紡粘非織造布制備工藝與性能的關系

田 偉，雷 新，從明芳，祝成炎

(1.浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310018;2.浙江理工大學“紡織纖維材料與加工技術”國家地方聯合工程實驗室，浙江 杭州 310018)

工業的迅速發展，導致空氣中帶有大量的懸浮顆粒，這些細小顆粒的存在已嚴重危害了人們的身體健康。隨著可持續發展戰略的不斷推進，人們日益重視對環境的保護，空氣過濾在人們的生活和生產中扮演著極其重要的角色，空氣過濾理論也得到了長足的發展［1－3］。目前，被人們廣泛使用的纖維過濾材料［4］主要有機織過濾材料和非織造布過濾材料2大類。非織造布過濾材料是三維纖維網狀結構，過濾效率優于機織過濾材料。過濾材料的結構(包括材料厚度、面密度、纖維直徑、孔隙率)對其透氣性和過濾性能起著決定作用，而決定過濾材料結構的是其生產工藝參數。

紡粘非織造布［5］是將聚合物擠出、拉伸，形成連續長絲后鋪設成網，纖網再經過熱粘合而形成的，嚴玉蓉等［6］申請了PPS紡粘非織造布制備方法的專利。相比于針刺、水刺及針刺與水刺復合加工工藝，紡粘法非織造布的工藝流程更短、產品力學性更加優良［7］，適用于做過濾材料。本文以聚丙烯為原料，采用紡粘生產工藝，設置多種工藝參數，制備紡粘非織造布試樣。通過測試紡粘非織造布的結構參數和透氣率，并對試樣的表觀結構進行觀察，計算其孔隙率，分析工藝參數與紡粘非織造布結構及性能之間的關系。

1 紡粘非織造布的制備

1.1 原料

聚丙烯原料由紹興超特合纖有限公司提供，熔融指數為30g/10 min。

1.2 工藝流程

非織造布試樣制備工藝流程為:切片烘干→切片喂入→熔融擠壓→紡絲→冷卻牽伸→分絲鋪網→纖維加固。

1.3 工藝參數

制備了30種不同工藝參數的紡粘非織造布試樣，制備過程中，側風溫度為20℃，側吹風頻率為28 Hz，網下吸風頻率為42 Hz。紡粘熱軋工藝中，上輥熱軋溫度為120℃，下輥熱軋溫度為115℃，熱軋壓力7996.8 N，熱軋時間1h。螺桿擠出機5個區的溫度分別為200、210、220、220、220 ℃;濾網、紡絲箱體和紡絲組件的溫度均為220℃;計量泵頻率分別為 20、22、24、26、28、30 Hz，并在每種計量泵頻率下分別將網簾頻率設置為5、6、7、8、9 Hz(網簾頻率和計量泵頻率分別是指控制網簾移動和計量泵的發動機轉速)。

試樣照片如圖1所示。觀察圖1可知，制得的紡粘非織造布經過熱軋工序后表面有軋點，存在凹凸不平的結構，主要是因為該處纖維融化將周圍纖維黏合，未黏合處保持纖維原有的性狀，這種結構使織物具有很好的柔軟性、透氣性和彈性。

圖1 紡粘非織造布試樣照片Fig.1 Picture of nonwoven sample

2 性能測試

2.1 厚度和面密度測試

厚度測試參考FZ/T 60004—1991《非織造布厚度的測定》，選用YG141N數字式厚度測試儀測試;面密度測試參考GB/T 4669—2008《紡織品機織物單位長度質量和單位面積質量的測定》，選用XY系列電子天平測試。

為了減小試樣厚度和面密度不均勻造成的測試誤差，對每個試樣均進行10次不同位置的測量，再通過計算獲得平均厚度和平均面密度。

2.2 形貌觀察

選用JSM－5610LV掃描電鏡。測試過程中真空度為0.133～13.33 Pa，電壓為0.5～2.0 kV，采用離子濺射法鍍金3～10 min，操作、調像在真空系統中進行。

2.3 纖維直徑測試

纖維直徑的大小及其分布直接影響非織造布孔徑大小和孔徑分布，從而影響材料的過濾性能(過濾效率和過濾阻力)。纖維直徑很難直接測量，本文采用Smile－view軟件對非織造布掃描電鏡拍攝的纖維進行直徑測量，得到纖維直徑的大小及其分布。首先對每個試樣中50個不同位置處的纖維直徑進行測量，取平均值以減小測試誤差。

2.4 孔隙率的計算

織物的孔隙率愈大，則所含孔隙體積愈多，滲透系數愈大，通透性愈好［8－9］。孔隙率對濾材的滲透性能［10］有極大的影響。孔隙率的計算公式為

式中:n為孔隙率，%;M為單位面積質量，g/m2;ρ為原材料體密度，g/m3，已知丙綸的體密度為0.91 g/cm3;δ為材料厚度，m。

2.5 透氣性測試

非織造布的透氣性能取決于很多因素，包括孔隙結構和流體特性等，一般來說，孔徑尺寸越大，孔隙率越高，透氣性越好。本文參考GB/T 13764—1992《土工布透氣性的測試方法》，采用YG461E－III全自動透氣量儀測定織物的透氣性。對每個試樣均進行10次測試，取平均值以減小實驗誤差。

3 測試結果與分析

3.1 工藝參數對厚度及面密度的影響

測試紡粘非織造布的厚度和面密度，結果見圖 2、3。

圖2 紡粘非織造布厚度Fig.2 Thicknesses of nonwovens

圖3 紡粘非織造布面密度Fig.3 Planar densities of nonwovens

由圖2、3可以看出，當計量泵頻率一定時，網簾頻率增加，織物厚度和面密度減小。當網簾頻率一定時，計量泵頻率增加，織物厚度和面密度呈變大的趨勢。因為當計量泵頻率一定時，隨網簾頻率增加，纖維鋪疊層數減小，所以厚度、面密度減小。而當網簾頻率一定時，隨著計量泵頻率的增加，單位時間內熔體擠出量增加，纖維鋪疊層數增加，所以厚度和面密度變大。

3.2 計量泵頻率對纖維直徑的影響

纖維直徑的大小直接影響織物孔徑的大小與分布，纖維直徑越大，織物孔徑分布越不均勻，過濾效率相應降低。當網簾頻率一定時，計量泵頻率與纖維直徑之間的關系如圖4所示。

圖4 計量泵頻率與纖維直徑的關系Fig.4 Relationship between frequency of metering pump and fiber diameter

由圖4可以看出，在網簾頻率一定的條件下，計量泵頻率增加，纖維直徑總體上呈增大趨勢，但當計量泵頻率大于22 Hz后，這種變化趨勢并不明顯，甚至發生波動。說明當計量泵頻率增加到一定程度時，熔體輸出量對纖維直徑的影響不顯著。

3.3 工藝參數對孔隙率的影響

圖5示出紡粘非織造布孔隙率對工藝參數的變化曲線。

圖5 紡粘非織造布孔隙率變化Fig.5 Porosity changing of nonwovens

從圖5可以看出，計量泵頻率一定時，隨網簾頻率增加，紡粘非織造布孔隙率呈增大趨勢，當網簾頻率一定時，隨計量泵頻率的增加，孔隙率呈減小趨勢。因為當計量泵頻率一定時，隨網簾頻率增加，單位體積內纖維數量減少，孔隙率相應增加。而當網簾頻率一定時，隨計量泵頻率的增加，單位時間內熔體擠出量增加，單位體積內纖維數量增加，孔隙率相應減小。

3.4 孔隙率與透氣性能的關系

根據測試結果，得出紡粘非織造布孔隙率與透氣性能之間的關系，如圖6所示。

圖6 平均透氣率與孔隙率關系曲線Fig.6 Relationship between air permeability and porosity

由圖6可以看出，紡粘非織造布的透氣率隨試樣孔隙率的增加而增加，且二者呈冪函數關系。基于紡粘非織造布孔隙率與工藝參數及透氣率的關系，為了在一定程度上提高紡粘非織造布產品的透氣性能，可以嘗試改變工藝參數來實現。

4 結語

1)當計量泵頻率一定時，網簾頻率增加，織物厚度、面密度減小;當網簾頻率一定時，計量泵頻率增加，織物厚度和面密度呈增加的趨勢。

2)當計量泵頻率增加到一定程度時，熔體輸出量將不再對纖維直徑變化產生顯著影響。

3)計量泵頻率一定時，隨網簾頻率增加，紡粘非織造布孔隙率呈增大趨勢;當網簾頻率一定時，隨計量泵頻率的增加，孔隙率呈減小趨勢。

4)紡粘非織造布的透氣率隨試樣孔隙率的增加而增加，且二者呈冪函數關系。

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