熱軋工藝對紡粘熱軋非織造布力學(xué)性能的影響

張月慶 錢曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院非織造材料與工程系，天津，300160)

熱軋工藝對紡粘熱軋非織造布力學(xué)性能的影響

張月慶 錢曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院非織造材料與工程系，天津，300160)

分析了聚丙烯紡粘熱軋非織造布的熱軋黏合機理，其結(jié)構(gòu)可以用薄膜區(qū)—纖維區(qū)兩相結(jié)構(gòu)來描述。研究了熱軋工藝對紡粘熱軋非織造布力學(xué)性能的影響。在面密度一定的條件下，提高軋棍溫度有利于增加薄型紡粘法非織造布的強力;在其他條件不變的情況下，提高軋棍壓力有助于改善非織造布的力學(xué)性能，而提高軋棍線速度則會使非織造布強力下降;在生產(chǎn)高面密度非織造布時，為保持軋棍一定的線速度，可調(diào)整軋棍的溫度和壓力參數(shù)作為補償，以保證非織造布強力穩(wěn)定。

紡粘法非織造布，熱軋工藝，力學(xué)性能

面密度小于100 g/m2的紡粘法非織造布普遍采用熱軋工藝加固。用紡粘法制得的纖網(wǎng)經(jīng)過合適的熱軋工藝處理，制得的非織造布可達(dá)到使用所要求的強度和獲得所需的花紋。熱軋工藝和熱軋黏合結(jié)構(gòu)對非織造布的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

1 熱軋黏合

1.1 機理

熱軋非織造布分為點黏合、面黏合和表面黏合三種熱軋黏合方式。點黏合是采用刻花輥/光輥組合，當(dāng)纖網(wǎng)通過時在凸軋點處纖維產(chǎn)生熔融黏合，該黏合方式常用于制造薄型非織造布;面黏合是采用光輥/光輥組合，熱軋黏合時在纖維交叉點處產(chǎn)生黏合，面黏合非織造布的黏合點多，產(chǎn)品密實發(fā)硬，表面光滑平整;表面黏合是采用光輥/棉輥(在鋼輥上包纏一層厚棉布)組合，在熱軋黏合時能形成單面的表面黏合，只有靠光輥一面的纖維產(chǎn)生黏合。

熱軋黏合主要是利用熱塑性合成纖維的特性，通過一對加熱鋼輥，在兩軋輥鉗口組成熱軋黏合區(qū)，對喂入的纖網(wǎng)進(jìn)行加熱加壓，纖網(wǎng)的厚度和密度發(fā)生變化，使熱傳導(dǎo)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致纖網(wǎng)中部分纖維熔融、流動和擴(kuò)散，從而產(chǎn)生黏結(jié)，冷卻后加固的纖網(wǎng)就是熱軋非織造布。

當(dāng)纖網(wǎng)在室溫的條件下進(jìn)入由熱軋輥鉗口組成的熱軋黏合區(qū)時，熱傳遞使纖網(wǎng)發(fā)生很多物理變化。由于軋輥表面的溫度較高，軋輥表面的熱量流向纖網(wǎng)表層，并逐漸傳遞到纖網(wǎng)內(nèi)部。在熱傳遞的同時，纖網(wǎng)受軋輥軋壓厚度變薄，密度變大。形變熱是向纖網(wǎng)提供熱量的另外一個重要來源，由于兩軋輥間的壓力，使喂入到鉗口處的纖維高分子產(chǎn)生宏觀放熱效應(yīng)，并且纖網(wǎng)在鉗口處的停留時間很短，這也加劇了纖網(wǎng)溫度進(jìn)一步上升。由于存在Clapeyron效應(yīng)，高聚物分子熔融所需的熱量在受壓時遠(yuǎn)比在常壓下多［壓力使聚丙烯纖維熔融溫度增加值約為 30 ～40 ℃/(100 MPa)［1］］，所以熔融高聚物的流動以及向相鄰纖維表面的擴(kuò)散，使纖維間形成良好的黏合。當(dāng)纖網(wǎng)經(jīng)過黏合并冷卻后，轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽绶€(wěn)定的結(jié)構(gòu)［2］，即熱軋黏合結(jié)構(gòu)。

由于軋輥壓力是在兩端施加的，鋼輥會產(chǎn)生一定的彎曲變形，所以在壓力作用下，軋輥間的接觸區(qū)域不是一條直線，而是具有一定寬度的接觸區(qū)。機幅越寬，接觸區(qū)寬度也越大。設(shè)纖網(wǎng)停留在接觸區(qū)的時間為t、與接觸區(qū)的寬度為h、纖網(wǎng)經(jīng)過軋輥表面的線速度為v，則三者之間存在以下關(guān)系:

1.2 結(jié)構(gòu)描述

通過電鏡觀察花紋輥熱軋非織造布的結(jié)構(gòu)，可看到黏合結(jié)構(gòu)分為規(guī)則形狀的薄膜區(qū)以及纖維區(qū)兩種結(jié)構(gòu)［3］，因此花紋輥熱軋非織造布的結(jié)構(gòu)可用薄膜區(qū)—纖維區(qū)兩相結(jié)構(gòu)模型描述。花紋輥的凸起部分形成黏合結(jié)構(gòu)的薄膜區(qū)，纖維區(qū)則對應(yīng)花紋輥的凹進(jìn)部分。鉗口處的加熱加壓以及剪切力的作用使纖維在凸起部分熔融流動，形成薄膜;而沒有被熔融的那部分纖維則形成了纖維區(qū)，該部分纖維基本上保持了原有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。熱軋工藝條件決定了薄膜區(qū)的黏合效果，一根纖維至少要穿越兩個薄膜區(qū)才可以更好地承擔(dān)負(fù)荷，從而形成良好的黏合結(jié)構(gòu)，因此軋輥的花紋尺寸、排列和幾何形狀關(guān)乎到產(chǎn)品的強力和柔軟性。

2 試驗部分

2.1 試驗準(zhǔn)備

原料:上海賽科公司S2040聚丙烯;

設(shè)備:國產(chǎn)紡粘生產(chǎn)線，幅寬3.2 m，纖網(wǎng)經(jīng)一對鋼輥進(jìn)行熱軋，上輥為花輥，下輥為光輥，采用導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱;

儀器:YG028型電子萬能材料試驗機，測試樣品拉伸性能，夾持距離200 mm，拉伸速度100 mm/min，試樣寬度5 cm。

2.2 試驗方案

在廠房設(shè)備和產(chǎn)品面密度一定的條件下，軋輥溫度、軋輥線速度和軋輥壓力是影響熱軋黏合非織造布性能的主要因素。試驗以16 g/m2聚丙烯紡粘法非織造布為樣本，探討軋輥的溫度、線速度和壓力三個指標(biāo)對非織造布縱橫向強力的影響。測試在不同熱軋條件下所制樣品的強力，其中軋輥壓力是在軋輥兩端施加的，軋輥會因此產(chǎn)生彎曲變形。本試驗軋輥兩端壓力設(shè)為4.0 MPa，保持不變，通過增壓泵來改變軋輥壓力的大小。試驗參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 試驗參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 軋輥溫度對非織造布性能的影響

圖1是軋輥溫度與聚丙烯紡粘熱軋非織造布縱向力學(xué)性能的關(guān)系曲線。隨著軋輥溫度的升高，樣品的縱向強力和伸長率均增大，主要原因是在試驗工藝范圍內(nèi)，溫度的提高使纖維表面熔融效果改善，增加了纖維間的黏結(jié)牢度。當(dāng)軋輥溫度超過工藝允許的最大值時，會使纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，成為結(jié)晶度和取向度很差的薄膜，這將導(dǎo)致非織造布強力顯著下降。若軋輥溫度偏低，則纖網(wǎng)的黏合不充分，制得的非織造布手感較柔軟并且易彎曲，但其強力降低，同時出現(xiàn)表面起毛現(xiàn)象［4］。

圖1 軋輥溫度與非織造布縱向力學(xué)性能的關(guān)系曲線

聚丙烯的熔點在155～160℃之間，軋輥的表面溫度一般控制在140℃左右。溫度控制不當(dāng)是產(chǎn)生纏輥現(xiàn)象的主要原因。當(dāng)兩個鋼輥溫度過高或溫差過大時都會產(chǎn)生纏輥現(xiàn)象，尤其在光輥溫度高于刻花輥溫度時，更容易導(dǎo)致纏輥的發(fā)生。因此，在生產(chǎn)薄型非織造布時一般使光輥的溫度稍低于刻花輥溫度，可減少纏輥現(xiàn)象，有利于生產(chǎn)的進(jìn)行，且可改善非織造布的手感。

3.2 軋輥壓力對非織造布性能的影響

圖2是軋輥壓力與聚丙烯紡粘熱軋非織造布橫向力學(xué)性能的關(guān)系曲線。隨軋輥壓力的增高樣品的橫向強力和伸長率均增大，這是因為壓力升高有利于軋輥與纖維間接觸熱量的傳遞，熔體的流動和擴(kuò)散狀況改善，使纖維表面熔融黏結(jié)的效果變好。黏合點處的厚度越薄，則非織造布的密度越大，強力也越大。但是過高的軋輥壓力不利于熔體的流動和擴(kuò)散，反而會使非織造布的強力下降。聚丙烯紡粘熱軋非織造布橫向斷裂強度和軋輥壓力存在下列經(jīng)驗關(guān)系［5］:

式中:L——非織造布橫向斷裂強度(kN/cm);

F——單位長度軋輥壓力(N/cm)。

上式表明，隨著軋輥壓力增加非織造布橫向斷裂強度線性增加。軋輥壓力對非織造布強力的影響程度遠(yuǎn)小于軋輥溫度和線速度。

圖2 軋輥壓力與非織造布橫向力學(xué)性能的關(guān)系曲線

另外，在生產(chǎn)低面密度非織造布時，軋輥壓力太高，會造成軋輥上軋點的磨損，不利于纖維的黏合，還會產(chǎn)生纏輥。為了得到性能均一的產(chǎn)品，避免軋輥彎曲造成的壓力不均，適當(dāng)降低軋輥壓力是必要的。

3.3 軋輥線速度對非織造布性能的影響

圖3是軋輥線速度與聚丙烯紡粘熱軋非織造布強力的關(guān)系曲線。當(dāng)溫度不變時，隨著軋輥線速度加快，纖網(wǎng)接收的熱量減少，纖維間的熔融效果變差，會使非織造布強力降低。軋輥的線速度決定了纖網(wǎng)在鉗口區(qū)的停留時間。合理的熱傳遞以及聚合物熔融產(chǎn)生流動和擴(kuò)散的效果是形成良好的黏合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。當(dāng)軋輥線速度增加時，纖網(wǎng)在鉗口處受熱時間減少，有可能使熱軋黏合過程不能充分完成。在軋輥溫度一定和壓力不變的情況下，一般軋輥線速度隨所制產(chǎn)品面密度的增加而減慢。因此，生產(chǎn)高面密度產(chǎn)品時，在一定范圍內(nèi)為保證生產(chǎn)速度不降低，可適當(dāng)提高軋輥溫度和軋輥壓力來彌補速度對熱黏合帶來的影響［5］。

圖3 軋輥線速度與非織造布強力的關(guān)系曲線

有文獻(xiàn)［3］指出，當(dāng)軋輥壓力和線速度不變時，非織造布的強力與軋輥的溫度有近似線性的關(guān)系;而在軋輥壓力和溫度不變時，非織造布的強力與軋輥線速度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。因此，為保證產(chǎn)品強力，在提高軋輥線速度時必須同時提高軋輥的溫度。

4 結(jié)論

(1)熱軋黏合過程是熱學(xué)—力學(xué)機理共同作用的過程，纖網(wǎng)通過熱傳遞和變形熱獲取熱量，并伴隨著高聚物的流動和擴(kuò)散。熱軋黏合結(jié)構(gòu)可以用薄膜區(qū)—纖維區(qū)兩相結(jié)構(gòu)描述。

(2)熱軋非織造布黏合結(jié)構(gòu)中的黏結(jié)點是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。在面密度一定的條件下，提高軋輥溫度能促使高聚物充分軟化、熔融，增加黏結(jié)強度，有助于增加薄型紡粘法非織造布的強力。

(3)在其他條件不變的情況下，提高軋輥壓力有助于改善非織造布的力學(xué)性能，但是其影響有限，過高的壓力會造成軋輥上軋點的磨損和產(chǎn)生纏輥現(xiàn)象。

(4)當(dāng)軋輥溫度和壓力不變時，提高軋輥線速度，非織造布的強力會下降。當(dāng)提高軋輥線速度時，為保證產(chǎn)品性能，可通過溫度和壓力補償來維持產(chǎn)品強力的穩(wěn)定。

［1］儲才元，李作攀.熱黏合非織造布的工藝參數(shù)及其性能模擬測試［J］.非織造布，1998(l):39-43.

［2］HIKARY R.Thermal bonding of nonwoven fabrics［J］.Textile Progress，1995(2):1-23.

［3］趙廣興，嚴(yán)灝景.熱軋非織造布黏合結(jié)構(gòu)的形成［J］.中國紡織大學(xué)學(xué)報.1992(6):3-6.

［4］張琳芳，周予生.熱軋機紡粘法生產(chǎn)非織造布的工藝分析與研究［J］.河南紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2003(2):42-45.

［5］周宏暉，高興元.熱軋點黏合薄型聚酯非織造黏合襯基布的研制［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2002(4):13-15.

The influence of thermal bonding technique on mechanical performance of spunbonded nonwovens

Zhang Yueqing，Qian Xiaoming
(Department of Nonwovens，The Tianjin Polytechnic University)

The thermal bonding mechanism of PP spunbonded nonwovens was analyzed and their structure could be demonstrated by two phases of film area and fiber area.The influence of thermal bonding technique on mechanical property of spunbonded nonwovens was studied in the paper.Under the condition of the certain area density，enhancement of calendar pressure could help to improve the mechanical property of the nonwovens，and enhancement of linen speed could make strength of the nonwovens decrease.While manufacture nonwovens of high area density，in order to maintain the certain linen speed the temperature and pressure parameter could be adjusted as compensation to guarantee the stabilization of nonwovens strength.

spunbonded nonwovens，thermal bonding technique，mechanical property

TS174.5

A

1004－7093(2011)05－0021－03

2011－02－19

張月慶，男，1983年生，在讀碩士研究生。主要研究方向為功能性非織造材料。