聚丙烯非織造復合材料的塑性變形老化分析

宋澤文，張初陽,2

(1.東華大學，上海 201620；2.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830046)

聚丙烯非織造復合材料的塑性變形老化分析

宋澤文1，張初陽1,2

(1.東華大學，上海 201620；2.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830046)

文章采取部分熔融紡絲工藝生產的非織造材料為原料，模擬不同的溫濕度貯存環境作為試樣的貯存環境，并進行定期的性能檢測。通過斷裂伸長率和最大強力值表征試樣的力學性能變化，同時研究聚丙烯材料結晶度與相對分子質量的變化趨勢分析試樣力學性能變化的內因。

衛生材料；聚丙烯；非織造布；紡絲成網法

隨著人們生活水平的提高和對個人衛生的重視，一次性衛生用品如嬰兒尿不濕、婦女用衛生巾和成人失禁護墊等產品的使用量和使用頻率越來越大。由于越來越多的同類產品被送達貨架，明確這類產品的使用壽命并理解影響產品使用壽命的因素均成為必要的產品知識。

通過熔融紡絲法制成的低面密度非織造材料是該類衛材的主要成分，熔融紡絲法的工藝[1]流程簡潔，主要是通過把加熱到熔融狀態的高分子聚合物流體從細小的噴絲孔中快速擠出后再在空氣中冷卻及牽伸拉長，最后將纖維固結成網。為了使非織造材料具備更佳的微粒過濾效能和較好的力學強度，熔融紡絲工藝生產的紡粘—熔噴—紡粘(SMS)復合結構的非織造材料應運而生[2]。由于產品的柔軟手感和獨特的細小孔徑，該種復合非織造材料如今被廣泛應用于醫療和衛生等領域。

1　試驗部分

1.1試驗原料

本文中采用的紡粘非織造布的聚丙烯原料的熔融指數約為34 g/10min；熔噴非織造布的聚丙烯原料的熔融指數為1400 g/10min。在試驗用的復合非織造產品中，試樣的面密度均為15 g/m2，如圖1所示。非織造布試樣的預加軸向張力大小為100 N/m，試樣被固定于不銹鋼鋁板表面，用試樣夾和強力膠帶固定位置防止試樣滑移。每塊試樣的長570 mm，寬為400 mm。

圖1　試驗中試樣樣板

1.2老化對比條件

本文采用兩種溫濕度規格，一種是采用標準實驗室的溫濕度23℃及60%相對濕度的環境;另一種試驗環境是采用40℃及75%相對濕度的環境。如圖2所示的恒溫恒濕箱被用來實現40℃及75%相對濕度的老化環境。

1.3試驗試樣

本次試驗中所有樣品基本特性均被記錄在表1中，兩種材料主要放在不同的溫濕度環境中進行老化試驗。

1.4實驗周期

總共長達24個星期的測試在本試驗中得到開展，各組測試工作分別在0周，4周，8周，12周和24周老化后迅速完成，在每個測試點對應的測試數據均被記錄和分析。

1.5 性能測試

1.5.1平方米面密度

通過面密度數值可以觀測試樣制備的制程能力和穩定性水平，同時面密度也會影響各力學性能，穩定的面密度可以佐證本試驗中強力水平對比的合理性。每個試樣在每個測試周期均被測試10個數據。

圖2　LHS-250-I型恒溫恒濕箱

試樣組分面密度(g/m2)張力(N/m)溫度/濕度(℃/%)#1SMMS159840/75#2SMMS159823/60

1.5.2強力性能

強力測試用來表征試樣材料的堅韌強度和纖維間的粘結強度。在24周的老化試驗中，強力儀選用Zwick強力儀，每種試樣在每個測試周期被測試30個值，求平均值代表平均強力性質，用方差觀測各個測試周期中樣品性能的均一性。測試并記錄最大強力值和斷裂伸長率，同時強度保持率與斷裂伸長保持率也可以從平均值中得出。

1.5.3差示掃描量熱法

為了從微觀角度理解和分析高分子材料在老化過程中的分子鏈結構變化，差示掃描量熱法(DSC)被用來測試各個樣品的結晶度。結晶度與試樣的強力性能直接相關，實驗中選取5 mg聚丙烯結點試樣，N2氣流速率20 mL/min, 以20℃/min的速度從50℃升溫至180℃，得到聚丙烯熔融過程的熱晗—時間關系表，進而推算求得其結晶度。計算公式為[3-4]：

1.5.4凝膠滲透色譜法

本試驗中，分子量分布為表征微觀分子量分布的重要指標，從本試驗結果可以觀測在老化過程中聚丙烯高聚物的相對分子質量變化趨勢。由于聚丙烯材料很難溶解于一般溶劑，凝膠滲透色譜(GPC)需要采用高溫色譜法(150℃)并采用三氯甲苯為溶劑。

2　結果與討論

2.1面密度測試

由于本試驗中的試驗樣品都是疏水的聚丙烯非織造材料，即使在高濕度(75%相對濕度)條件下的回潮率依然趨近于零。如圖3所示，在未老化樣品的強力對比中，兩種試驗材料的面密度均穩定于15g/m2，這說明在生產過程中，兩種樣品的工藝穩定，同時面密度與力學性質有直接聯系，大面密度非織造材料意味著更多的纖維纏結，即斷裂強力相應增大。在老化試驗結束后，兩種材料的面密度數值沒有發生顯著改變。

圖3　老化過程中兩種樣品的面密度

2.2溫濕度的影響

本試驗中兩種測試環境被用來研究不同的溫濕度環境對聚丙烯非織造復合材料老化速率的影響。強力性能作為主要的性能指標，同時利用結晶度測試和分子量的凝膠滲透色譜測試來表征聚丙烯非織造材料內部的變化。

2.2.1結晶度測試

結晶度與高聚物材料的力學性能有很大聯系，一般說來，結晶度越大的高分子聚合物材料的強力值也往往越大，材料相對剛硬。

同樣的聚丙烯非織造材料在有張力條件下被放置于兩種不同的溫度與濕度環境下，原始結晶度是一致的。從圖4的對比中可知， 40℃/75%相對濕度條件下的聚丙烯非織造材料最終的結晶度比23℃/60%下的聚丙烯非織造材料高了約3%。在老化后，兩種聚丙烯非織造材料的結晶度與未老化的結晶度相比，聚丙烯材料的結晶度均有小幅度的提升。

圖4　兩種樣品老化前后的DSC圖譜

由于老化過程中，兩種聚丙烯試樣都在張力條件下被長期拉伸，蠕變現象發生在整個老化過程中，聚丙烯分子鏈內部的分子鏈在張力拉伸條件下趨向于沿軸向逐步解開原有的纏結而在原來的非結晶區域內部重結晶，這是造成試驗中結晶度上升的主要原因。相比于實驗室條件(23℃及60%相對濕度)條件下，在恒溫恒濕箱(40℃及75%相對濕度)的非織造材料由于較高溫度的存在，分子量蠕變效應更加顯著，因此更多的纏結分子鏈段得到解開，進而重結晶的程度也更顯著。

2.2.2分子量測試

分子量測試的主要目的是了解老化過程中聚丙烯高聚物的分子鏈斷鏈的程度。在整個老化過程中，由圖5所示，恒溫恒濕箱中的試樣的重均分子量下降了約15%，在標準實驗室條件下的試樣的重均分子量下降了約13%。這說明了在恒溫恒濕箱條件下聚丙烯非織造材料的分子量下降更多，這個結果與結晶度測試的結果相互匹配。

2.2.3力學性能測試

力學性能在聚丙烯非織造材料的老化過程中可以作為重要的老化進程指標，相比于最大強力值的變化程度，斷裂伸長率的減少量往往更加明顯。由圖6和圖7所示，斷裂伸長率的降幅比較顯著，無論是橫向或者縱向斷裂伸長率的對比中，在恒溫恒濕箱中的老化程度均比在實驗室中的老化程度高。由于在恒溫恒濕箱中試樣的聚丙烯高聚物材料的分子量損失得更多，對于同類高分子材料，越低的相對分子質量意味著更少的分子間纏結和更低的斷裂伸長率。

圖5　兩種樣品老化的重均分子量

圖6　兩種樣品老化的橫向斷裂伸長率

圖6的橫向伸長率對比中，40℃及75%相對濕度環境中的試樣的斷裂伸長率損失了42.9%，而23℃及60%相對濕度環境中的材料的斷裂伸長率損失了35.0%。

圖7的縱向斷裂伸長率的對比中，40℃及75%相對濕度環境中的試樣的斷裂伸長率損失了36.3%，而23℃及60%相對濕度環境中的試樣的縱向伸長率損失了約23.6%。

圖7　兩種樣品老化的縱向斷裂伸長率

在拉伸試驗中的強力試驗結果與斷裂伸長率試驗對比可發現，伸長率的下降比強力值的下降更顯著。

在圖6和圖7的老化過程中強力的對比中，相對分子質量的下降是導致強力下降的直接原因，但是由于結晶度的測試結果顯示老化后高聚物材料的結晶度略微增大，材料變得更剛硬。結晶度的增加是高聚物的強力值保持率好的主要原因。

由圖8可知，恒溫恒濕箱中的試樣橫向強力損失為15.2%，而置于實驗室溫濕度環境中材料的縱向強力損失了9.8%。相比于23℃/60%環境，40℃/75%相對濕度的環境對橫向強力的衰退起起到促進作用。

圖8　兩種樣品老化的橫向強力峰值

由圖9可知，恒溫恒濕箱中的試樣縱向強力損失率為25.66%，而置于實驗室溫濕度環境下的高聚物材料的縱向強力損失了15.84%。相比于23℃/60%環境，40℃/75%相對濕度的環境對縱向強力的衰退起起到加劇作用。

圖9　兩種樣品老化的縱向強力峰值

3　結論

本文主要研究了不同的溫濕度環境對于聚丙烯非織造復合材料的老化程度的影響，從試驗中得到如下結論。

3.1老化后的聚丙烯高聚物的結晶度略微增加，且40℃及75%相對濕度環境下的結晶度增加幅度比23℃及60%相對濕度環境條件的結晶度大。

3.2聚丙烯非織造復合材料的高聚物相對分子質量在老化過程中持續下跌；且40℃/75%相對濕度環境下的相對分子質量跌幅比23℃/60%相對濕度環境條件的相對分子質量跌幅大。

3.3老化過程中，橫向和縱向的聚丙烯非織造復合材料的斷裂伸長率均有較大幅度的下降，這和相對分子質量下降有直接聯系。

3.4老化過程中，強力的跌幅和斷裂伸長率的跌幅相比沒有如此顯著，主要是結晶度的增加一定程度上保持了試樣的強力值。

[1]DharmadhikaryRK,DavisH,GilmoreTF,etal.Influenceoffiberstructureonpropertiesofthermallypointbondedpolypropylenenonwovens[J].TextileResearchJournal, 1999, 69(10): 725—734.

[2]陳廷，陳革.紡粘-熔噴復合材料的加工與應用 [J].產業用紡織品,1999,17(3):18—22.

[3]FrancqisA,RichaudE,DesnouxE,ColinX.Influenceoftemperature,UV-lightwavelengthandintensityonpolypropylenephotothermaloxidation[J].PolymerDegradationandStability, 2014,(100):10—20.

[4]LimaMFS,VasconcellosMAZ,SamiosD.Crystallinitychangesinplasticallydeformedisotacticpolypropyleneevaluatedbyx-raydiffractionanddifferentialscanningcalorimetrymethods[J].JournalofPolymerSciencePartB:PolymerPhysics, 2002,40(9):896—903.

(1.DonghuaUniversity，Shanghai201620，China;2.XinjiangUniversity,Urumqi830046，China)

CharacterizationonAgingPerformanceofMeltSpun

PolypropyleneCompositeNonwovens

Song Zewen1, Zhang Chuyang1,2

Specifiedmeltspunnonwovenmaterialswerepreparedasspecimens,andproperties′measurementswerethenoperatedatdifferenttimepointsduringstorageprocess.Mechanicalproperties,degreeofcrystallinityandmolecularweightofpolypropylenewerekeytestitemsinthisstudy.

hygiene;polypropylene;nonwoven;meltspinning

2015-01-14

宋澤文(1990—)，男，江蘇泰州人，碩士研究生。

TS151

A

1009-3028(2015)02-0008-04