牵伸和热处理对熔喷非织造材料性能的影响

牵伸和热处理对熔喷非织造材料性能的影响

高聚层扫描和非织制工艺是将高聚层从模型的喷丝孔中引入，形成精细的熔融流，通过高速热气流的拉伸形成细纤维，并依靠自身的粘合剂或其他加固方法成为非织造材料。文献[2-3]对熔喷机理进行了研究,并建立了熔喷过程中高聚物射流的模型;文献[4-5]分别通过改变熔喷工艺参数和模头结构,制备了纤维直径为纳米级的熔喷非织造材料,大大提高了熔喷非织造材料的过滤效率;文献[6]研究了不同工艺参数对聚丙烯(PP)熔喷非织造材料厚度、纤维直径、强力等物理和力学性能的影响;文献[7-8]分别研究了热处理温度对PP熔喷材料和PP纺黏/熔喷/纺黏复合熔喷材料性能的影响,但均没有研究在牵伸条件下热处理对其结构和性能的影响;文献[9-10]分别对热牵伸熔喷非织造材料进行了探讨,但是研究不够系统和深入.本文通过自制热处理设备,较为系统地研究了在一定牵伸条件下热处理温度对PP熔喷非织造材料结构和力学性能的影响.1测试1.1试验材料PP熔喷非织造材料(东华大学非织造工程中心制备)的规格如表1所示.1.2牵伸比和加热时间的确定自制的加热牵伸设备简图如图1所示.其中,加热箱的长×宽×高为35cm×20cm×15cm,牵伸辊和喂入辊的直径均为5cm.通过调节喂入辊和牵伸辊的转速来设定牵伸比以及加热时间.本试验中牵伸比为2,加热时间为17s,加热箱的温度由自动温控仪控制.1.3热处理对pp熔喷非织造材料的热处理在不同温度下尝试对熔喷非织造材料进行加热牵伸,发现当加热箱温度达到140℃,PP熔喷非织造材料开始熔融,无法进行正常的热牵伸.因此,设定热处理的温度范围为50~130℃,10℃一个间隔,共9个样品.热处理完成后再进行24h自然冷却,然后进行性能测试分析.1.4pp非织层材料的结构和性能的测试1.4.1样品厚度在标准大气条件下(温度(20±2)℃,相对湿度(65±2)%),采用YG141N型数字式织物厚度仪,压脚大小为25cm1.4.2孔径及分布随试验线的分布采用PMI公司的CFP-1100-AI型孔径测试仪测量试样的孔径.试样先在已知表面张力的润湿剂中充分浸润,然后放入试样室,使气体在压力作用下分别通过试样干态和湿态时的毛细孔,通过计算气体通过试样时的压力和气流变化来计算试样的孔径及其分布1.4.3力学性能测试在标准大气条件下(温度(20±2)℃,相对湿度(65±2)%),采用YG028-500型强力仪测试试样的纵向和横向力学性能.纵向力学性能测试时试样夹持长度和宽度分别为20和5cm,由于布样的宽度有限,横向力学性能测试时试样夹持长度和宽度分别为10和5cm.拉伸速率为100mm/min,每种试样重复测试5次,取平均值.1.4.4熔喷材料的晶粒尺寸将样品剪成粉末状,采用D/max-2550PC型X-射线衍射仪进行广角X-衍射.试验条件为:Cu靶,2θ为5°~60°,扫描速率为12°/min,电压为40kV,电流为200mA.根据Scherrer方程(式(1))计算PP熔喷材料的晶粒尺寸D,本文取2θ为14.1°的最强衍射峰进行计算.式中:K为谢乐常数,取0.9;λ为X衍射波长,取1.54×101.4.5表的形态采用日立TM3000型扫描电子显微镜观察试样的表面形态,加速电压为15kV,试验前对试样进行镀金处理.1.4.6纤维直径测试运用Digimizer软件对试样的SEM(scanningelectronmicroscope)图进行纤维直径的测量,每种试样随机测量50根纤维,并取其平均值.2结果与讨论2.1表观形态的变化在牵伸条件下,经过不同温度热处理后PP熔喷非织造材料的SEM图如图2所示.由图2可以看出,熔喷非织造材料的表观形态发生很大变化:未经热处理的试样,其纤维随机排列;而当热处理温度高于70℃时,纤维沿PP熔喷非织造材料的纵向取向明显提高.因为随热处理温度的上升,纤维之间的黏结点软化,在牵伸的作用下,纤维沿PP熔喷非织造材料纵向方向取向排列,当自然冷却后,黏结点固化,纤维的取向结构得以保存.其原理示意图如图3所示.2.2热处理对pp熔喷非织造材料结晶度的影响图4为PP熔喷非织造材料经过不同温度热处理后的X-衍射图,为了进行对比分析,图中给出了未处理样品的X衍射结果.从图4可以看出,未经热处理与经过不同温度热处理的试样均在2θ为14.1°,16.9°,18.5°及21.9°附近出现对应于α晶型(110)、(040)、(130)、(131)晶面的衍射峰.随温度的升高,没有出现其他晶型的特征峰,因此热处理没有改变试样的结晶晶型结构.此外可以发现,随热处理温度的上升,PP熔喷非织造材料的衍射峰开始变得尖锐,说明α晶型变得更加完善.PP熔喷材料纤维的结晶度和(110)晶面方向上的晶粒尺寸随热处理温度的变化如图5所示.经测试与计算,原布纤维的结晶度为35.6%,晶粒尺寸为13.07nm.从图5可以看出,随热处理温度的提高,PP熔喷非织造材料纤维的结晶度增大,当热处理温度为130℃时,结晶度最高,提高了29.8%,同时晶粒尺寸也随之增大,到130℃时增加了50%.这是由于热处理温度升高,PP分子链运动能力增强,部分无定形区的分子链发生重排而形成结晶结构,同时PP中小晶体和不完整的晶体熔点较低,可以发生熔融再结晶,从而使纤维的结晶度提高,晶粒尺寸增大,结晶结构更完善.据文献[7]报道,PP熔喷非织造材料在130℃下经过简单热处理后,其结晶度只达到43.4%,而本文试样在相同温度下经过17s热处理后结晶度达到46.2%.这可能是因为牵伸条件下的热处理更有利于纤维中大分子链的取向和规整排列,从而提高了结晶度.2.3热处理对pp熔喷非织造材料力学性能的影响由于熔喷非织造材料中的纤维没有经过充分牵伸,纤维的结晶度以及取向度低,结晶不完善,因此导致熔喷材料强力低.经测试,未经处理的PP熔喷非织造材料的纵向拉伸强力只有12.6N,在一定牵伸条件下,对PP熔喷非织造材料进行不同温度的热处理,然后测试其纵向强力和断裂伸长率,测试结果如图6所示.由图6可知,在牵伸条件下,随热处理温度的升高,样品纵向强力逐渐提高,在130℃时达到最大,强力提高了45.2%.可能由于随热处理温度的上升,纤维之间的黏结点逐渐软化,在牵伸作用下,大量纤维沿纵向受力并重新取向.冷却后,纤维间黏结点固化,纤维整体的取向结构得以保持,使沿纵向单位宽度上承受拉力的纤维增多,因而纵向强力大幅度提高,到70℃时纤维总体的取向基本达到最大,此时强力提高了28.6%.在70℃之后,随温度的上升,强力总体呈上升趋势,主要原因是结晶度的增高以及结晶结构的完善,使熔喷非织造材料中单根纤维的强力有所提升,从而提高了整个非织造材料的强力.在文献[7]研究中,热处理后PP熔喷非织造材料的强力变化不大,效果最好的只提高了16%,远小于本试验的效果.这是由于牵伸条件下的热处理不仅可以提高纤维结晶度,完善其结晶结构,同时可以使PP熔喷非织造材料中大量纤维沿纵向排列取向.因此,经过牵伸条件下的热处理后,试样的断裂强力增加幅度要远大于仅仅通过热处理的试样.从图6还可以看出,在一定牵伸条件下,随热处理温度的提高,断裂伸长率逐渐下降,在130℃时达到最低,下降了66.2%,其中在50~70℃,断裂伸长率迅速下降,到70℃时下降了39.0%.因为在温度50~70℃区间,在牵伸外力作用下,大量纤维迅速沿PP熔喷非织造材料纵向进行取向排列,从而导致了断裂伸长率的大幅度下降.从70℃开始,断裂伸长率随温度的提高逐渐降低,这可能是由于随温度的升高,熔喷非织造材料纤维的结晶度和晶粒尺寸不断提高,纤维变脆.图7为不同热处理温度下试样的横向强力和断裂伸长率的变化规律图.原布的横向强力和断裂伸长率分别为9.29N和35.2%.从图7可以看出,随温度的升高,试样横向强力总体呈下降趋势,130℃时急剧下降了53.5%.因为经过牵伸条件下的热处理后,大量纤维沿纵向取向排列,横向排列纤维相对减少,因此强力呈下降趋势.从图7还可以看出,试样横向断裂伸长率随热处理温度升高先增大后减小,80℃时横向断裂伸长率提高了57.4%.由于随着温度的升高,熔喷非织造材料纤维的结晶度和晶粒尺寸不断提高,当结晶度和晶粒尺寸过大时,纤维变脆,在80℃以上时非织造材料的断裂伸长率反而下降.另外,当热处理温度为50~80℃时,试样的横向断裂伸长率不断增加,强力也略有增加.这可能是由于较低温度下的热处理提高了熔喷非织造材料的结构均匀性,减少了材料中的缺陷,从而使拉伸性能变好.不过,具体原因有待进一步研究.2.4热处理对pp熔喷非织造材料纤网结构的影响由于130℃热处理后的试样具有最大的纵向强力,因此,选择该试样与原样进行对比来研究热处理对PP熔喷非织造材料纤网结构的影响,结果如表2所示.从表2可以看出,纤维直径有略微的波动,这是由于熔喷工艺是一个非稳态的过程,纤维直径不均匀,同时考虑到试验的误差,可以认为牵伸条件下的热处理并不会改变PP熔喷非织造材料中纤维的粗细.此外,经过热处理后,试样的厚度和面密度均有所上升,分别增长了28.6%和9.8%,这是由于加热条件下的牵伸作用会使纤维沿纵向紧密排列,试样变窄(如图3所示),使试样的厚度和面密度增大.经过热处理后,试样的平均孔径增大了34.6%,虽然经过热处理可以使纤维沿纵向紧密排列,但由于所选试样面密度较小,牵伸时易形成大孔,导致平均孔径增大,同时从最大孔径的变化也可以看出,纤网的结构并没有发生破坏.总体而言,经过热处理后纤网的结构没有发生很大的变化,说明牵伸热处理不破坏熔喷非织造材料的纤网结构.3热处理对pp熔喷非织造材料力学性能的影响(1)采用自制的热处理设备,在一定牵伸条件下对PP熔喷非织造材料进行不同温度的热处理,结果发现,随热处理温度的升高,PP熔喷非织造材料的结构发生变化:其纤维晶粒尺寸增大、结晶度提高、结晶结构完善;同时,纤维间黏结点软化,在牵伸作用下会使大量纤维沿PP熔喷非织造材料纵向进行取向排列,自然冷却后,纤维间黏结点固结,纤维整体的取向结构得以保存.(2)PP熔喷非织造材料结构的变化导致了其力学性能的变化.由于纤维沿PP熔