聚烯烴彈性體紡黏非織造布生產工藝研究及性能分析

居海濱 李 莉 段彩蓮

南通紡織絲綢產業技術研究院,江蘇 南通 226321

聚烯烴彈性體(polyolefin elastomer,POE)是一種具有窄相對分子質量分布和均勻短支鏈分布的熱塑性彈性體[1],具體是指乙烯與高碳α-烯烴(1-丁烯、1-己烯、1-辛烯等)的無規共聚彈性體,制備時以茂金屬為催化劑[2]。其彈性優良,所制備的POE紡黏非織造布具有回彈性好、柔軟親膚、環保無毒、透氣舒適等特點。相較于彈性薄膜材料的不透氣、壓力大(過緊)及伸縮性小等不足,彈性POE紡黏非織造布在緩解因擠壓過度造成的腹部紅腫、瘙癢等副作用方面有明顯優勢,這使得其應用領域不斷拓展,例如在嬰童護理、女性經期護理、成人失禁等領域,市場前景廣闊[3]。

但POE紡黏非織造布在生產中也存在一些問題,原因主要是一定量的α-烯烴(1-丁烯、1-己烯、1-辛烯等)的加入會減少聚乙烯鏈的結晶區,形成具有橡膠彈性的無定型區,使POE在具有彈性體性質的同時黏性增加,這便對生產設備及生產工藝提出了更高的要求。

本文基于大量的生產實踐,確定了影響POE紡黏非織造布生產的關鍵因素,并通過不斷優化改進,生產出了性能優異的POE紡黏非織造布。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

POE,牌號7050,埃克森美孚;聚丙烯(PP),牌號1352F,臺灣臺塑。

1.2 試驗設備和儀器

紡黏/紡黏/紡黏(SSS)復合生產線,幅寬1.6 m,自制;HS-10KN型拉伸強力試驗機,揚州華輝檢測有限公司;SZ810型體視顯微鏡,重慶奧特光學儀器有限公司;YG(B)141D型數字式織物厚度儀,溫州市大榮紡織儀器有限公司。

1.3 測試方法

拉伸強力和伸長率的測試參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》進行;面密度的測試參照GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分:單位面積質量的測定》進行。

彈性回復性能測試方法:取樣品尺寸50 mm×200 mm,夾持距離100 mm,將樣品以300 m/min的恒定速率拉伸至夾持距離的200%后立即返回至原點。不做停留,重復5次拉伸,并在第5次拉伸至夾持距離的200%后停留30 s,記錄停留30 s后的拉力衰減值(N),再繼續返回原點停留30 s。最后根據式(1)計算彈性回復率(%):

(1)

式中:Rg——彈性回復率,%;

L1——施加外力后的伸直長度,mm;

L2——去除外力停留30 s后的伸直長度,mm;

L0——未加外力時原始的伸直長度,mm。

本文涉及的拉伸強力、伸長率及彈性回復性能的測試數據均取自材料縱向。

2 結果與討論

2.1 原料低黏共混

本研究中,POE是乙烯-辛烯共聚物,其與PP同屬烯烴類,所以兩者具有很好的相容性[4]。試驗研究發現,添加一定量的PP會明顯降低POE的黏性,但添加過量會大幅降低POE的彈性。不同PP添加量(均為質量分數)的POE紡黏非織造布的基本性能見表1。

表1 不同PP添加量的POE紡黏非織造布的基本性能

由表1可看出,隨著PP添加量的減少,所得POE紡黏非織造布的伸長率越來越大,但紡絲液的黏性也越來越大,容易出現并絲的現象。故本文設備可紡的PP添加量最低為8%。由于POE在應用方面主要利用的是其優異的彈性性能,所以降低PP添加量、減少POE絲條的黏連,是研究的重點。

2.2 設備改造

POE黏度很大,故紡絲過程中氣流的擾動很容易導致POE絲條的黏連,形成并絲。具體可從3個方面解決這一問題:(1)防止氣流不規則擾動;(2)增大絲條間隙;(3)降低POE絲條表面溫度。即通過匹配單體抽吸風量與側吹風風量,防止氣流不規則擾動,同時防范漏點、漏風等問題[5];通過增大噴絲板孔間距、使用大型噴絲板、增加牽伸風道寬度來增大絲條間隙;通過增加側吹風冷卻高度、降低空調溫度,實現POE絲條表面溫度下降。

基于上述原理對紡黏設備進行改造。改造前后設備參數對比見表2,所制備的非織造布性能對比見表3。通過試驗發現:設備改造前,PP添加量最低為8%,若繼續降低PP添加量會出現絲條黏連的現象,導致無法正常生產;設備改造后,PP添加量可以降低至5%,制備的非織造布伸長率明顯提升。

表2 改造前后設備參數對比

表3 設備改造前后制備的非織造布性能對比

2.3 工藝參數優化

為探究螺桿溫度、模頭溫度、側吹風風量、空調抽風風量、單體抽吸風量、計量泵流量、空調溫度及軋機溫度等工藝參數對POE紡黏非織造布性能的影響,本研究在改造設備的基礎上制備了4種樣品(表4)。其中,樣品5的PP添加量為5%;樣品6是在樣品5工藝參數的基礎上,增大側吹風風量、空調抽風風量及單體抽吸風量,降低空調溫度,PP添加量降低至4%得到的;樣品7是在樣品6工藝參數的基礎上,降低螺桿溫度及模頭溫度,PP添加量進一步降低至3%得到的;樣品8是在樣品7工藝參數的基礎上,降低軋機溫度,PP添加量仍保持在3%得到的。所得4種樣品的基本性能見表5。

表4 4種樣品的工藝參數

表5 4種樣品的基本性能

由表5可以看出:隨著PP添加量由5%降至3%,POE紡黏非織造布(樣品5～樣品7)的伸長率明顯增大;隨著PP添加量的減少以及螺桿溫度、模頭溫度的下降,樣品7的熔體流動性較樣品6的降低,故樣品7的纖維直徑較樣品6的增大;降低軋機溫度后,樣品8的拉伸強力和伸長率較樣品7的均明顯降低,這與軋機溫度降低后軋點處黏結力降低有關[6]。

利用顯微鏡觀察樣品5～樣品8的微觀分布(圖1),可以明顯看到:樣品5中大量絲條黏連;增大側吹風風量、空調抽風風量及單體抽吸風量,降低空調溫度后,樣品6中絲條黏連明顯減少;降低螺桿及模頭溫度后,樣品7和樣品8中絲條分布較均勻,且無明顯黏連。

圖1 4種樣品的顯微鏡微觀照片

從樣品1～樣品8中選取3個代表性的樣品進行彈性回復性能測試,它們分別是樣品3(設備改造前,PP添加量8%)、樣品5(設備改造后,PP添加量5%)、樣品7(設備改造及工藝參數優化后,PP添加量3%)。彈性回復性能測試結果見表6,5次循環拉伸曲線見圖2。

圖2 5次循環拉伸曲線對比圖

表6 樣品3、樣品5和樣品7的彈性回復性能測試結果

由表6及圖2可以看出,隨著PP添加量的減少,POE紡黏非織造布的拉力(第1次拉伸至200%)略有降低,拉力衰減值(第5次拉伸200%后停留30 s)也有一定程度的降低,彈性回復率增大,說明POE紡黏非織造布的彈性回復性能隨PP添加量的降低呈明顯的增強態勢。

3 結論

設備參數是影響絲束黏連的關鍵因素。本研究通過增大噴絲板孔間距、側吹風冷卻高度及寬度、牽伸狹縫寬度、擴散風道寬度,實現了將PP添加量由8%降至5%后成功制備出POE紡黏非織造布。繼續增大側吹風風量、降低空調溫度,PP添加量能降至4%;進一步降低螺桿溫度及模頭溫度,則PP添加量能降至3%。但PP添加量的減少及螺桿溫度、模頭溫度的下降也不宜過多,因為減少或下降過多會使得熔體流動性降低,POE紡黏非織造布中纖維直徑增大;軋機溫度也不宜太低,因為太低會使得軋點處黏結力降低,導致POE紡黏非織造布拉伸強力和伸長率較低。

綜上所述,利用原料低黏共混、設備改造及工藝參數優化等方法,能解決POE紡黏絲束黏連的問題,提高POE紡黏非織造布的伸長率(由248%增大至368%),增大彈性回復率(由23%提高至76%)。所制備的POE紡黏非織造布在部分領域可替代氨綸產品,且價格較氨綸產品有明顯優勢,能顯著降低生產成本,市場前景廣闊。