熱風溫度對PP/TPU熔噴非織造布結構與性能的影響

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，采用相應的工藝進行熔噴，從而制備出以TPU為“島”、PP為“海”的海島型復合纖維結構的熔噴非織造布。并對纖維的橫截面形態和縱向形態，非織造布的厚度、透氣量、拉伸強度及彈性回復性能進行了表征。試驗表明，高黏度的TPU與低黏度的PP混紡仍有一定的熔噴可紡性。試驗發現：當其他條件保持不變，只改變熱風溫度時，隨著熱風溫度的升高，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；而熔噴非織造布的透氣量及拉伸強度呈逐漸增加的趨勢。同時發現，PP/TPU熔噴非織造布手感柔軟，具有一定的拉伸強度和彈性回復性。

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

中圖分類號： TS174.8 文獻標志碼： A 文章編號： 1001-7003（2018）08-0035-06引用頁碼： 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纖維自行固結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，孔隙率高等優點[1-2]。目前，熔噴法非織造布材料以其優異的結構和性能而受到廣泛的應用。應用領域涵蓋醫療衛生用品、過濾材料和形狀記憶材料等，如醫療彈性繃帶、用即棄型的嬰兒尿布、女性衛生用品等[3-4]。聚丙烯（PP）[5]因其高流動性及低成本而成為熔噴的常用原料，此前關于純PP熔噴技術已經很多，但是PP熔噴非織造布直接用于醫療衛生用品存在彈性和柔軟性差的缺陷，因此很多人嘗試對PP改性或與其他物質共混，使其用途更加廣泛，從而具有更加廣闊的發展前景。

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、聚酰胺類、A-B-A型嵌段共聚物（B為彈性段）、乙烯和α-烯烴共聚物、聚醚酯類等[9]。其中，TPU是最早用于熔噴彈性非織造布的研究和應用的原料。因此，在前期探索的基礎上本試驗采用PP和TPU按照80/20的質量比進行熔融共混，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材料與設備

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

設備：SHR-10A型高速混合機（米亞格機械科技有限公司），SH-RBJ型無紡布熔噴設備（上海圣泓自動化設備有限公司），RH7型毛細管流變儀（英國馬爾文（Malvern）儀器有限公司），Phenom Pro型掃描電子顯微鏡（復納科學儀器（上海）有限公司），YG（B） 141D型數字式織物厚度儀、YG 461E-Ⅱ型電腦式透氣性測試儀（寧波紡織儀器廠），DR028-3000型萬能材料試驗機（美國英斯特朗（Instron）公司）。

1.2工藝流程

PP/TPU（80/20）切片由四川大學實驗室制備；PP/TPU（80/20）熔噴非織造布試樣由青島大學自主設計，委托加工的熔噴機制備，其工藝流程如圖1所示。

1.3工藝參數

PP/TPU熔噴非織造布的制備過程中所涉及的工藝參數決定了纖維的成形過程，以及纖維的結構和性質[10-11]；同時，為了克服PP/TPU切片熔體黏度較高、流動性較差的缺點，首先應對工藝進行探索。由于熔噴工藝中牽伸部分主要由高速熱空氣完成，經過高速氣流的牽伸，熔體絲條的加速運動是不均勻的。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，沿著氣流方向運動并被牽伸拉細，最后被運載至接收裝置。在實際生產中，拉伸空氣需要被加速且處于高溫狀態，熔噴線上高聚物離開噴絲孔后的流變行為強烈依靠高溫高速的氣流牽伸，這種開放式氣流運動會造成熔噴不穩定的現象[12]。同時，該氣流對細度的影響相當復雜，所以，探索合適的熱空氣溫度是必要的。

采用RH7型毛細管流變儀對不同溫度下的PP/TPU（80/20）切片的流變行為進行了表征，剪切速率為500～3000s-1，其流變性能曲線如圖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，隨著試驗溫度的升高，PP/TPU的表觀黏度下降。本文經過一系列摸索，在熱空氣壓力為350kPa，擠出機螺桿轉速45r/min，收料筒轉動線速度為1.7m/min，模頭溫度240℃固定不變的條件下，制備熱風溫度分別為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試

2.1纖維橫截面分析

將PP/TPU熔噴非織造布經羊毛纖維包裹，后通過哈式切片器切取，制備纖維橫截面。通過Phenom Pro掃描電子顯微鏡觀察前需對切片進行噴金90s的處理，檢測放大倍數為5000倍。

2.2纖維直徑測試

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

2.3厚度測試

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

2.4透氣量測試

樣品透氣量依照國際標準ASTMD737—2004《紡織面料透氣性標準試驗方法》，試驗設備選用YG461E-Ⅱ型電腦式透氣性測試儀。為了減小試樣不均勻而帶來的誤差，每組測量樣品10處不同位置的透氣量并取平均值。

2.5拉伸強度測試

樣品拉伸強度依照國標GB/T3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能第一部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》標準測試，試驗設備為DR028-3000型萬能材料試驗機。試驗設置試樣寬度為50mm，夾距100mm，拉伸速度為100mm/min。

2.6彈性回復率測試

樣品彈性回復率按照標準FZ/T70006—2004《針織物拉伸彈性回復率試驗方法》，試驗設備為DR028-3000型萬能材料試驗機，試驗方法為定長反復拉伸法。

3結果與分析

3.1PP/TPU熔噴非織造布的纖維橫截面結構分析

圖3為熱風溫度分別為250、260、270℃條件下PP/TPU熔噴非織造布的纖維橫截面結構圖像。

由圖3可以看出，TPU和PP形成明顯的以PP為“海”、TPU為“島”的海島型纖維結構，且TPU分布均勻性差、粗細不一，但島所占海的比例均較大。同時，由于TPU為熱塑性彈性體，且在制作切片的過程中受到刀片橫向剪切力的作用，在“海組分”PP中，TPU會存在少量的回縮現象或抽拔出來情況，說明PP和TPU流動性差異較大、界面親和性較差，具有形成“離型”結構的可能性。如果經過適當的后處理，有可能利用這一特有的理性結構效應來提高產品的回彈性能。

3.2熱風溫度對PP/TPU熔噴非織造布纖維直徑及面密度的影響

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

由圖4可知，PP/TPU熔噴非織造布中纖維呈三維網狀結構，相互交叉纏繞，纖維粗細分布不勻，且纖網中空隙較多。由圖5可知，當熱風溫度為250℃和270℃時，纖維直徑的分布呈正態分布的趨勢。當熱風溫度降為260℃時，纖維直徑的分布呈雙峰分布，預示著溫度較低，PP組分與TPU組分有相分離的趨勢。由于PP流變性能較好，能夠獨自成為較細部分的熔噴纖維，即表現為“細峰”；而含有TPU組分的共混纖維部分，因為溫度相對較低，流變性變差而構成較粗部分的熔噴纖維，即表現為“粗峰”。

由圖6可知，隨著熱風溫度的升高，纖維平均直徑逐漸減小，其直接表現為細絲數量的增加。這主要是因為，較高的熱風溫度使得熔體溫度下降程度減少，即大分子鏈段活動能力保持在較高水平上，更易于被熱空氣牽伸拉細。隨著熱風溫度逐漸升高，熔體在被擠出后由未受到充分牽伸狀態轉變為完全拉伸狀態，因此所制備的非織造布纖維直徑由粗變細。

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

3.3熱風溫度對PP/TPU熔噴非織造布透氣量、厚度的影響圖7為熱風溫度對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，其厚度呈減小的趨勢。這主要是因為，隨著熱空氣溫度的升高，纖維在熱空氣作用下逐漸拉細，單位面積內較細的纖維所占比例增大，纖維之間呈網狀交叉分布，孔隙率增多。同時，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、孔隙結構、厚度、面密度等，一般來說，厚度越小，面密度越小，透氣性好，從而透氣率越大。

3.4熱風溫度對PP/TPU熔噴非織造布拉伸性能的影響

圖8為不同熱風溫度下PP/TPU熔噴非織造布的拉伸曲線。

從圖8可以看出，織物的伸長量均超過15mm，即伸長率高于15%，主要是由于TPU加入使材料產生一定的彈性。當熱風溫度為270℃時，纖維強力最高，意味著此時纖維受到了充分的拉伸，纖維較細。當熱風溫度降低為260、250℃時，隨著熱風溫度的降低，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度呈增大的趨勢。這主要是因為，當熔體被擠出噴絲孔以后，較高的熱風溫度能夠有效地避免熔體在拉伸過程中的熱量損失，纖維逐漸拉細，熔體得到有效的牽伸，同時并絲現象的加劇有利于PP/TPU熔噴非織造布拉伸強力的提升。當熱風溫度較低，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，強力低。

3.5熱風溫度對PP/TPU熔噴非織造布的彈性回復率的影響

圖9為不同熱風溫度下PP/TPU熔噴非織造布的等速伸長拉伸曲線。

RW越大，每次拉伸循環凈耗功越小，材料受到破壞越小，彈性和耐疲勞越好。由圖9可知，當熱風溫度為250℃及260℃時，PP/TPU熔噴非織造布的拉伸回復率較小，即彈性回復率較差；當熱風溫度為270℃的PP/TPU熔噴非織造布的拉伸回復率最小，彈性回復率最好。這也進一步證明了在熱風溫度為270℃時，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，當熱風溫度為270℃時，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、交織點少，使得織物存在拉伸、收縮的余地。

4結論

盡管PP和TPU的相容性并不是很好，但是試驗證明PP/TPU具有一定的可紡性，且在PP/TPU熔噴過程中，熔體牽伸的過程至關重要。為了保證熱風溫度在流經狹縫后還能夠達到PP/TPU共混物熔融紡絲時的要求，減小對熔體溫度的影響，保證PP/TPU熔噴非織造布的順利生產，熱空氣溫度設置十分重要。試驗證明，將熱風溫度提高到270℃時，產品的各項性能均達到較好水平，纖維平均直徑小、透氣量好、拉伸強度高、彈性回復性能好。綜上可知，PP/TPU熔噴非織造布呈現出以PP為“海”、TPU為“島”的海島型纖維結構，且經測試，此樣品具有一定的彈性和觸覺柔軟性，有望擴大熔噴非織造布的應用領域。

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