謝單單，張鐘雷，胡佳麗，馮 凱，相鴻欽，張 偉

(1.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通， 226019；2.江陰健發(fā)特種紡織品有限公司，江蘇 無錫， 214421)

0 引言

緩沖材料來源廣泛、且種類眾多，目前市場上的包裝、防撞等緩沖材料，主要使用紙制類緩沖材料和發(fā)泡塑料類緩沖材料[1－3]。 蜂窩紙板和瓦楞紙板是目前應(yīng)用比較普遍的紙制型緩沖材料[4－5]，其主要應(yīng)用于包裝襯墊、紙箱等產(chǎn)品，可應(yīng)用于醫(yī)用器械、家用電器、農(nóng)用及食品等領(lǐng)域[1，6]。 Bovea等[7]通過評價軟件對瓷磚紙板盒包裝系統(tǒng)進(jìn)行了生命周期評估，并發(fā)現(xiàn)在膠粘劑的使用過程中以及生產(chǎn)過程的能源消耗方面對環(huán)境造成了較為嚴(yán)重的破壞。 此外，由于紙制類包裝材料廢棄物的焚燒會釋放CO、NO2等有害氣體，因此，包括含油墨的廢紙中存在的鉛及其他有害物質(zhì)對環(huán)境和人體健康都帶來嚴(yán)重的不良影響[8]。 紙制型緩沖材料雖然在市場上應(yīng)用較為廣泛且成本較為穩(wěn)定，但因其材料主要源于植物纖維，這在一定程度上對環(huán)境造成了破壞，同時會造成資源的短缺[9]。

發(fā)泡塑料型緩沖材料應(yīng)用較為廣泛的有發(fā)泡聚苯乙烯(Expandable polystyrene，EPS)、發(fā)泡聚乙烯(Expandable polyethylene，EPE)、發(fā)泡聚丙烯(Expandable polypropylene，EPP)等。 其中，EPS 緩沖材料在生產(chǎn)過程中因氟氯烴等的存在對大氣臭氧層有著巨大的破壞作用，壓縮后易產(chǎn)生塑料形變、可重復(fù)性能差，其廢棄物難以降解、不易回收等缺點(diǎn)對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[10－14]；通過對EPE材料在環(huán)境溫度[15－16]、密度[17－18]、厚度[18]、多次沖擊[19－20]等因素下其緩沖性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)EPE 材料有著高緩沖性、高恢復(fù)性、高抗震性等優(yōu)點(diǎn)，相比于EPS，該材料可回收再利用，具有較好的環(huán)保性能，但其制備工藝較為復(fù)雜、周期較長、成本較高等[21]；EPP 以其良好的能量吸收性、熱穩(wěn)定性、彈性回復(fù)性及質(zhì)輕、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點(diǎn)的緩沖材料被廣泛應(yīng)用于包裝、汽車、電子、包裝以及建筑等領(lǐng)域[22－24]。 相比于目前市場上廣泛使用的EPS 等緩沖材料，EPP 在諸多方面都有著較為明顯的優(yōu)勢。 因此，對聚丙烯(Polypropylene，PP)類緩沖材料的力學(xué)及緩沖性能的研究對于自然資源的節(jié)約、使用的合理性和高效性以及成本的控制等都有著重要的價值。

本文在具有3D 結(jié)構(gòu)的熔噴聚丙烯非織造材料的基礎(chǔ)上，通過交叉粘合復(fù)合形成熔噴聚丙烯緩沖材料，并對其力學(xué)性能、透氣性能、耐磨性能及靜態(tài)壓縮性能等進(jìn)行了測試分析，同時研究了材料的厚度對3D 熔噴緩沖材料緩沖性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)所用的熔噴材料是由江陰健發(fā)特種紡織品有限公司所生產(chǎn)，克重為2.35 g/m2；JL－655 型粘合劑，東莞市聚力膠粘制品有限公司；Instron 萬能材料試驗(yàn)機(jī)，美國Instron 公司；YG(B)031PC 型臺式taishi2 電子織物頂破強(qiáng)力機(jī)，溫州大榮紡織儀器有限公司；YG(B)461E 型數(shù)字式織物透氣性能測試儀，溫州大榮紡織儀器有限公司；WDW－10 型微機(jī)控制土工布材料試驗(yàn)儀，濟(jì)南思達(dá)測試技術(shù)有限公司；YT050 型土工布磨損試驗(yàn)儀；PTX－FA21OS 型電子天平，華志(福建)電子科技有限公司。

1.2 材料的制備

圖1(c)為3D 熔噴PP 材料的結(jié)構(gòu)示意圖，將熔噴非織造材料通過點(diǎn)對點(diǎn)上膠后固化，經(jīng)交叉逐層疊加復(fù)合形成不同厚度的3D 熔噴緩沖材料，實(shí)物圖如圖1(a)、圖1(b)所示。 最后根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)裁成相對應(yīng)規(guī)格的試樣，進(jìn)行下一步相關(guān)性能測試。 所有的測試環(huán)境溫濕度均分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件(溫度20±4 ℃，相對濕度65±3 %)下進(jìn)行。

圖1 熔噴PP 非織造材料結(jié)構(gòu)圖(插圖為對應(yīng)電鏡圖)

1.3 性能測試

分別參照GB/T 24218.15－2018?非織造布試驗(yàn)方法第15 部分:透氣性的測定?、GB/T 19976－2005?紡織品 頂破強(qiáng)力的測定 鋼球法?、GB/T 24218.3－2010?非織造布實(shí)驗(yàn)方法第3 部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)?及GB/T 17636－1998?土工布及其有關(guān)產(chǎn)品 抗磨損性能的測定 砂布/滑塊法?對試樣的透氣、頂破、拉伸以及耐磨性能進(jìn)行測試。 準(zhǔn)備不同復(fù)合層數(shù)的3D 熔噴緩沖材料各3 組；并參照GB/T 24442.1－2009?紡織品壓縮性能的測定 第一部分 恒定法?和GB/T 8167—2008?包裝用緩沖材料動態(tài)壓縮試驗(yàn)方法?，對試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)濕后在加載速率為7.5 mm/min 條件下對試樣進(jìn)行靜態(tài)壓縮回彈性能測試。

(1)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

①應(yīng)力—應(yīng)變曲線

通過以下公式(1)、(2)可分別求出試樣的壓縮應(yīng)力和壓縮應(yīng)變，并得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線(σ－ε曲線)。

w為試樣回彈率，%；H0為材料壓縮前的厚度，mm；Hj為材料壓縮后的厚度，mm。

(2)循環(huán)壓縮—回彈試驗(yàn)

對試樣進(jìn)行循環(huán)壓縮—回彈試驗(yàn)，每個試樣循環(huán)加載5 次。 將測試采集得到的載荷—位移數(shù)據(jù)通過計(jì)算與處理繪制循環(huán)壓縮變形曲線、循環(huán)壓縮—回彈曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣厚度分析

參照GB/T 1380－1997 測試標(biāo)準(zhǔn)對試樣進(jìn)行厚度測試，同一試樣選取四個角和中間位置5 個點(diǎn)測試，并取其平均值。 測試樣品的厚度見表1。 由于粘合劑在兩粘合界面之間發(fā)生作用使兩界面間產(chǎn)生相互粘結(jié)力，所以經(jīng)復(fù)合粘合之后的試樣比單一原材料的厚度有略微增加。

表1 試樣厚度及特征參數(shù)

2.2 材料透氣性能分析

不同復(fù)合層數(shù)熔噴聚丙烯非織造材料透氣測試結(jié)果及透氣率變化分別如表2、圖2 所示。 由圖2、表2 可以看出單層熔噴非織造材料的透氣率最高，為2156.59 mm·s－1，隨著復(fù)合層數(shù)的增加，透氣率呈大幅下降趨勢，從6 層到12 層的降幅逐漸減小。 這主要來源于兩方面的原因，一是復(fù)合的層數(shù)越大，也就是厚度越大，層間材料相互作用導(dǎo)致孔隙率的下降；二是粘合劑的作用，上膠量面積越大，材料的孔隙率越小。 因此可以說明材料的層數(shù)(即厚度)、粘合劑上膠方式和上膠量等都會對其透氣性產(chǎn)生影響。

表2 試樣透氣率測試

圖2 不同復(fù)合層數(shù)熔噴PP 非織造材料透氣率變化

2.3 材料頂破性能分析

試樣的頂破性能測試結(jié)果見表3。 由表3 可知，材料的頂破強(qiáng)力隨著層數(shù)的增加不斷增大。 如圖3 所示，不同層數(shù)材料頂破強(qiáng)力的增長幾乎呈正線性增長趨勢，3D 熔噴PP 非織造材料厚度越厚，表明該材料具有越好的頂破性能。 試樣的伸長率較為一致，說明在對材料進(jìn)行粘合時點(diǎn)對點(diǎn)交叉粘合的方式使材料結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

圖3 不同復(fù)合層數(shù)熔噴PP 非織造材料的頂破強(qiáng)力與伸長率的變化

表3 試樣頂破性能測試

2.4 材料拉伸性能分析

試樣的拉伸曲線和結(jié)果見圖4。 由下頁圖5可知，材料的拉伸力隨著層數(shù)的增加不斷增大，且不同層數(shù)材料斷裂強(qiáng)力的增長接近正線性增長趨勢，材料越厚，表明該材料具有越好的力學(xué)性能。如表4 所示，試樣的伸長率保持相對穩(wěn)定在30%左右，說明該緩沖材料具有較為優(yōu)良的抗拉伸性能的同時還具有較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

圖4 不同復(fù)合層數(shù)熔噴PP 非織造材料的拉伸斷裂曲線圖

表4 試樣拉伸性能測試

圖5 不同復(fù)合層數(shù)熔噴PP 非織造材料斷裂強(qiáng)力、伸長率與復(fù)合層數(shù)之間的變化

2.5 材料耐磨性能分析

試樣的耐磨性能測試結(jié)果見表5、圖6。 通過以下公式(4)可分別計(jì)算出試樣的耐磨指數(shù)。

圖6 不同復(fù)合層數(shù)熔噴PP 非織造材料耐磨指數(shù)和質(zhì)量損失率的變化

表5 試樣耐磨性能測試

Ai為耐磨指數(shù)，次/mg；n為總摩擦次數(shù)，次；Δm為試樣在總摩擦次數(shù)下的質(zhì)量損失，mg。

由表5、圖6 可以看出單層材料耐磨性較差，在磨損30 個周期就發(fā)生了斷裂，其平均耐磨指數(shù)僅為6.8 次·mg－1，而試樣2＃和3＃經(jīng)750 個周期之后未斷裂，耐磨指數(shù)分別為15.9 次·mg－1、15.8 次·mg－1，且兩種試樣的質(zhì)量損失率相差較小，說明當(dāng)復(fù)合層數(shù)≥2 時對材料的耐磨性能影響較小，因此對于>3 層的復(fù)合材料的耐磨測試對其性能沒有影響。

2.6 材料靜態(tài)壓縮回彈性能分析

(1)σ－ε曲線、回彈率曲線

通過處理得到不同厚度試樣的σ－ε曲線、回彈率曲線如下，分別如圖7、8 所示。 如圖7，在應(yīng)變值一定時，9 層復(fù)合熔噴緩沖材料所受應(yīng)力值最小，6 層材料應(yīng)力值最大。 如圖8 所示，可以看出隨著緩沖材料復(fù)合層數(shù)的增加，材料的回彈率總體呈上升趨勢，緩沖性能較好。 9 層材料回彈率稍低于6 層材料可以歸因于粘合劑的上膠量及點(diǎn)膠不勻等所帶來的影響。

圖7 不同復(fù)合層數(shù)熔噴PP 非織造材料的σ－ε 曲線

圖8 不同復(fù)合層數(shù)熔噴PP 非織造材料的回彈率曲線

(2)循環(huán)壓縮變形曲線

通過上述測試，選取復(fù)合層數(shù)為6 的材料進(jìn)行壓縮回彈測試，試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線如下頁圖9 所示。 該3D 緩沖材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，壓縮后可較為快速地回彈。 由于熔噴聚丙烯非織造材料本身的非線性特性，該緩沖材料在循環(huán)壓縮下其加載曲線和回彈曲線不互相重合，同時因緩沖材料的變形損傷使其回彈時無法回復(fù)到原點(diǎn)，無法形成密閉滯回環(huán)[21]。 總體上，該緩沖材料經(jīng)多次循環(huán)壓縮后，最大應(yīng)力基本保持，未產(chǎn)生很明顯的塑性形變。

圖9 6 層的熔噴PP 非織造材料的循環(huán)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

(3)循環(huán)壓縮—回彈曲線

試樣循環(huán)壓縮—回彈曲線如圖10 所示。 由圖可知，試樣在經(jīng)過5 次循環(huán)壓縮—回彈測試過程中造成了一部分變形損傷導(dǎo)致變形無法恢復(fù)，仍具有較好的回彈性，說明該材料結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定且具有良好的緩沖性能。

圖10 6 層的熔噴PP 非織造材料的循環(huán)壓縮—回彈曲線

3 結(jié)論

為了評價3D 熔噴聚丙烯材料的緩沖性能，本文以聚丙烯為基材與粘合劑進(jìn)行復(fù)合，制備3D 熔噴緩沖非織造材料，并對多種厚度的3D 熔噴非織造材料進(jìn)行力學(xué)及循環(huán)壓縮試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果表明，3D 熔噴緩沖材料的厚度對其緩沖性能有一定的影響。

(1)試樣厚度越大，層間材料相互作用導(dǎo)致孔隙率的下降，直接影響了試樣的透氣性能。

(2)試樣的頂破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力隨厚度的增加而增大，且?guī)缀醭收€性增長趨勢，材料越厚，表明該材料具有越好的力學(xué)性能，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(3)試樣在壓縮測試中，厚度越大，其抗壓性能越差，更易產(chǎn)生塑性變形，但其對試樣的彈性回復(fù)變形影響較?。谎h(huán)壓縮結(jié)果顯示試樣三維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，壓縮后可較為快速地回彈，未產(chǎn)生很明顯的塑性形變，具有較好的靜態(tài)緩沖性能。