宋澤文，張初陽(yáng),2

(1.東華大學(xué)，上海 201620；2.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830046)

聚丙烯非織造復(fù)合材料的塑性變形老化分析

宋澤文1，張初陽(yáng)1,2

(1.東華大學(xué)，上海 201620；2.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830046)

文章采取部分熔融紡絲工藝生產(chǎn)的非織造材料為原料，模擬不同的溫濕度貯存環(huán)境作為試樣的貯存環(huán)境，并進(jìn)行定期的性能檢測(cè)。通過(guò)斷裂伸長(zhǎng)率和最大強(qiáng)力值表征試樣的力學(xué)性能變化，同時(shí)研究聚丙烯材料結(jié)晶度與相對(duì)分子質(zhì)量的變化趨勢(shì)分析試樣力學(xué)性能變化的內(nèi)因。

衛(wèi)生材料；聚丙烯；非織造布；紡絲成網(wǎng)法

隨著人們生活水平的提高和對(duì)個(gè)人衛(wèi)生的重視，一次性衛(wèi)生用品如嬰兒尿不濕、婦女用衛(wèi)生巾和成人失禁護(hù)墊等產(chǎn)品的使用量和使用頻率越來(lái)越大。由于越來(lái)越多的同類產(chǎn)品被送達(dá)貨架，明確這類產(chǎn)品的使用壽命并理解影響產(chǎn)品使用壽命的因素均成為必要的產(chǎn)品知識(shí)。

通過(guò)熔融紡絲法制成的低面密度非織造材料是該類衛(wèi)材的主要成分，熔融紡絲法的工藝[1]流程簡(jiǎn)潔，主要是通過(guò)把加熱到熔融狀態(tài)的高分子聚合物流體從細(xì)小的噴絲孔中快速擠出后再在空氣中冷卻及牽伸拉長(zhǎng)，最后將纖維固結(jié)成網(wǎng)。為了使非織造材料具備更佳的微粒過(guò)濾效能和較好的力學(xué)強(qiáng)度，熔融紡絲工藝生產(chǎn)的紡粘—熔噴—紡粘(SMS)復(fù)合結(jié)構(gòu)的非織造材料應(yīng)運(yùn)而生[2]。由于產(chǎn)品的柔軟手感和獨(dú)特的細(xì)小孔徑，該種復(fù)合非織造材料如今被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和衛(wèi)生等領(lǐng)域。

1　試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料

本文中采用的紡粘非織造布的聚丙烯原料的熔融指數(shù)約為34 g/10min；熔噴非織造布的聚丙烯原料的熔融指數(shù)為1400 g/10min。在試驗(yàn)用的復(fù)合非織造產(chǎn)品中，試樣的面密度均為15 g/m2，如圖1所示。非織造布試樣的預(yù)加軸向張力大小為100 N/m，試樣被固定于不銹鋼鋁板表面，用試樣夾和強(qiáng)力膠帶固定位置防止試樣滑移。每塊試樣的長(zhǎng)570 mm，寬為400 mm。

圖1　試驗(yàn)中試樣樣板

1.2老化對(duì)比條件

本文采用兩種溫濕度規(guī)格，一種是采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的溫濕度23℃及60%相對(duì)濕度的環(huán)境;另一種試驗(yàn)環(huán)境是采用40℃及75%相對(duì)濕度的環(huán)境。如圖2所示的恒溫恒濕箱被用來(lái)實(shí)現(xiàn)40℃及75%相對(duì)濕度的老化環(huán)境。

1.3試驗(yàn)試樣

本次試驗(yàn)中所有樣品基本特性均被記錄在表1中，兩種材料主要放在不同的溫濕度環(huán)境中進(jìn)行老化試驗(yàn)。

1.4實(shí)驗(yàn)周期

總共長(zhǎng)達(dá)24個(gè)星期的測(cè)試在本試驗(yàn)中得到開展，各組測(cè)試工作分別在0周，4周，8周，12周和24周老化后迅速完成，在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)均被記錄和分析。

1.5 性能測(cè)試

1.5.1平方米面密度

通過(guò)面密度數(shù)值可以觀測(cè)試樣制備的制程能力和穩(wěn)定性水平，同時(shí)面密度也會(huì)影響各力學(xué)性能，穩(wěn)定的面密度可以佐證本試驗(yàn)中強(qiáng)力水平對(duì)比的合理性。每個(gè)試樣在每個(gè)測(cè)試周期均被測(cè)試10個(gè)數(shù)據(jù)。

圖2　LHS-250-I型恒溫恒濕箱

試樣組分面密度(g/m2)張力(N/m)溫度/濕度(℃/%)#1SMMS159840/75#2SMMS159823/60

1.5.2強(qiáng)力性能

強(qiáng)力測(cè)試用來(lái)表征試樣材料的堅(jiān)韌強(qiáng)度和纖維間的粘結(jié)強(qiáng)度。在24周的老化試驗(yàn)中，強(qiáng)力儀選用Zwick強(qiáng)力儀，每種試樣在每個(gè)測(cè)試周期被測(cè)試30個(gè)值，求平均值代表平均強(qiáng)力性質(zhì)，用方差觀測(cè)各個(gè)測(cè)試周期中樣品性能的均一性。測(cè)試并記錄最大強(qiáng)力值和斷裂伸長(zhǎng)率，同時(shí)強(qiáng)度保持率與斷裂伸長(zhǎng)保持率也可以從平均值中得出。

1.5.3差示掃描量熱法

為了從微觀角度理解和分析高分子材料在老化過(guò)程中的分子鏈結(jié)構(gòu)變化，差示掃描量熱法(DSC)被用來(lái)測(cè)試各個(gè)樣品的結(jié)晶度。結(jié)晶度與試樣的強(qiáng)力性能直接相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中選取5 mg聚丙烯結(jié)點(diǎn)試樣，N2氣流速率20 mL/min, 以20℃/min的速度從50℃升溫至180℃，得到聚丙烯熔融過(guò)程的熱晗—時(shí)間關(guān)系表，進(jìn)而推算求得其結(jié)晶度。計(jì)算公式為[3-4]：

1.5.4凝膠滲透色譜法

本試驗(yàn)中，分子量分布為表征微觀分子量分布的重要指標(biāo)，從本試驗(yàn)結(jié)果可以觀測(cè)在老化過(guò)程中聚丙烯高聚物的相對(duì)分子質(zhì)量變化趨勢(shì)。由于聚丙烯材料很難溶解于一般溶劑，凝膠滲透色譜(GPC)需要采用高溫色譜法(150℃)并采用三氯甲苯為溶劑。

2　結(jié)果與討論

2.1面密度測(cè)試

由于本試驗(yàn)中的試驗(yàn)樣品都是疏水的聚丙烯非織造材料，即使在高濕度(75%相對(duì)濕度)條件下的回潮率依然趨近于零。如圖3所示，在未老化樣品的強(qiáng)力對(duì)比中，兩種試驗(yàn)材料的面密度均穩(wěn)定于15g/m2，這說(shuō)明在生產(chǎn)過(guò)程中，兩種樣品的工藝穩(wěn)定，同時(shí)面密度與力學(xué)性質(zhì)有直接聯(lián)系，大面密度非織造材料意味著更多的纖維纏結(jié)，即斷裂強(qiáng)力相應(yīng)增大。在老化試驗(yàn)結(jié)束后，兩種材料的面密度數(shù)值沒有發(fā)生顯著改變。

圖3　老化過(guò)程中兩種樣品的面密度

2.2溫濕度的影響

本試驗(yàn)中兩種測(cè)試環(huán)境被用來(lái)研究不同的溫濕度環(huán)境對(duì)聚丙烯非織造復(fù)合材料老化速率的影響。強(qiáng)力性能作為主要的性能指標(biāo)，同時(shí)利用結(jié)晶度測(cè)試和分子量的凝膠滲透色譜測(cè)試來(lái)表征聚丙烯非織造材料內(nèi)部的變化。

2.2.1結(jié)晶度測(cè)試

結(jié)晶度與高聚物材料的力學(xué)性能有很大聯(lián)系，一般說(shuō)來(lái)，結(jié)晶度越大的高分子聚合物材料的強(qiáng)力值也往往越大，材料相對(duì)剛硬。

同樣的聚丙烯非織造材料在有張力條件下被放置于兩種不同的溫度與濕度環(huán)境下，原始結(jié)晶度是一致的。從圖4的對(duì)比中可知， 40℃/75%相對(duì)濕度條件下的聚丙烯非織造材料最終的結(jié)晶度比23℃/60%下的聚丙烯非織造材料高了約3%。在老化后，兩種聚丙烯非織造材料的結(jié)晶度與未老化的結(jié)晶度相比，聚丙烯材料的結(jié)晶度均有小幅度的提升。

圖4　兩種樣品老化前后的DSC圖譜

由于老化過(guò)程中，兩種聚丙烯試樣都在張力條件下被長(zhǎng)期拉伸，蠕變現(xiàn)象發(fā)生在整個(gè)老化過(guò)程中，聚丙烯分子鏈內(nèi)部的分子鏈在張力拉伸條件下趨向于沿軸向逐步解開原有的纏結(jié)而在原來(lái)的非結(jié)晶區(qū)域內(nèi)部重結(jié)晶，這是造成試驗(yàn)中結(jié)晶度上升的主要原因。相比于實(shí)驗(yàn)室條件(23℃及60%相對(duì)濕度)條件下，在恒溫恒濕箱(40℃及75%相對(duì)濕度)的非織造材料由于較高溫度的存在，分子量蠕變效應(yīng)更加顯著，因此更多的纏結(jié)分子鏈段得到解開，進(jìn)而重結(jié)晶的程度也更顯著。

2.2.2分子量測(cè)試

分子量測(cè)試的主要目的是了解老化過(guò)程中聚丙烯高聚物的分子鏈斷鏈的程度。在整個(gè)老化過(guò)程中，由圖5所示，恒溫恒濕箱中的試樣的重均分子量下降了約15%，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件下的試樣的重均分子量下降了約13%。這說(shuō)明了在恒溫恒濕箱條件下聚丙烯非織造材料的分子量下降更多，這個(gè)結(jié)果與結(jié)晶度測(cè)試的結(jié)果相互匹配。

2.2.3力學(xué)性能測(cè)試

力學(xué)性能在聚丙烯非織造材料的老化過(guò)程中可以作為重要的老化進(jìn)程指標(biāo)，相比于最大強(qiáng)力值的變化程度，斷裂伸長(zhǎng)率的減少量往往更加明顯。由圖6和圖7所示，斷裂伸長(zhǎng)率的降幅比較顯著，無(wú)論是橫向或者縱向斷裂伸長(zhǎng)率的對(duì)比中，在恒溫恒濕箱中的老化程度均比在實(shí)驗(yàn)室中的老化程度高。由于在恒溫恒濕箱中試樣的聚丙烯高聚物材料的分子量損失得更多，對(duì)于同類高分子材料，越低的相對(duì)分子質(zhì)量意味著更少的分子間纏結(jié)和更低的斷裂伸長(zhǎng)率。

圖5　兩種樣品老化的重均分子量

圖6　兩種樣品老化的橫向斷裂伸長(zhǎng)率

圖6的橫向伸長(zhǎng)率對(duì)比中，40℃及75%相對(duì)濕度環(huán)境中的試樣的斷裂伸長(zhǎng)率損失了42.9%，而23℃及60%相對(duì)濕度環(huán)境中的材料的斷裂伸長(zhǎng)率損失了35.0%。

圖7的縱向斷裂伸長(zhǎng)率的對(duì)比中，40℃及75%相對(duì)濕度環(huán)境中的試樣的斷裂伸長(zhǎng)率損失了36.3%，而23℃及60%相對(duì)濕度環(huán)境中的試樣的縱向伸長(zhǎng)率損失了約23.6%。

圖7　兩種樣品老化的縱向斷裂伸長(zhǎng)率

在拉伸試驗(yàn)中的強(qiáng)力試驗(yàn)結(jié)果與斷裂伸長(zhǎng)率試驗(yàn)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，伸長(zhǎng)率的下降比強(qiáng)力值的下降更顯著。

在圖6和圖7的老化過(guò)程中強(qiáng)力的對(duì)比中，相對(duì)分子質(zhì)量的下降是導(dǎo)致強(qiáng)力下降的直接原因，但是由于結(jié)晶度的測(cè)試結(jié)果顯示老化后高聚物材料的結(jié)晶度略微增大，材料變得更剛硬。結(jié)晶度的增加是高聚物的強(qiáng)力值保持率好的主要原因。

由圖8可知，恒溫恒濕箱中的試樣橫向強(qiáng)力損失為15.2%，而置于實(shí)驗(yàn)室溫濕度環(huán)境中材料的縱向強(qiáng)力損失了9.8%。相比于23℃/60%環(huán)境，40℃/75%相對(duì)濕度的環(huán)境對(duì)橫向強(qiáng)力的衰退起起到促進(jìn)作用。

圖8　兩種樣品老化的橫向強(qiáng)力峰值

由圖9可知，恒溫恒濕箱中的試樣縱向強(qiáng)力損失率為25.66%，而置于實(shí)驗(yàn)室溫濕度環(huán)境下的高聚物材料的縱向強(qiáng)力損失了15.84%。相比于23℃/60%環(huán)境，40℃/75%相對(duì)濕度的環(huán)境對(duì)縱向強(qiáng)力的衰退起起到加劇作用。

圖9　兩種樣品老化的縱向強(qiáng)力峰值

3　結(jié)論

本文主要研究了不同的溫濕度環(huán)境對(duì)于聚丙烯非織造復(fù)合材料的老化程度的影響，從試驗(yàn)中得到如下結(jié)論。

3.1老化后的聚丙烯高聚物的結(jié)晶度略微增加，且40℃及75%相對(duì)濕度環(huán)境下的結(jié)晶度增加幅度比23℃及60%相對(duì)濕度環(huán)境條件的結(jié)晶度大。

3.2聚丙烯非織造復(fù)合材料的高聚物相對(duì)分子質(zhì)量在老化過(guò)程中持續(xù)下跌；且40℃/75%相對(duì)濕度環(huán)境下的相對(duì)分子質(zhì)量跌幅比23℃/60%相對(duì)濕度環(huán)境條件的相對(duì)分子質(zhì)量跌幅大。

3.3老化過(guò)程中，橫向和縱向的聚丙烯非織造復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率均有較大幅度的下降，這和相對(duì)分子質(zhì)量下降有直接聯(lián)系。

3.4老化過(guò)程中，強(qiáng)力的跌幅和斷裂伸長(zhǎng)率的跌幅相比沒有如此顯著，主要是結(jié)晶度的增加一定程度上保持了試樣的強(qiáng)力值。

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(1.DonghuaUniversity，Shanghai201620，China;2.XinjiangUniversity,Urumqi830046，China)

CharacterizationonAgingPerformanceofMeltSpun

PolypropyleneCompositeNonwovens

Song Zewen1, Zhang Chuyang1,2

Specifiedmeltspunnonwovenmaterialswerepreparedasspecimens,andproperties′measurementswerethenoperatedatdifferenttimepointsduringstorageprocess.Mechanicalproperties,degreeofcrystallinityandmolecularweightofpolypropylenewerekeytestitemsinthisstudy.

hygiene;polypropylene;nonwoven;meltspinning

2015-01-14

宋澤文(1990—)，男，江蘇泰州人，碩士研究生。

TS151

A

1009-3028(2015)02-0008-04