔噴TPU非織造布的紡絲溫度范圍為215～225 ℃。重點討論了牽伸熱風(fēng)的風(fēng)壓和風(fēng)溫對熔噴TPU非織造布微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)及性能的影響。風(fēng)溫不變時，熔噴TPU非織造布的纖維隨牽伸風(fēng)壓的增大而變細，風(fēng)壓不變時，提高牽伸氣流的風(fēng)溫，纖網(wǎng)中纖維之間的黏合作用加強。微結(jié)構(gòu)的變化顯著影響熔噴TPU非織造布的力學(xué)性能、透氣性能和過濾性能。固定風(fēng)溫時，隨牽伸熱風(fēng)風(fēng)壓增大，TPU熔噴非織造材料的斷裂強力及頂破強力增加，過濾效率提高，但其透氣性有所下降;固定風(fēng)壓時，隨牽伸熱風(fēng)風(fēng)溫升高，TPU熔噴非織造材料的斷裂強力、頂破強力、過濾效率和透氣性與風(fēng)壓增大時呈相同的變化趨勢。

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