熱黏合聚乙烯/聚丙烯雙組分紡黏非織造材料性能及其過濾機制

劉金鑫, 周雨萱, 朱柏融, 吳海波, 張克勤

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215021; 2.紡織行業絲綢功能材料與技術重點實驗室,江蘇 蘇州 215123; 3.東華大學 紡織學院, 上海 201620)

雙組分紡黏非織造材料是由2種聚合物組分經過2套獨立的料斗、螺桿擠出機、過濾泵、計量泵后,在紡絲組件匯合擠出雙組分纖維,并加固形成的纖維網材料。目前,雙組分紡黏非織造材料在國內外引起了廣泛的關注,許多學者對雙組分紡黏非織造制備技術和材料應用領域進行了研究。錢曉明等[1]以高收縮聚酯(HSPET)、聚酰胺(PA6)為原料,制備了HSPET/PA6中空橘瓣型雙組分紡黏非織造材料,結合水刺開纖加固工藝成功制備了超細纖維非織造材料,研究表明過濾效率隨著開纖率的變大而提高,經熱收縮處理后HSPET組分充分收縮卷曲產生立絨,呈現出蓬松效果,同時促進非織造材料中間層復合纖維的分裂,HSPET組分纖維的收縮卷曲使得復合纖維裂離后形成超細纖維不會緊密堆積,可有效提高雙組分紡黏水刺非織造材料的豐盈度、懸垂效果、柔軟性以及延展性。靳向煜等[2]研究了皮芯型聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)雙組分纖維在聚合物熔融紡絲成網技術中的形態及力學穩定性,指出多級機械拉伸過程中纖維取向度和結晶度逐漸增加,制備工藝中熱定形溫度不應低于110 ℃。Yeom等[3]成功制備了PA6/PE海島型雙組分紡黏非織造材料,通過調控工藝實現島組分的數量在1～108之間變化,并研究了該材料在過濾領域的應用。目前,根據紡絲組件的設計不同,研究人員已可以成功制備出皮芯型、橘瓣型、并列型、海島型等結構的雙組分非織造材料,并且進一步發展了其在醫衛材料、電池隔膜、過濾材料、吸油材料等領域應用[4-7]。

雙組分纖維材料雖然具備很多獨特的優勢,但也同樣面臨著許多挑戰。例如,皮芯型雙組分纖維結構的特點使纖維芯層組分被皮層組分完全包覆,可以調整皮層組分或芯層組分的比例、結構、類別來實現材料的特殊功能,在色母粒、功能性添加劑使用方面,也可根據設計需求選擇合適的添加方案[8-9];但也面臨著制備過程對紡絲設備要求較高、生產成本較大、產品難以進一步回收利用等問題。已有研究大多集中于成形技術對雙組分纖維材料結構和性能的影響,而關于雙組分纖維成網后加固技術的研究還較少。

本文以PE、PP為原料,采用雙組分紡黏非織造技術,制備了PE/PP皮芯型雙組分纖維,利用皮層和芯層不同的熔融溫度進行熱黏合固結,得到雙組分紡黏非織造材料,探討了熱軋和熱風2種黏合加固方式對雙組分紡黏非織造材料結構和性能的影響,最后分析了雙組分紡黏非織造材料的過濾機制,以期為雙組分紡黏非織造材料的制備及結構性能研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

材料:PE顆粒,熔融指數為20 g/(10 min),中國石油天然氣有限公司撫順石化分公司;PP顆粒,等規度≥95%,熔融指數為36 g/(10 min),美國埃克森美孚公司。

儀器:S300-bico皮芯型雙組分紡黏實驗線,凱美塑化科技(煙臺)有限公司;電暈駐極裝置自制;TM 3000型掃描電子顯微鏡,日本Hitachi公司;CFP-1100AI型多孔材料孔徑測試儀,美國Porous Material公司;TSI 8130型自動濾料測試儀,美國TSI公司;YG026 MB型多功能電子織物強力儀,溫州方圓儀器有限公司;YG141 N型數字式織物厚度儀,南通宏大實驗儀器有限公司;RT5100滲水性測定儀,上海羅中科技發展有限公司;YG461E透氣性測試儀,溫州際高檢測儀器公司。

1.2 PE/PP雙組分紡黏非織造材料的制備

圖1示出PE/PP雙組分紡黏非織造材料的制備工藝流程圖。將PE和PP 2種聚合物顆粒分別加入到皮芯型雙組分紡黏實驗線皮層組分和芯層組分的進料斗中,隨后進入螺桿擠出機在剪切力和高溫作用下熔融。皮層PE組分螺桿擠出機從進料口到出料口5個區的溫度分別為190、240、245、250和252 ℃,芯層PP組分的螺桿擠出機各區溫度分別為185、232、235、235和235 ℃,根據二者的熔融流動性不同,對加熱溫度相應調整。然后,熔體經過各自的過濾器、計量泵到達紡絲組件,經過進料板、分配板、導流板和噴絲板進行分配、導流、擠出,形成雙組分纖維,本文中皮芯組分的體積比為50∶50。接著,雙組分纖維經過側吹風冷卻和氣流拉伸后到達接收裝置,在紊亂氣流的影響下隨機分布排列在成網簾上,經預壓輥輕軋提高纖維網結構的穩定性。通過控制成網簾的速度,本文制備了5組不同面密度的樣品,分別為20、35、50、65、80 g/m2。最后,纖維網經熱黏合加固后卷繞得到雙組分紡黏非織造材料。整個制備過程相關工藝參數如表1所示。本文分別采取了熱軋、熱風2種熱黏合加固方式。在熱軋黏合過程中纖維網通過2個軋輥的壓合處,2個軋輥中上軋輥為刻花輥,下軋輥為光面輥,都可以從內部加熱,上下軋輥溫度分別為134、133 ℃;熱風黏合采用平網式,高溫氣流溫度為135 ℃。

表1 雙組分紡黏非織造材料相關工藝參數Tab.1 Parameters for bicomponent spunbond process

1—皮層組分螺桿;2—芯層組分螺桿;3—過濾網;4—計量系統;5—紡絲箱體;6—單體抽吸;7—側吹風冷卻;8—氣流拉伸裝置;9—成網簾;10—抽吸裝置;11—熱黏合裝置;12—卷繞裝置。

1.3 測試與表征

1.3.1 表面和截面形貌觀察與直徑測試

采用掃描電子顯微鏡對雙組分纖維及紡黏非織造材料的表面和截面形貌進行觀察。為防止噴金過程中對雙組分紡黏非織造材料造成損傷,采用降低電流、延長噴金時間的方式對樣品進行噴金處理。在本文實驗中,噴金過程分2次進行,每次噴金時間為100 s,噴金電流為6 mA。另外,為使成像質量良好,所有樣品在觀察前均在放有藍色硅膠干燥劑的樣品盒內密封保存24 h以上,以免發生放電現象影響觀察質量。

采用圖像測試軟件Nano Measure 1.2對拍攝的SEM照片進行纖維直徑測試,每組測試100根以上,結果取平均值。

1.3.2 孔隙結構測試

雙組分紡黏非織造材料經熱風黏合加固后,纖維在材料內部縱橫交錯,所形成的孔洞腔體結構也十分復雜,沒有規律,很難直接測量。在本文實驗中,采用孔徑測試儀對雙組分紡黏非織造材料孔隙結構進行表征,測試方法為泡點法。具體測試步驟如下:1)首先將紡黏非織造材料裁剪成3 cm × 3 cm規格,用潤濕劑全部浸潤,使樣品表面形成液體膜;2)進入濕態測試,將處理好的試樣放入樣品腔,隨著空氣壓力逐漸增大,試樣中的微孔從大到小依次被吹開,此后空氣流量與空氣壓力成線性關系,此階段得到的空氣流量和空氣壓力的曲線稱為濕態曲線;3)進入干態測試,樣品不必取出,將空氣壓力回0后再次開始增壓測試并記錄數據,此階段得到的空氣壓力與流量的曲線為干態曲線;4)當干態曲線與濕態曲線重合,說明試樣內部的孔徑被完全測試出來,通過計算空氣流量和壓力的變化,得到試樣的孔徑及其分布。

1.3.3 力學性能測試

采用多功能電子織物強力儀對雙組分紡黏非織造材料的縱向(MD)和橫向(CD)力學性能進行測試,測試方法為條樣法。測試尺寸為200 mm×50 mm,拉伸速度為200 mm/min,夾持距離為100 mm,預加張力為2 N。

1.3.4 過濾性能測試

本文在過濾性能測試前均對樣品進行了電暈駐極處理,駐極電壓為18 kV,駐極距離為12 cm,駐極時間為90 s。采用自動濾料測試儀對雙組分紡黏非織造材料的過濾性能進行測試。采用質量中值直徑為0.26 μm的NaCl氣溶膠顆粒為過濾媒介,測試流量為32 L/min,測試面積為100 cm2,每個試樣測試5次取平均值。測試時電中性的氣溶膠穿過被夾持的樣品,通過監測樣品上游(Cu)和下游(Cd)氣溶膠的數目,計算過濾效率(η):

η=(1-Cd/Cu)×100%

1.3.5 透氣性測試

參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》,采用透氣性測試儀進行透氣性能測試,測試面積為20 cm2,測試壓降為200 Pa,每個試樣測試5次取平均值。

1.3.6 耐靜水壓測試

參照GB/T 4744—2013《紡織品 防水性能的檢測和評價》,采用滲水性測定儀進行耐靜水壓性能測試,樣品尺寸為100×100 mm,標明正反面,每次分別取5塊樣品測試,計算平均值。

2 結果與討論

2.1 PE/PP紡黏非織造材料形貌分析

圖2示出PE/PP雙組分纖維及紡黏非織造材料的SEM照片。從圖2(a)可以看出,雙組分纖維表面形態光滑,皮芯包覆完整;從圖2(b)可以清晰地看到雙組分纖維的截面呈現皮芯型,皮層組分和芯層組分界面明顯;從圖2(c)可以發現,經過熱軋黏合加固后,雙組分紡黏非織造材料表面黏合的軋點區域形成了薄膜化狀態,而未被軋點黏合的纖維,仍保持原來的形態;從圖2(d)可以觀察到,經過熱風黏合加固的雙組分纖維在交接點處熔融固結,皮層組分PE在高溫氣流下熔融相互黏結,而芯層組分PP仍保持支撐作用。

圖2 雙組分纖維及紡黏非織造材料的SEM照片Fig.2 SEM images of PE/PP bicomponent fibers and nonwoven materials. (a) Surface morphology of bicomponent fiber; (b) Cross section morphology of bicomponent fiber; (c) Calender bonding material; (d) Through-air bonding material

從SEM照片分析可知,雙組分纖維網經過不同的加固方式,其形態有著顯著差異,因此,接下來分別對熱軋黏合材料和熱風黏合材料的性能進行研究。

2.2 PE/PP紡黏非織造材料力學性能分析

在雙組分紡黏非織造材料的應用領域中,熱軋黏合PE/PP雙組分紡黏非織造材料常應用于醫衛防護材料的表層,其主要目的是起到拒水、拒血液的作用,同時最好保證一定的透氣性,避免濕熱感,因此本文重點關注熱軋黏合材料的耐靜水壓、透氣性、力學性能、孔徑等技術指標。

對不同面密度的熱軋黏合材料進行力學性能測試,研究其斷裂強度和斷裂伸長率隨面密度變化的規律,結果如圖3所示。可以看出,隨著面密度的增大,熱軋黏合材料的縱向斷裂強度和橫向斷裂強度逐漸增大,這是因為隨著纖維數量的增多,纖維之間的抱合力增大,使得斷裂強度提高。同時可以發現,材料縱向的斷裂強度始終大于橫向斷裂強度,這是由于制備時采用直接鋪網的成網方式,輸網簾的運動導致纖維沿縱向方向排列占據多數。在斷裂伸長率方面,熱軋黏合材料縱向和橫向斷裂伸長率都隨著面密度增加而增加,且橫向斷裂伸長率大于縱向斷裂伸長率,這主要是縱向的伸長更多是纖維的軸向拉伸,而橫向方向纖維排列較少,伸長時主要克服的是纖維之間的徑向抱合力,因此具有更大的滑移距離。

圖3 不同面密度熱軋黏合材料的力學性能Fig.3 Mechanical properties of calender bonding materials with different area densities. (a) Breaking strength; (b) Elongation

孔徑對于紡黏非織造材料的結構和性能有著重要影響,本文對5種不同面密度的熱軋黏合材料進行孔徑測試,得到每種試樣的最大、最小和平均孔徑,結果如表2所示。隨著面密度的增加,5種熱軋黏合材料的平均孔徑依次減小,說明多層纖維網的堆疊提高了單位體積內纖維的數量,導致纖維間孔隙變小。考慮到孔隙會影響材料的透氣和透水性能,對試樣的透氣性和耐靜水壓進行測試分析。結果表明,面密度分別為20、35、50、65、80 g/m2時熱軋黏合材料的透氣率分別為3 501.65、3 389.77、3 226.64、2 743.38、2 513.20 mm/s,即隨著試樣面密度的增加呈現逐漸減小的趨勢;而耐靜水壓分別為0.39、0.92、1.37、1.90、3.14 kPa,隨著面密度增加而增大,這顯然是符合孔徑變化的影響規律。

表2 不同面密度的熱軋黏合材料孔徑測試結果Tab.2 Pore size test results of bicomponent calender bonding materials with different areal densities

2.3 PE/PP紡黏非織造材料過濾性能分析

加固方式對雙組分紡黏非織造材料的性能有很大影響[10-12],因此本文除利用傳統的熱軋方式加固外,還對熱風黏合技術加固的雙組分紡黏非織造材料進行研究。雙組分紡黏纖維獨特的皮芯結構,在一定的熱風溫度下可使皮層組分PE熔融黏結,而芯層組分PP可保持支撐。熱風黏合PE/PP雙組分紡黏非織造材料常應用于醫衛防護材料的內部核心過濾層,起到過濾攔截細小顆粒物作用,因此本文中主要關注熱風黏合材料的過濾效率、過濾阻力、品質因數、容塵量等技術指標。

經過測試得知,面密度同為80 g/m2的熱軋黏合材料和熱風黏合材料的表觀厚度分別為0.51和1.93 mm,材料的孔隙率(P)表示孔隙的體積與材料總體積的比值百分數,計算公式為

式中:M為雙組分紡黏非織造材料的面密度,g/m2;ρ為雙組分纖維的密度,g/m3;δ為雙組分紡黏非織造材料的厚度,m。

經計算熱軋黏合非織造材料的孔隙率為83.3%,而熱風黏合非織造材料展現出了高達95.6%的孔隙率。蓬松度(F)為每克產品所占的體積大小,計算公式為

式中:L、W、H分別為雙組分紡黏非織造材料的長、寬、高,cm;m為雙組分紡黏非織造材料的質量,g。經計算,熱軋黏合非織造材料蓬松度為6.21 cm3/g,熱風黏合非織造材料的蓬松度為23.2 cm3/g,可知熱風黏合非織造材料的相比熱軋黏合非織造材料展現出更高的孔隙率和蓬松度。

對采用熱軋黏合加固和熱風黏合加固的2種非織造材料的過濾性能進行對比分析,結果如表3所示。可知,熱軋黏合非織造材料的過濾效率為81.35%,稍高于熱風黏合非織造材料的76.62%,然而過濾阻力為60.39 Pa,遠遠大于熱風黏合非織造材料的15.85 Pa,另外,2種材料的品質因數分別為0.028和0.092 Pa-1,說明熱風黏合非織造材料具有更加優良的過濾性能。考慮到2種材料不同的結構和孔隙率,對其進行容塵量測試,容塵量大小直接影響過濾材料的使用壽命[13-14]。測試得到熱風黏合非織造材料的容塵量為4.82 g/m2,也高于熱軋黏合非織造材料的3.56 g/m2。綜上可知,采用熱風黏合加固方式的雙組分紡黏非織造材料在低阻力、高容塵方面的表現都優于熱軋黏合材料。

表3 熱軋黏合材料和熱風黏合材料過濾性能對比Tab.3 Comparison of filtration performance of calender bonding material and through-air bonding material

2.4 雙組分紡黏材料過濾機制分析

對于空氣過濾材料而言,其自身阻力一部分是由于氣流穿過時繞過纖維產生的阻力,另一部分是隨著捕獲顆粒物的累積,顆粒物會相互堆積甚至“生長”成為樹突狀(見圖4),這也會對氣流產生阻力,因此過濾過程中的阻力可表示為

圖4 熱風黏合雙組分紡黏非織造材料過濾時顆粒物被捕獲堆積形成的“生長樹突”現象Fig.4 Phenomenon of "growing dendrites" formed by particles trapped and accumulated during filtration of through-air bonding bicomponent spunbond materials

ΔP=P0+P1

式中:ΔP為過濾材料的總阻力,Pa;P0為過濾材料自身產生的阻力,Pa;P1為顆粒物產生的阻力,Pa。

根據Davies公式[15],P0與過濾材料自身性能以及氣溶膠參數密切相關,可用下式表示:

式中:μ為空氣運動黏滯系數,Pa·s;U為氣流速率,m/s;T為過濾介質厚度,m;df為纖維直徑,m;α為填充率,%。

根據Novick-Kozeny模型,P1可通過如下經驗公式來表示:

式中:ε為孔隙率,%;αp為顆粒物比表面積,m2/g;Q為捕獲顆粒物總質量,g;C為滑移修正系數;ρp為顆粒物密度,g/cm3;A為濾材有效面積,m2。

由P0計算公式可知,填充率α越小,過濾材料的孔隙率(ε,ε=1-α)越大,過濾阻力也就越小,熱風黏合非織造材料的孔隙率大于熱軋黏合非織造材料,因此熱風黏合非織造材料的過濾阻力在一定程度上會低于熱軋黏合非織造材料。另外,對于顆粒物產生的阻力P1,從其計算公式可以看出,P1也和孔隙率ε相關,P1與1-ε成正比,與ε3成反比,這表明孔隙率越大,顆粒物累積產生的阻力越小,同時也代表著達到相同的阻力時,孔隙率越大的材料可以容納更多的顆粒物,即容塵量越大,這與前面得到的熱風黏合加固方式的雙組分紡黏非織造材料在低阻力、高容塵方面的表現都優于熱軋黏合材料的測試結果是一致的。

3 結 論

利用雙組分紡黏非織造技術制備了聚乙烯/聚丙烯皮芯型雙組分紡黏非織造材料,分析了其形貌結構特點,研究了不同的熱黏合加固方式對材料性能的影響,并闡釋了影響過濾性能的過濾機制,得到如下結論。

1)熱軋黏合雙組分紡黏非織造材料的縱向斷裂強度大于橫向斷裂強度,斷裂伸長率與之相反,橫向斷裂伸長率大于縱向斷裂伸長率;隨著面密度增加,熱軋黏合非織造材料的平均孔徑逐漸減小,透氣性逐漸減小,耐靜水壓逐漸增加,其中面密度為80 g/m2時,耐靜水壓為3.14 kPa。

2)采用熱風黏合加固方式的雙組分紡黏非織造材料,除過濾效率稍低于熱軋黏合材料外,在低阻力、高容塵、品質因數方面的表現均優于熱軋黏合材料。經電暈駐極后,以質量中值直徑為0.26 μm的NaCl氣溶膠為過濾媒介,在32 L/min的測試流量下,面密度為80 g/m2時的熱風黏合雙組分紡黏非織造材料過濾效率為76.62%,而過濾阻力僅為15.85 Pa。纖維過濾材料的過濾性能與孔隙率密切相關,孔隙率越大,過濾阻力越小,容塵量越高。