3D 熔噴聚丙烯非織造材料的制備及緩沖性能研究

謝單單，張鐘雷，胡佳麗，馮 凱，相鴻欽，張 偉

(1.南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通， 226019；2.江陰健發(fā)特種紡織品有限公司，江蘇 無錫， 214421)

0 引言

緩沖材料來源廣泛、且種類眾多，目前市場上的包裝、防撞等緩沖材料，主要使用紙制類緩沖材料和發(fā)泡塑料類緩沖材料[1－3]。 蜂窩紙板和瓦楞紙板是目前應用比較普遍的紙制型緩沖材料[4－5]，其主要應用于包裝襯墊、紙箱等產品，可應用于醫(yī)用器械、家用電器、農用及食品等領域[1，6]。 Bovea等[7]通過評價軟件對瓷磚紙板盒包裝系統(tǒng)進行了生命周期評估，并發(fā)現(xiàn)在膠粘劑的使用過程中以及生產過程的能源消耗方面對環(huán)境造成了較為嚴重的破壞。 此外，由于紙制類包裝材料廢棄物的焚燒會釋放CO、NO2等有害氣體，因此，包括含油墨的廢紙中存在的鉛及其他有害物質對環(huán)境和人體健康都帶來嚴重的不良影響[8]。 紙制型緩沖材料雖然在市場上應用較為廣泛且成本較為穩(wěn)定，但因其材料主要源于植物纖維，這在一定程度上對環(huán)境造成了破壞，同時會造成資源的短缺[9]。

發(fā)泡塑料型緩沖材料應用較為廣泛的有發(fā)泡聚苯乙烯(Expandable polystyrene，EPS)、發(fā)泡聚乙烯(Expandable polyethylene，EPE)、發(fā)泡聚丙烯(Expandable polypropylene，EPP)等。 其中，EPS 緩沖材料在生產過程中因氟氯烴等的存在對大氣臭氧層有著巨大的破壞作用，壓縮后易產生塑料形變、可重復性能差，其廢棄物難以降解、不易回收等缺點對環(huán)境造成了嚴重的污染[10－14]；通過對EPE材料在環(huán)境溫度[15－16]、密度[17－18]、厚度[18]、多次沖擊[19－20]等因素下其緩沖性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)EPE 材料有著高緩沖性、高恢復性、高抗震性等優(yōu)點，相比于EPS，該材料可回收再利用，具有較好的環(huán)保性能，但其制備工藝較為復雜、周期較長、成本較高等[21]；EPP 以其良好的能量吸收性、熱穩(wěn)定性、彈性回復性及質輕、經濟、環(huán)保等特點的緩沖材料被廣泛應用于包裝、汽車、電子、包裝以及建筑等領域[22－24]。 相比于目前市場上廣泛使用的EPS 等緩沖材料，EPP 在諸多方面都有著較為明顯的優(yōu)勢。 因此，對聚丙烯(Polypropylene，PP)類緩沖材料的力學及緩沖性能的研究對于自然資源的節(jié)約、使用的合理性和高效性以及成本的控制等都有著重要的價值。

本文在具有3D 結構的熔噴聚丙烯非織造材料的基礎上，通過交叉粘合復合形成熔噴聚丙烯緩沖材料，并對其力學性能、透氣性能、耐磨性能及靜態(tài)壓縮性能等進行了測試分析，同時研究了材料的厚度對3D 熔噴緩沖材料緩沖性能的影響。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

實驗所用的熔噴材料是由江陰健發(fā)特種紡織品有限公司所生產，克重為2.35 g/m2；JL－655 型粘合劑，東莞市聚力膠粘制品有限公司；Instron 萬能材料試驗機，美國Instron 公司；YG(B)031PC 型臺式taishi2 電子織物頂破強力機，溫州大榮紡織儀器有限公司；YG(B)461E 型數(shù)字式織物透氣性能測試儀，溫州大榮紡織儀器有限公司；WDW－10 型微機控制土工布材料試驗儀，濟南思達測試技術有限公司；YT050 型土工布磨損試驗儀；PTX－FA21OS 型電子天平，華志(福建)電子科技有限公司。

1.2 材料的制備

圖1(c)為3D 熔噴PP 材料的結構示意圖，將熔噴非織造材料通過點對點上膠后固化，經交叉逐層疊加復合形成不同厚度的3D 熔噴緩沖材料，實物圖如圖1(a)、圖1(b)所示。 最后根據(jù)測試標準裁成相對應規(guī)格的試樣，進行下一步相關性能測試。 所有的測試環(huán)境溫濕度均分別為標準大氣壓條件(溫度20±4 ℃，相對濕度65±3 %)下進行。

圖1 熔噴PP 非織造材料結構圖(插圖為對應電鏡圖)

1.3 性能測試

分別參照GB/T 24218.15－2018?非織造布試驗方法第15 部分:透氣性的測定?、GB/T 19976－2005?紡織品 頂破強力的測定 鋼球法?、GB/T 24218.3－2010?非織造布實驗方法第3 部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)?及GB/T 17636－1998?土工布及其有關產品 抗磨損性能的測定 砂布/滑塊法?對試樣的透氣、頂破、拉伸以及耐磨性能進行測試。 準備不同復合層數(shù)的3D 熔噴緩沖材料各3 組；并參照GB/T 24442.1－2009?紡織品壓縮性能的測定 第一部分 恒定法?和GB/T 8167—2008?包裝用緩沖材料動態(tài)壓縮試驗方法?，對試樣進行預調濕后在加載速率為7.5 mm/min 條件下對試樣進行靜態(tài)壓縮回彈性能測試。

(1)靜態(tài)壓縮試驗

①應力—應變曲線

通過以下公式(1)、(2)可分別求出試樣的壓縮應力和壓縮應變，并得到應力—應變曲線(σ－ε曲線)。

w為試樣回彈率，%；H0為材料壓縮前的厚度，mm；Hj為材料壓縮后的厚度，mm。

(2)循環(huán)壓縮—回彈試驗

對試樣進行循環(huán)壓縮—回彈試驗，每個試樣循環(huán)加載5 次。 將測試采集得到的載荷—位移數(shù)據(jù)通過計算與處理繪制循環(huán)壓縮變形曲線、循環(huán)壓縮—回彈曲線。

2 結果與討論

2.1 試樣厚度分析

參照GB/T 1380－1997 測試標準對試樣進行厚度測試，同一試樣選取四個角和中間位置5 個點測試，并取其平均值。 測試樣品的厚度見表1。 由于粘合劑在兩粘合界面之間發(fā)生作用使兩界面間產生相互粘結力，所以經復合粘合之后的試樣比單一原材料的厚度有略微增加。

表1 試樣厚度及特征參數(shù)

2.2 材料透氣性能分析

不同復合層數(shù)熔噴聚丙烯非織造材料透氣測試結果及透氣率變化分別如表2、圖2 所示。 由圖2、表2 可以看出單層熔噴非織造材料的透氣率最高，為2156.59 mm·s－1，隨著復合層數(shù)的增加，透氣率呈大幅下降趨勢，從6 層到12 層的降幅逐漸減小。 這主要來源于兩方面的原因，一是復合的層數(shù)越大，也就是厚度越大，層間材料相互作用導致孔隙率的下降；二是粘合劑的作用，上膠量面積越大，材料的孔隙率越小。 因此可以說明材料的層數(shù)(即厚度)、粘合劑上膠方式和上膠量等都會對其透氣性產生影響。

表2 試樣透氣率測試

圖2 不同復合層數(shù)熔噴PP 非織造材料透氣率變化

2.3 材料頂破性能分析

試樣的頂破性能測試結果見表3。 由表3 可知，材料的頂破強力隨著層數(shù)的增加不斷增大。 如圖3 所示，不同層數(shù)材料頂破強力的增長幾乎呈正線性增長趨勢，3D 熔噴PP 非織造材料厚度越厚，表明該材料具有越好的頂破性能。 試樣的伸長率較為一致，說明在對材料進行粘合時點對點交叉粘合的方式使材料結構較為穩(wěn)定。

圖3 不同復合層數(shù)熔噴PP 非織造材料的頂破強力與伸長率的變化

表3 試樣頂破性能測試

2.4 材料拉伸性能分析

試樣的拉伸曲線和結果見圖4。 由下頁圖5可知，材料的拉伸力隨著層數(shù)的增加不斷增大，且不同層數(shù)材料斷裂強力的增長接近正線性增長趨勢，材料越厚，表明該材料具有越好的力學性能。如表4 所示，試樣的伸長率保持相對穩(wěn)定在30%左右，說明該緩沖材料具有較為優(yōu)良的抗拉伸性能的同時還具有較為穩(wěn)定的結構。

圖4 不同復合層數(shù)熔噴PP 非織造材料的拉伸斷裂曲線圖

表4 試樣拉伸性能測試

圖5 不同復合層數(shù)熔噴PP 非織造材料斷裂強力、伸長率與復合層數(shù)之間的變化

2.5 材料耐磨性能分析

試樣的耐磨性能測試結果見表5、圖6。 通過以下公式(4)可分別計算出試樣的耐磨指數(shù)。

圖6 不同復合層數(shù)熔噴PP 非織造材料耐磨指數(shù)和質量損失率的變化

表5 試樣耐磨性能測試

Ai為耐磨指數(shù)，次/mg；n為總摩擦次數(shù)，次；Δm為試樣在總摩擦次數(shù)下的質量損失，mg。

由表5、圖6 可以看出單層材料耐磨性較差，在磨損30 個周期就發(fā)生了斷裂，其平均耐磨指數(shù)僅為6.8 次·mg－1，而試樣2＃和3＃經750 個周期之后未斷裂，耐磨指數(shù)分別為15.9 次·mg－1、15.8 次·mg－1，且兩種試樣的質量損失率相差較小，說明當復合層數(shù)≥2 時對材料的耐磨性能影響較小，因此對于>3 層的復合材料的耐磨測試對其性能沒有影響。

2.6 材料靜態(tài)壓縮回彈性能分析

(1)σ－ε曲線、回彈率曲線

通過處理得到不同厚度試樣的σ－ε曲線、回彈率曲線如下，分別如圖7、8 所示。 如圖7，在應變值一定時，9 層復合熔噴緩沖材料所受應力值最小，6 層材料應力值最大。 如圖8 所示，可以看出隨著緩沖材料復合層數(shù)的增加，材料的回彈率總體呈上升趨勢，緩沖性能較好。 9 層材料回彈率稍低于6 層材料可以歸因于粘合劑的上膠量及點膠不勻等所帶來的影響。

圖7 不同復合層數(shù)熔噴PP 非織造材料的σ－ε 曲線

圖8 不同復合層數(shù)熔噴PP 非織造材料的回彈率曲線

(2)循環(huán)壓縮變形曲線

通過上述測試，選取復合層數(shù)為6 的材料進行壓縮回彈測試，試樣應力—應變曲線如下頁圖9 所示。 該3D 緩沖材料結構穩(wěn)定，壓縮后可較為快速地回彈。 由于熔噴聚丙烯非織造材料本身的非線性特性，該緩沖材料在循環(huán)壓縮下其加載曲線和回彈曲線不互相重合，同時因緩沖材料的變形損傷使其回彈時無法回復到原點，無法形成密閉滯回環(huán)[21]。 總體上，該緩沖材料經多次循環(huán)壓縮后，最大應力基本保持，未產生很明顯的塑性形變。

圖9 6 層的熔噴PP 非織造材料的循環(huán)壓縮應力—應變曲線

(3)循環(huán)壓縮—回彈曲線

試樣循環(huán)壓縮—回彈曲線如圖10 所示。 由圖可知，試樣在經過5 次循環(huán)壓縮—回彈測試過程中造成了一部分變形損傷導致變形無法恢復，仍具有較好的回彈性，說明該材料結構較穩(wěn)定且具有良好的緩沖性能。

圖10 6 層的熔噴PP 非織造材料的循環(huán)壓縮—回彈曲線

3 結論

為了評價3D 熔噴聚丙烯材料的緩沖性能，本文以聚丙烯為基材與粘合劑進行復合，制備3D 熔噴緩沖非織造材料，并對多種厚度的3D 熔噴非織造材料進行力學及循環(huán)壓縮試驗。 試驗結果表明，3D 熔噴緩沖材料的厚度對其緩沖性能有一定的影響。

(1)試樣厚度越大，層間材料相互作用導致孔隙率的下降，直接影響了試樣的透氣性能。

(2)試樣的頂破強力和斷裂強力隨厚度的增加而增大，且?guī)缀醭收€性增長趨勢，材料越厚，表明該材料具有越好的力學性能，且結構穩(wěn)定。

(3)試樣在壓縮測試中，厚度越大，其抗壓性能越差，更易產生塑性變形，但其對試樣的彈性回復變形影響較?。谎h(huán)壓縮結果顯示試樣三維結構穩(wěn)定，壓縮后可較為快速地回彈，未產生很明顯的塑性形變，具有較好的靜態(tài)緩沖性能。