MUNIR Hussin, 朱斐超,b, 于 斌,b, 韓 建,b, 杜站鋒

(浙江理工大學(xué)，a.材料與紡織學(xué)院；b. 產(chǎn)業(yè)用紡織材料制備技術(shù)浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

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低模量聚丙烯增強(qiáng)增韌等規(guī)聚丙烯紡粘非織造布的研究

MUNIR Hussaina, 朱斐超a,b, 于 斌a,b, 韓 建a,b, 杜站鋒a

(浙江理工大學(xué)，a.材料與紡織學(xué)院；b. 產(chǎn)業(yè)用紡織材料制備技術(shù)浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

采用熔融共混法，將不同比例(5%～25%)的低模量聚丙烯(LMPP)與紡粘級(jí)聚丙烯(PP)共混得到不同配比的PP/LMPP復(fù)合母粒，對(duì)PP/LMPP復(fù)合母粒的結(jié)晶形貌、熔體流動(dòng)速率和毛細(xì)管流變性能進(jìn)行了研究，同時(shí)制備了對(duì)應(yīng)配比的PP/LMPP紡粘非織造材料，并對(duì)其拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：低結(jié)晶度的LMPP對(duì)紡粘級(jí)PP的結(jié)晶具有稀釋作用，LMPP與PP的相容性佳，LMPP對(duì)不同剪切速率下PP的表觀粘度影響不大，PP/LMPP非織造材料體現(xiàn)出高強(qiáng)和高柔韌性，PP/LMPP(100/20)紡粘非織造材料的強(qiáng)力和斷裂伸長率相比單一PP分別提高72.7%和749.3%，可廣泛應(yīng)用于包裝和醫(yī)衛(wèi)產(chǎn)品領(lǐng)域。

增強(qiáng)；增韌；紡粘非織造；低模量聚丙烯

0 引 言

紡粘非織造材料具有工藝流程短，產(chǎn)量高，產(chǎn)品性能優(yōu)良以及產(chǎn)品適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、服用和裝飾等領(lǐng)域。聚丙烯(PP)作為5種通用塑料之一，價(jià)格低廉，綜合性能優(yōu)良，廣泛用作紡粘非織造材料加工原料，但由于常規(guī)PP表現(xiàn)為低溫脆性、耐沖擊性能差，PP增韌研究成為熱門；又由于聚丙烯為非極性材料，與其它改性材料相容性不佳而影響其增韌效果，增容反應(yīng)相對(duì)復(fù)雜且會(huì)對(duì)PP的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)產(chǎn)生部分限制，因此選取經(jīng)濟(jì)、易添加和高效的增韌材料十分重要。日本Idemitsu Kosan公司采用特殊的C2對(duì)稱性茂金屬復(fù)合催化體系，生產(chǎn)了一種可用于非織造的低模量、低分子量和窄分子量分布的聚丙烯材料(L-MODUTMPP，LMPP)，既有類似無定型PP透明度高，柔軟性好的特點(diǎn)，又具備常規(guī)紡粘用PP流動(dòng)性佳、可紡性好的優(yōu)勢[1-2]。國內(nèi)對(duì)于低分子量、低模量的聚丙烯材料，特別是在紡粘非織造材料方面的研究和應(yīng)用還未見；國外對(duì)此類材料應(yīng)用的具體研究結(jié)果也未有報(bào)道。國外有學(xué)者研究了該類等規(guī)度相對(duì)較低的茂金屬聚丙烯及其共混于常規(guī)齊格勒-納塔(Ziegler-Natta)體系PP的影響，初步研究表明LMPP的添加對(duì)整個(gè)PP/LMPP共混體系結(jié)構(gòu)和加工性能會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[3-6]。

本文采用熔融共混法，將不同比例(5%～25%)的LMPP與紡絲級(jí)PP共混得到不同配比的PP/LMPP復(fù)合母粒，通過對(duì)PP/LMPP復(fù)合母粒的結(jié)晶形貌、熔體流動(dòng)性能和毛細(xì)管流變性能進(jìn)行了研究，進(jìn)一步制備得到了對(duì)應(yīng)配比的PP/LMPP紡粘非織造材料，并對(duì)其拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

紡絲級(jí)PP(上海賽科，S2040，重均分子量約2.0×105，分子量分布3.5)；低模量聚丙烯(LMPP，日本Idemitsu Kosan，S901，重均分子量約1.3×105，分子量分布2.0)。

1.2 PP/LMPP復(fù)合母粒的制備

PP與LMPP原料以100/5、100/10、100/15、100/20、100/25的質(zhì)量比用高速攪拌機(jī)混合均勻，經(jīng)TSE-30A型同向雙螺桿擠出機(jī)(南京瑞亞擠出機(jī)，L/D=40)，200 ℃時(shí)熔融共混擠出造粒，制得不同配比的紡粘用PP/LMPP復(fù)合母粒。

1.3 PP/LMPP復(fù)合母粒的結(jié)晶形貌觀察

采用LeicaDM 2700P型透射/反射偏光顯微鏡。PP/LMPP復(fù)合母粒于180 ℃下熱壓成薄片式樣(厚度約0.2 mm)，室溫下自然冷卻結(jié)晶后觀察。

1.4 PP/LMPP復(fù)合母粒熔體指數(shù)測試

采用熔體流動(dòng)儀(PL-Z1B1型，上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司)。溫度200～230 ℃，負(fù)荷2.16 kg；預(yù)熱時(shí)間2 min；測試次數(shù)5次，取平均值。

1.5 PP/LMPP復(fù)合母粒毛細(xì)管流變性能測試

采用雙柱毛細(xì)管流變儀(RH7型，英國Rosand公司)。測試溫度為190、200、210 ℃，剪切速率范圍100～6000 rad/s，毛細(xì)管擠出口模直徑1 mm，長徑比L/D=16。

1.6 PP/LMPP紡粘非織造材料的制備

采用HD-SM100中型紡粘-熔噴一體設(shè)備，幅寬0.25 m。紡粘工藝設(shè)置為：擠出溫度215 ℃，擠出量150 mL/min，牽伸風(fēng)溫45 ℃，網(wǎng)下吸風(fēng)4500 Pa，網(wǎng)簾傳動(dòng)速度5 m/min，預(yù)壓輥溫度50 ℃，熱壓輥溫度120 ℃，熱壓輥壓力1200 kgf。同一工藝下制備得到不同配比的PP/LMPP紡粘非織造材料。

1.7 PP/LMPP紡粘非織造材料拉伸性能測試

采用萬用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(Instron 3369型，英國英斯特朗公司)。取縱向(MD)試樣，尺寸5×2.5 cm，拉伸速度100 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 PP/LMPP結(jié)晶形貌

圖1中偏光顯微鏡圖可見PP/LMPP的結(jié)晶形貌。發(fā)現(xiàn)PP的球晶完整，在偏光顯微鏡下呈明顯的“十字消光”，且尺寸較大(約50 μm)、結(jié)晶度高，相鄰球晶之間存在擠壓；LMPP由于結(jié)晶速率慢、結(jié)晶度低，未見明顯的球晶，晶核尺寸極??；LMPP的加入影響了PP球晶的完整性，球晶尺寸減小，同時(shí)共混體系中結(jié)晶區(qū)域變得彌散，結(jié)晶度降低，這是由于LMPP中的無規(guī)或間規(guī)分子鏈進(jìn)入到PP大分子鏈中，影響了PP結(jié)晶過程中的有序排列，低結(jié)晶度的LMPP對(duì)高結(jié)晶度的PP結(jié)晶存在著明顯的稀釋作用。

圖1 不同質(zhì)量比例PP/LMPP偏光顯微鏡圖(標(biāo)尺50 μm)

2.2 PP/LMPP熔體流動(dòng)性能

由圖2可見，在同一溫度下，相對(duì)分子量更低、分布窄的LMPP熔體流動(dòng)速率(MFR)大于紡粘用PP，PP/LMPP的MFR介于二者之間，并隨著LMPP含量的增大而略微提高，這是由于LMPP與PP基體相容性好，LMPP的加入減弱了PP大分子鏈之間的作用力，起到了“增塑作用”，提高了PP大分子鏈活動(dòng)性。常規(guī)紡粘加工要求材料流動(dòng)速率為20～30 g/10min[7]，因此本實(shí)驗(yàn)中選擇紡粘加工溫度為210～215 ℃。

圖2 不同溫度下PP/LMPP熔體流動(dòng)指數(shù)

2.3 PP/LMPP毛細(xì)管流變性能

圖3為PP/LMPP在190、200、210 ℃下毛細(xì)管流變曲線，隨著溫度的身高，由于分子鏈運(yùn)動(dòng)性的提高和自由體積的增大，PP/LMPP熔體在低剪切速率下(<100 rad/s)的起始表觀粘度由約250 Pa·s下降到160 Pa·s。PP/LMPP共混體系與PP、LMPP熔體都是典型的“切力變稀”流體，在剪切速率100～3000 rad/s，表觀粘度對(duì)剪切力變化較為敏感，該階段PP、LMPP大分子鏈在剪切力的作用下發(fā)生取向和解纏，隨著剪切速率的繼續(xù)提高，大分子鏈間的取向程度提高，層間纏繞點(diǎn)減少，表觀粘度變化不大。由于LMPP與PP在非晶區(qū)具有較佳的相容性，PP/LMPP毛細(xì)管流變整體趨勢與PP相同，但表觀粘度由于LMPP的添加而略有波動(dòng)，可能是由于PP與LMPP分子鏈間存在交互作用引起。

圖3 不同溫度下剪切速率對(duì)PP/LMPP熔體表觀粘度的影響

2.4 PP/LMPP紡粘非織造材料拉伸性能

紡粘非織造材料由紡粘纖維和固結(jié)點(diǎn)(包括熱壓自粘合、膠粘等固結(jié)方式)構(gòu)成，在拉伸過程中，固結(jié)點(diǎn)和纖維受力，纖維伸長變細(xì)，當(dāng)應(yīng)力增大到極限值時(shí)，固結(jié)點(diǎn)剝離。紡粘纖維提供了主要的形變和一定的強(qiáng)力，而固結(jié)點(diǎn)的粘結(jié)力和粘結(jié)密度決定了紡粘材料整體的強(qiáng)度。由不同比例PP/LMPP紡粘非織造材料拉伸曲線(圖4)，可見單一PP紡粘非織造材料的強(qiáng)力峰值(約24.9 N)和峰值處伸長率(約7.1%)最小，PP/LMPP紡粘非織造材料的強(qiáng)力峰值和峰值伸長率隨著LMPP添加量的增加均明顯提高。當(dāng)LMPP添加量為5%時(shí)，峰值強(qiáng)力提高顯著，但伸長率提高不明顯；當(dāng)添加量為20%時(shí)，PP/LMPP紡粘材料的峰值強(qiáng)力達(dá)到最大，其峰值強(qiáng)力和峰值斷裂伸長率分別為43.0 N和60.3%，相比單一PP紡粘材料分別提高了72.7%和749.3%，體現(xiàn)了極佳的強(qiáng)度和柔韌性；隨著LMPP添加量的進(jìn)一步提高，PP/LMPP紡粘非織造材料的峰值斷裂伸長率依然增大，但峰值強(qiáng)力開始下降。LMPP增強(qiáng)增韌PP紡粘非織造材料的機(jī)理是由于低熔點(diǎn)、低結(jié)晶度LMPP的添加效果類似無規(guī)聚丙烯(APP)，通常因具有優(yōu)異的粘結(jié)力而用作熱熔膠，LMPP在PP/LMPP紡粘纖維擠出、牽伸和鋪網(wǎng)過程中可分布于纖維表面，在熱壓粘合時(shí)可作為粘結(jié)劑，提高了PP/LMPP紡粘材料中固結(jié)點(diǎn)的粘結(jié)強(qiáng)力，從而提高了紡粘材料整體的強(qiáng)度；又因LMPP本身具有優(yōu)異拉伸延展性，故而其混入后提高了PP/LMPP紡粘纖維以及PP/LMPP紡粘材料的形變能力，提升了拉伸延展性和韌性。

圖4 PP/LMPP紡粘非織造材料拉伸曲線

3 結(jié) 論

低結(jié)晶度的LMPP對(duì)紡粘級(jí)PP的結(jié)晶具有稀釋作用，LMPP影響了PP球晶的完整性，使球晶尺寸減小，結(jié)晶度降低；PP/LMPP復(fù)合母粒適宜紡粘加工，加工溫度為210～215 ℃。LMPP與PP的相容性佳，對(duì)不同剪切速率下PP的表觀粘度影響不大，PP/LMPP非織造材料體現(xiàn)出高強(qiáng)和柔韌性，PP/LMPP(100/20)紡粘非織造材料的峰值強(qiáng)力和峰值斷裂伸長率相比PP分別提高提高了72.7%和749.3%，可廣泛應(yīng)用于包裝和醫(yī)衛(wèi)產(chǎn)品領(lǐng)域。

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(責(zé)任編輯： 唐志榮)

Study on Enhancing the Strength and Toughness of Isotactic Polypropylene Spunbonded Nonwovens by Low-modulus Polypropylene

MUNIRHussaina,ZHUFeichaoa,b,YUBina,b,HANJiana,b,DUZhanfenga

(a.School of Materials and Textiles; b.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Industrial Textile Materials & Manufacturing Tech., Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018， China)

Different ratios (5%～25%) of low-modulus polypropylene (LMPP) were blended with spunbonded polypropylene (PP) to obtain the PP/LMPP composite masterbatch with different ratios, and the melt flowing rate, crystal morphology and the capillary rheology properties of PP/LMPP composite masterbatch were studied. In addition, PP/LMPP spunbonded nonwoven materials with corresponding ratio were also prepared and the tensile properties were investigated. The results indicate that LMPP with low degree of crystallinity has dilution effect on PP; the compatibility of LMPP and PP is good; LMPP has little influence on apparent viscosity of PP under different shearing rate; PP/LMPP spunbonded nonwovens show higher strength and toughness; the strength and elongation at break of PP/LMPP (100/20) sample increase by 72.7% and 749.3% respectively, compared with pure PP. Therefore, it can be widely applied in the field of packaging, medical and health products.

enhancing strength; enhancing toughness; spunbonded nonwovens; low-modulus polypropylene

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.11.001

2015-12-07

MUNIR Hussain (1988-)，男，巴基斯坦人，碩士研究生，主要從事產(chǎn)業(yè)用紡織材料方面的研究。

韓 建，E-mail：hanjian8@zstu.edu.cn

TS172

A

1673- 3851 (2016) 06- 0803- 05 引用頁碼： 110201