沈 璐 鄧炳耀 劉慶生 夏前軍 范立元

(1.江南大學(xué)非織造技術(shù)中心，無錫，214122;2.江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點實驗室，無錫，214122;3.南京際華三五二一特種裝備有限公司，南京，210007;4.江蘇迎陽無紡機械有限公司，常熟，215539)

針刺非織造技術(shù)是我國非織造行業(yè)中發(fā)展較早的生產(chǎn)技術(shù)，產(chǎn)品具備較強的市場競爭力和占有率，主要應(yīng)用于合成革基布、過濾材料、土工材料和裝飾布等領(lǐng)域。近幾年來自水刺、紡粘、熔噴等技術(shù)在工藝及產(chǎn)品性能等方面的威脅［1］，向針刺非織造工藝及產(chǎn)品的性能和多元化發(fā)展提出了更高的要求。關(guān)于針刺非織造布的研究，多集中在原料選擇、纖網(wǎng)面密度、針刺深度和針刺密度等方面［2-3］，而在利用熱處理技術(shù)改善其結(jié)構(gòu)與性能方面尚缺少深入的研究。特別是針對作為空氣過濾材料用的滌綸針刺非織造布，在利用熱處理技術(shù)改進(jìn)其過濾效率，拓寬其應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的優(yōu)勢方面有待于進(jìn)一步探究。

熱處理過程會引起纖維分子結(jié)構(gòu)和形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變，使穩(wěn)定度較低的結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定度較高的結(jié)構(gòu)單元［4］。熱處理引起的微觀變化，將綜合地體現(xiàn)在纖維及產(chǎn)品的宏觀性能的改變上，如尺寸穩(wěn)定性、強力和手感等［5］。因此，熱處理工藝常用于改善非織造布的結(jié)構(gòu)與性能，以改善其使用性能，滿足非織造布在衛(wèi)生、環(huán)保、過濾和土工等領(lǐng)域的應(yīng)用［6］。本文在分析滌綸非織造布等溫結(jié)晶的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)臏囟扰c時間，對滌綸針刺非織造布進(jìn)行熱處理，并進(jìn)行各項性能表征。

1 試驗部分

1.1 原料與設(shè)備

原料:滌綸針刺非織造布，江蘇迎陽無紡機械有限公司。

設(shè)備:DSC-Q200差示掃描量熱儀，沃特世科技(上海)有限公司;R-3定型烘干機，瑞比染色試機有限公司;YG026A型織物強力機，常州第二紡織儀器廠;LZC-H型濾料綜合性能測試臺，蘇州華達(dá)儀器設(shè)備有限公司;CFP-1100A型毛細(xì)管流動孔隙測量儀，美國施多威爾公司;PL203電子天平，上海菁海儀器有限公司;YG141D型織物厚度儀，寧波紡織儀器廠。

1.2 等溫結(jié)晶性能測試

取5 mg左右的樣品放入DSC-Q200型差示掃描量熱儀進(jìn)行測定。受氮氣氣氛保護(hù)，流量為50.0 mL/min，以 50.0℃/min的升溫速率，從30℃升溫至300℃，恒溫3 min，消除熱歷史，然后以100.0℃/min的冷卻速率分別驟降至180、190、200、210、220和230℃，恒溫一定時間進(jìn)行等溫結(jié)晶，并記錄DSC譜圖。

1.3 熱處理

采用R-3定型烘干機，在210℃橫向定長狀態(tài)下，對滌綸針刺非織布分別處理1、2、3和4 min，取出后置于室溫中自然冷卻，靜置24 h。

1.4 性能測試

將經(jīng)過不同時間熱處理的與未經(jīng)處理的滌綸針刺非織造布進(jìn)行各項性能表征，并進(jìn)行對比分析。

1.4.1 面密度和厚度

按照FZ/T 60003—1991《非織造布單位面積質(zhì)量測定》及FZ/T 60004—1991《非織造布厚度測定》對熱處理前后的滌綸針刺非織造布進(jìn)行面密度和厚度測試。

1.4.2 力學(xué)性能

采用YG026A型織物強力機對滌綸針刺非織造布進(jìn)行斷裂強力及斷裂伸長率測試。夾持距離為10 cm，拉伸速度為100 mm/min，各樣品測量5次，取平均值。

1.4.3 孔徑與過濾性能

采用CFP-1100A型毛細(xì)管流動孔隙測量儀對滌綸針刺非織造布進(jìn)行孔徑及孔徑分布測試。

采用LZC-H型濾料綜合性能測試臺對滌綸針刺非織造布進(jìn)行過濾效率測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 滌綸非織造布等溫結(jié)晶DSC曲線

圖1 是滌綸非織造布在180、190、200、210、220和230℃恒溫一定時間所得的結(jié)晶過程曲線。滌綸分子中含有不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)的苯環(huán)，其大分子基本為剛性分子，易于保持線性分子鏈，因此在一定溫度條件下很容易形成結(jié)晶。

圖1 不同溫度下滌綸非織造布等溫結(jié)晶DSC曲線

2.2 熱處理溫度與時間的確定

聚合物結(jié)晶的總速度由晶核生成速度與晶體生長速度所控制［7］。在結(jié)晶過程中，溫度影響成核速率，也影響晶體生長速率。溫度過高，不利于晶核形成;溫度過低，則影響晶體的生長速率。結(jié)晶度與晶區(qū)分布對滌綸及其織物的力學(xué)性能有一定影響［8］。

當(dāng)溫度在180～200℃之間時，晶核生成的速度增加，同時分子鏈仍然具有相當(dāng)?shù)倪\動活性，容易向晶核擴(kuò)散排入晶格，晶體生長速度也加快，結(jié)晶總速度迅速增加。因此，在該溫度下完成結(jié)晶的過程所需時間非常短，基本在1 min內(nèi)完成結(jié)晶，結(jié)晶峰尖銳。

當(dāng)溫度在200～230℃之間時，隨著溫度的升高，分子熱運動加劇，分子鏈有序排列所形成的晶核不穩(wěn)定或不易形成晶核，盡管此時分子運動能力很強，但總的結(jié)晶速度較低，完成結(jié)晶的過程所需時間逐漸增加，在230℃時完成結(jié)晶的時間超過10 min，結(jié)晶峰不明顯。因此，在210℃條件下，結(jié)晶速度較為適中。

滌綸的相對結(jié)晶度X是t時刻試樣結(jié)晶放出的熱量與其完全結(jié)晶時所放出熱量的比值，可通過下面公式計算得到［9］:

式中:Xc(t)——t時刻試樣結(jié)晶放出的熱量;

Xc(t∞)——無限長時間放出的最大熱量。

由圖2可見，相對結(jié)晶度與時間的關(guān)系曲線呈S形，滌綸結(jié)晶的晶體生長過程可以分為三個階段［10］。結(jié)晶誘導(dǎo)初期滌綸的相對結(jié)晶度沒有顯著提高，此后結(jié)晶度則隨時間迅速增長。測試結(jié)果表明，在210℃時完成結(jié)晶過程的時間約為3 min。為進(jìn)一步研究熱處理過程中結(jié)晶狀況對于滌綸針刺非織布性能的影響，選定210℃為熱處理溫度，處理時間根據(jù)結(jié)晶完成時間分別確定為1、2、3和4 min。

圖2 滌綸非織造布在210℃時相對結(jié)晶度與時間的關(guān)系曲線

2.3 熱處理前后非織造布性能表征

2.3.1 面密度與厚度

表1為未經(jīng)處理的滌綸針刺非織造布與在210℃下分別經(jīng)過1、2、3和4 min熱處理后的滌綸針刺非織造布的面密度和厚度。可以看出，隨著熱處理時間的增加，面密度逐漸增加。熱處理溫度高于滌綸的玻璃化溫度，部分分子鏈段運動加劇，能自由旋轉(zhuǎn)、彎曲、伸展或收縮，纖維表現(xiàn)出較大的變形能力。同時，隨著熱處理時間的增加，纖維收縮加劇，非織造布結(jié)構(gòu)更加緊密。非織造布在橫向被固定，縱向發(fā)生收縮，因而面密度增加。熱處理對于非織造布厚度的影響不大，厚度的差異主要來源于基布本身的厚度不勻。

表1 熱處理前后非織造布面密度與厚度參數(shù)

2.3.2 力學(xué)性能

由圖3可見，隨著熱處理時間的增加，滌綸非織造布的斷裂強力逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。這是因為熱處理時間的延長，使滌綸大分子處于顯著熱運動的時間更久，更有利于分子的誘導(dǎo)取向再結(jié)晶過程，形成更多結(jié)構(gòu)更完善的結(jié)晶;同時，在熱處理過程中，單根纖維的熱收縮造成了非織造布整體的收縮，使非織造布結(jié)構(gòu)以及纖維之間的纏結(jié)更加緊密。結(jié)晶更加完善和結(jié)構(gòu)更加緊密綜合作用的結(jié)果導(dǎo)致非織造布的力學(xué)性能得到明顯改善。在達(dá)到一定時間后，結(jié)晶趨于完整，不會隨著時間的增加而無限結(jié)晶，同時非織造布結(jié)構(gòu)緊密程度趨于穩(wěn)定，因此強力隨之保持穩(wěn)定。

圖3 熱處理前后非織造布斷裂強力與斷裂伸長率變化曲線

圖3還顯示，經(jīng)過熱處理的非織造布的斷裂伸長率明顯低于未經(jīng)處理的非織造布。這是由于熱處理使纖維結(jié)晶度增大，大分子鏈之間的作用力增強，阻礙分子鏈之間的滑移，延伸度降低。

2.3.3 孔徑及過濾效率

熱處理前后滌綸針刺非織造布孔徑及孔徑分布的測試結(jié)果見表2。

表2 熱處理前后非織造布孔徑及孔徑分布測試結(jié)果

熱處理使纖維變形收縮，非織造布整體隨著纖維的收縮而更加緊密，且隨著熱處理時間的增加，平均孔徑明顯減小，同時孔徑分布最集中的區(qū)域值逐漸減小。

過濾效率是針刺非織造布作為過濾材料應(yīng)用時的一項重要指標(biāo)，其中以針對PM2.5的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。表3是熱處理前后滌綸針刺非織造布的過濾性能。綜合過濾效率η按下式計算:

式中:nl——上游各粒徑的粒子數(shù)總和;

n2——下游各粒徑的粒子數(shù)總和。

表3 滌綸針刺非織造布的過濾性能

經(jīng)熱處理后，非織造布的平均孔徑隨著熱處理時間的增加而逐漸減小，相應(yīng)的過濾效率也逐漸提高，尤其是對于較小粒徑顆粒的過濾效率較高。其中，經(jīng)熱處理后對粒徑≥2.0 μm的顆粒的過濾效率，由最初的46%，提升至70%以上，過濾效率提高較為明顯。對粒徑≥10 μm的顆粒熱處理前后的滌綸針刺非織造布的過濾效率均可達(dá)到100%。從綜合過濾效率來看，經(jīng)過熱處理后的非織造布過濾效率明顯提高，且隨著熱處理時間的增加，纖維收縮使非織造布更加緊密，其綜合過濾性能提高，對小粒徑顆粒的過濾效率得到改善。

3 結(jié)論

(1)滌綸針刺非織造布在不同溫度下的等溫結(jié)晶DSC曲線顯示，在210℃時完成結(jié)晶過程的時間約為3 min。

(2)熱處理對滌綸針刺非織造布的力學(xué)性能有明顯影響，隨著熱處理時間的增加，斷裂強力提升，斷裂伸長率較未處理時有所下降。

(3)隨著熱處理時間的增加，滌綸針刺非織造布平均孔徑逐漸減小，對小粒徑顆粒的過濾效率提高，對粒徑≥2.0 μm的顆粒的過濾效率，由最初的46%提升至70%以上，綜合過濾效率得到改善。

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