抗靜電熱熔膠的制備及其在覆膜非織造布中的應(yīng)用

王宗乾， 王鄧峰， 王明榮， 沈皆亮

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

抗靜電熱熔膠其環(huán)境友好，固化溫度低，同時具有優(yōu)異的抗靜電性、壓敏性及黏合性能，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于電子原件黏接、電子封裝和智能紡織品加工等領(lǐng)域[1]。抗靜電熱熔膠主要成分通常由導(dǎo)電組分、樹脂基體構(gòu)成，其抗靜電性能與導(dǎo)電組分密切相關(guān)[2]。抗靜電熱熔膠可通過向樹脂成分中添加微納米導(dǎo)電無機(jī)物顆粒[3](如金屬[4-5]、導(dǎo)電石墨[6]、導(dǎo)電石墨烯[7]等)途徑制備，通過該方法制備的熱熔膠具有優(yōu)異的抗靜電及熱穩(wěn)定性能，但在制備過程中，因納米級填料顆粒的積聚效應(yīng)[8]導(dǎo)致其在樹脂組分中難以分散，使共混膠的均勻性較差，色澤普遍較深，同時因納米導(dǎo)電顆粒成本高等原因，限制了該方法在制備抗靜電熱熔膠領(lǐng)域的應(yīng)用。與導(dǎo)電無機(jī)物顆粒不同，高分子抗靜電劑不僅具有優(yōu)異的抗靜電性能，且成本較低，耐熱性和抗沖擊性好，更為重要的是其與樹脂組分具有較好的相容性[9]，采用高分子抗靜電劑與樹脂組分共混是制備抗靜電熱熔膠的又一途徑，該方法也為抗靜電覆膜非織造布的開發(fā)提供了新思路[10]。

聚乙烯/聚丙烯覆膜非織造布(PE/PP)應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，可有效阻隔血液的滲透和細(xì)菌的進(jìn)入，具有較高的生物安全性，可防止交叉感染和人體產(chǎn)生不適反應(yīng)，具有廣闊的應(yīng)用前景[11-12]。同時，抗靜電性能是衡量PE/PP覆膜非織造布的重要指標(biāo)，EN 1149-5：2008《防護(hù)服裝 靜電性能 第5部分：材料性能和設(shè)計要求》對PE/PP覆膜非織造布的非織造布面、膜面表面比電阻、感應(yīng)電壓等指標(biāo)做了明確規(guī)定。PE膜與PP非織造布自身的抗靜電性能差，為提升覆膜非織造布的抗靜電性能，目前主要有抗靜電后整理、抗靜電劑內(nèi)添加以及復(fù)合加工技術(shù)等。因PP非織造布與PE膜潤濕性能較差，結(jié)構(gòu)緊密，不含極性基團(tuán)[13]，若直接采用抗靜電劑[14-15]以及碳納米管分散液[16]等對其進(jìn)行浸軋或浸漬后整理，其抗靜電性能雖可獲得提升，但普遍存在水洗牢度差等問題[17]；若將抗靜電后整理聯(lián)合等離子體處理、化學(xué)接枝等技術(shù)可提高其水洗牢度[18]，但加工成本高，工藝較為復(fù)雜；同時，因PE膜熱穩(wěn)定性能差，采用后整理工藝對PE/PP覆膜非織造布整理，焙烘溫度將對非織造布外觀及形變產(chǎn)生影響；若采用抗靜電劑內(nèi)添加方法加工抗靜電PP或PE材料，如添加聚苯胺、聚吡啶、石墨等成分制備導(dǎo)電PP[19]，這種添加方法同樣存在不同組分之間共混或共聚成本高、工藝復(fù)雜等問題。

醫(yī)療衛(wèi)生用覆膜非織造布對非織造布膜的剝離強(qiáng)度有著較高要求[20]，因此，醫(yī)療用PE/PP覆膜非織造布須采用熱熔膠覆膜工藝加工。為此，本文通過將高分子抗靜電劑與熱熔膠共混制備抗靜電熱熔膠，并將其應(yīng)用于PE/PP非織造布的熱熔膠覆膜加工中，探討抗靜電劑復(fù)配對熱熔膠性能的影響，以及對覆膜非織造布抗靜電性能的影響規(guī)律，并闡明其工作機(jī)制，以期為抗靜電覆膜非織造布的加工提供實驗基礎(chǔ)和理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

改性松香型熱熔膠(改性松香樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥90%，其余為環(huán)烷油，分子質(zhì)量約為30 000 kDa，以下簡稱為原膠，富樂(中國)粘合劑有限公司)；PP非織造布(面密度為27 g/m2)、PE膜(面密度為 21 g/m2，合肥高貝斯無紡布制品有限公司)；JL-5H型烷基磺酸鹽陰離子型高分子抗靜電劑(分子質(zhì)量為800～1 200 kDa，濱州聚力化工有限公司)。

1.2 樣品制備

1.2.1抗靜電熱熔膠的制備

將一定質(zhì)量的原膠(改性松香型熱熔膠)放入LG13H型熱熔膠機(jī)(東莞市立樂有限公司)膠槽中，升溫至145 ℃，待原膠完全熔融后，在電動攪拌(轉(zhuǎn)速為240 r/min)下向原膠中緩慢添加烷基磺酸鹽陰離子型高分子抗靜電劑，待混合均勻后制得復(fù)配熱熔膠。調(diào)整抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)制得不同規(guī)格的復(fù)配膠。

1.2.2覆膜非織造布的加工

預(yù)先將PP非織造布、PE膜分別剪裁成20 cm×20 cm的規(guī)格，然后在PP非織造布表面進(jìn)行均勻噴膠，噴膠量為3.5 g/m2，噴膠后將PE膜與PP非織造布快速貼合，并立即送入LP型立式軋車(廣州市鴻靖實驗設(shè)備有限公司)進(jìn)行熱壓操作，軋輥壓力為0.3 MPa，制得添加復(fù)配熱熔膠的PE/PP覆膜非織造布。采用不同規(guī)格復(fù)配熱熔膠進(jìn)行噴膠，可制得系列PE/PP覆膜非織造布，并存放在(25±2)℃、(40±2)%溫濕度環(huán)境下，待用。本文實驗定義PP非織造布面為正面，PE膜面為反面。

1.3 測試方法

1.3.1熱熔膠性能測試

采用DSC-60A型自動差熱熱重同時測定裝置(日本島津公司)對復(fù)配膠熱穩(wěn)定性能進(jìn)行測試，實驗在N2氛圍下加熱，溫度范圍為30～700 ℃，升溫速度為15 ℃/min。

采用LDX型熱熔膠融化高溫黏度計(深圳立達(dá)信儀器有限公司)，在175 ℃測試熱熔膠原膠與復(fù)配膠的熔融黏度。

1.3.2覆膜非織造布剝離強(qiáng)度測試

采用YG026D-250型萬能強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)測試復(fù)配熱熔膠的180°剝離強(qiáng)度，每組測試樣條規(guī)格為25.4 mm×200 mm。測試條件為：拉伸速度100 mm/min，夾持距離50 mm，溫度25 ℃，實驗測試5次取平均值。

1.3.3覆膜非織造布的抗靜電性能測試

采用Ohm-Stat RT-1000型電阻-電阻率儀(美國OHM-STAT公司)、FY342E型織物感應(yīng)式靜電儀(溫州方圓儀器有限公司)依次對不同覆膜非織造布的正、反面的表面比電阻、感應(yīng)靜電壓及半衰期進(jìn)行測試，其中感應(yīng)靜電壓與半衰期采用定壓法測試模式，測試條件為加壓10 000 V，加壓時間30 s。上述抗靜電指標(biāo)測試均在溫度為(25±2)℃，相對濕度為(40±2)%環(huán)境中進(jìn)行，實驗測試3次取平均值。

1.3.4耐水洗牢度測試

室溫下，將覆膜非織造布在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的肥皂液中震蕩水洗5 min，后經(jīng)蒸餾水漂洗至無洗滌劑殘留；然后在60 ℃烘干，在溫度為(25±2) ℃，相對濕度為(40±2)%條件下平衡24 h，測試分別經(jīng)1、3、5次水洗后覆膜非織造布正、反面的靜電壓與半衰期(測試條件同1.3.3節(jié))。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配抗靜電熱熔膠性能分析

2.1.1黏度

烷基橫酸鹽抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)配膠熔融黏度的影響規(guī)律如圖1所示。

圖1 抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)配膠熔融黏度影響Fig.1 Effect of antistatic agent amount on meltviscosity of composite adhesive

由圖1可知，隨著高分子抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)配膠的熔融黏度先逐漸降低，后趨于穩(wěn)定。原因在于向改性松香樹脂中加入相對分子質(zhì)量較小的烷基磺酸鹽抗靜電劑，將降低共混復(fù)配膠體系的重均分子量，減弱高聚物分子鏈間作用力，降低體系流動內(nèi)摩擦力和纏結(jié)作用[21]，使流動性增強(qiáng)。因松香樹脂大分子鏈間自由空間有限，抗靜電劑不能無限制地填充于樹脂大分子之間，當(dāng)抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至10%及以上時，復(fù)配膠的黏度趨于穩(wěn)定，表明抗靜電劑填充已達(dá)到飽和狀態(tài)，此時復(fù)配膠的黏度值保持在360 mPa·s左右。

2.1.2熱穩(wěn)定性

圖2示出原膠和復(fù)配膠的熱失重/差熱分析(TG/DTA)曲線?？芍?，原膠與抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的復(fù)配膠的DTA曲線有明顯不同，其中圖2(a)中DTA曲線在491 ℃處有1個尖窄的強(qiáng)熱吸收峰，該信號對應(yīng)原膠主體成分改性松香樹脂的熱分解；而圖2(b)中DTA曲線在465 ℃處有1個較強(qiáng)的熱吸收峰，同時在414 ℃處有1個副吸收峰，2個熱吸收峰信號分別對應(yīng)改性松香樹脂組分、烷基磺酸鹽高分子抗靜電劑組分的熱分解；相對于圖2(a)中原膠DTA曲線，圖2(b)中復(fù)配膠DTA曲線熱吸收峰面積明顯增加，熱分解峰位同時向低溫方向偏移。綜上表明相對于原膠，復(fù)配膠的熱穩(wěn)定性能有所降低。

圖2 不同膠樣的DTA/TG曲線Fig.2 DTA/TG curves of different adhesives. (a)Original adhesive; (b)Composite adhesive with 15% mass fraction

由圖2中TG曲線可知，2條曲線的變化趨勢一致，均呈現(xiàn)倒S型，且在202 ℃之前，原膠和復(fù)配膠質(zhì)量均沒有發(fā)生變化，即未發(fā)生熱分解；持續(xù)升溫，原膠和復(fù)配膠才逐漸發(fā)生熱分解，TG曲線陡然下降，至600 ℃附近完全分解。與原膠相比，復(fù)配膠在202 ℃之前較為穩(wěn)定，未產(chǎn)生熱分解，但繼續(xù)升高溫度，復(fù)配膠熱穩(wěn)定性能有明顯下降，原因在于烷基磺酸鹽高分子抗靜電劑的添加，等效于向原膠的高分子改性松香樹脂分子中添加了小分子潤滑劑，從而減少了改性松香樹脂分子間的物理纏結(jié)作用，促進(jìn)了原膠分子鏈的熱運動[21]，致使復(fù)配膠熱穩(wěn)定性能下降；但考慮到非織造布覆膜加工過程中，熱熔膠的使用溫度在145 ～ 175 ℃之間，該使用溫度低于 202 ℃，此條件下復(fù)配膠的熱穩(wěn)定性并未受到影響，不發(fā)生熱分解，因此，通過添加高分子抗靜電劑制備的復(fù)配膠可滿足非織造布的覆膜加工需求。

2.2 覆膜非織造布性能分析

2.2.1抗靜電性能

表1示出不同復(fù)配熱熔膠加工PE/PP覆膜非織造布表面比電阻測試結(jié)果?？芍?，與原膠加工的覆膜非織造布相比，復(fù)配膠加工的覆膜非織造布正、反面的表面比電阻均有明顯降低；隨著復(fù)配膠中抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，覆膜非織造布的表面比電阻逐漸降低；進(jìn)一步分析可知，相對于原膠加工覆膜非織造布，采用抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的復(fù)配膠加工，覆膜非織造布正、反面表面比電阻分別下降了68.2%、61.0%；采用抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的復(fù)配膠加工，覆膜非織造布正、反面表面比電阻分別下降了87.7%、83.1%；采用抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的復(fù)配膠加工，覆膜非織造布正、反面表面比電阻分別下降了96.4%、95.9%，總體對比可知，PP非織造布面的表面比電阻下降幅度稍高于PE膜面。

表1 覆膜非織造布表面比電阻Tab.1 Surface specific resistance of coated nonwoven fabrics

圖3示出覆膜非織造布的感應(yīng)電壓與半衰期測試結(jié)果?？芍蓮?fù)配膠加工的覆膜非織造布正、反面的感應(yīng)電壓、半衰期均有明顯下降，且感應(yīng)電壓、半衰期的下降幅度隨著復(fù)配膠中烷基磺酸鹽高分子抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。進(jìn)一步分析可知：同一覆膜非織造布中正面的感應(yīng)電壓、半衰期數(shù)值均低于反面，即PP非織造布面的抗靜電性能優(yōu)于PE膜面。

圖3 PE/PP覆膜非織造布感應(yīng)電壓與半衰期Fig.3 Induced voltage and half-life of coated PE/PP nonwoven fabric. (a)Obverse side; (b) Reverse side

圖4示出復(fù)配抗靜電熱熔膠提升覆膜非織造布抗靜電性能的工作機(jī)制?？芍航?jīng)熱壓作用后復(fù)配膠將通過纖維空隙向PP基體及其外表面滲透，同時通過PE膜的微孔結(jié)構(gòu)向膜基體及膜的外表面滲透，因復(fù)配膠熔融黏度降低，滲透性能增強(qiáng)；因此，復(fù)配膠中的高分子抗靜電劑將在PP非織造布、PE膜基體及織物表面構(gòu)筑靜電荷的轉(zhuǎn)移與泄漏網(wǎng)絡(luò)[22]，積聚的電荷將通過該導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)向外界轉(zhuǎn)移，使覆膜非織造布自身的抗靜電性能提升；同時，PP非織造布的纖維間空隙遠(yuǎn)大于PE膜的微孔結(jié)構(gòu)，因此，復(fù)配膠向PP基體的滲透量大于向PE膜的滲透量，造成覆膜非織造布正面的抗靜電性能優(yōu)于反面。隨著復(fù)配膠中高分子抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，將促使電荷轉(zhuǎn)移與泄漏網(wǎng)絡(luò)更加完善，電荷轉(zhuǎn)移效率提升，因此，可獲得更高的抗靜電性能。

圖4 PE/PP覆膜非織造布的抗靜電工作機(jī)制Fig.4 Schematic diagram of coated PE/PP nonwoven antistatic property

2.2.2抗剝離性能

采用1.3.2節(jié)所述方法對不同熱熔膠加工的覆膜非織造布的剝離強(qiáng)度進(jìn)行測試，其剝離形貌如圖5 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原膠加工的覆膜非織造布可完全剝離，剝離后PP非織造布、PE膜結(jié)構(gòu)均保持完整，剝離強(qiáng)力為2.22 N，剝離形貌如圖5(a)所示。采用復(fù)配膠加工的覆膜非織造布的剝離強(qiáng)力測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中由烷基磺酸鹽抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的復(fù)配膠加工的覆膜非織造布的剝離強(qiáng)力為3.95 N，該數(shù)值竟高于原膠；由烷基磺酸鹽抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、15%的復(fù)配膠加工的覆膜非織造布無法完成完全剝離，結(jié)果如圖5(b)、(c)所示，剝離過程中PE膜面黏附有較多PP纖維，剝離過程中PP非織造布結(jié)構(gòu)被破壞，難以完全剝離；綜上表明復(fù)配膠加工的PE/PP覆膜非織造布的黏合強(qiáng)度與抗剝離強(qiáng)度有進(jìn)一步增強(qiáng)。致使抗剝離性能提升的原因可能在于，向原膠中添加了烷基磺酸鹽高分子抗靜電劑，即向膠體中引入—SO3H極性基團(tuán)，該極性基團(tuán)的引入將促使膠樣與PP非織造布、PE膜產(chǎn)生新的誘導(dǎo)力[23]；同時復(fù)配膠熔融黏度低，流動性能與潤濕性能較高，導(dǎo)致覆膜加工過程中復(fù)配膠向PP非織造布及PE膜基體內(nèi)部滲透性增強(qiáng)[24]，并最終導(dǎo)致復(fù)配膠黏合能力以及加工的覆膜非織造布抗剝離性能提升。同時，測試中還發(fā)現(xiàn)復(fù)配膠加工對覆膜非織造布的柔軟度未造成影響。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)抗靜電劑PE/PP覆膜非織造布的剝離形貌照片F(xiàn)ig.5 Peeling state of coated PE/PP nonwoven fabric with different mass fraction of antistation agent

2.2.3抗靜電性能的耐水洗牢度

不同復(fù)配熱熔膠加工的PE/PP覆膜非織造布分別經(jīng)水洗處理后，其表面的感應(yīng)電壓測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 水洗對PE/PP覆膜非織造布抗靜電性能的影響Tab.2 Effect of washing on antistatic property ofcoated PE/PP nonwoven fabrics

由表2可知，經(jīng)水洗后，覆膜非織造布的正面與反面的感應(yīng)電壓值都有升高趨勢，且隨著水洗次數(shù)的增加，感應(yīng)電壓值逐漸升高，表明水洗將削弱其抗靜電性能。水洗造成抗靜電性能下降的原因在于復(fù)配膠中的烷基磺酸鹽高分子抗靜電劑與原膠改性松香樹脂分子鏈為物理融合，彼此并不存在牢固的化學(xué)鍵結(jié)合；覆膜加工過程中滲透到覆膜非織造布正、反面的高分子抗靜電劑在水洗處理時，部分將被溶解脫離織物，致使構(gòu)筑的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)受損，靜電荷泄漏通道減少，抗靜電性能減弱。但因原膠大分子鏈的物理纏結(jié)及黏合作用，滲透到PP非織造布基體和PE膜基體的高分子抗靜電劑很難被全部溶解去除，水洗處理僅能溶解部分抗靜電劑，因此，水洗對覆膜非織造布抗靜電性能的影響有限。相對于原膠加工PE/PP覆膜非織造布的感應(yīng)靜電壓(見圖3)，經(jīng) 5次水洗后，復(fù)配膠加工PE/PP覆膜非織造布的正、反面仍具有較低的感應(yīng)電壓，表明本文實驗方法制備PE/PP覆膜非織造布的抗靜電性能具有良好的耐水洗牢度。

3 結(jié) 論

1) 采用烷基磺酸鹽高分子抗靜電劑與改性松香樹脂熱熔膠共混制備復(fù)配熱熔膠，復(fù)配膠的熔融黏度隨抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，抗靜電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，復(fù)配膠熔融黏度趨于穩(wěn)定；相對于原膠，復(fù)配膠的熱穩(wěn)定性能降低，但在202 ℃之前復(fù)配膠不會發(fā)生熱分解。

2) 經(jīng)復(fù)配膠加工的PE/PP覆膜非織造布，因滲透作用，烷基磺酸鹽高分子抗靜電劑可在非織造布基體上構(gòu)筑導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，PE/PP覆膜非織造布的抗靜電性能顯著提升，剝離強(qiáng)度提高；經(jīng)多次水洗后覆膜非織造布抗靜電性能有損失，但仍具有一定耐水洗牢度。