紡粘非織造布制備工藝與性能的關(guān)系

田 偉，雷 新，從明芳，祝成炎

(1.浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，浙江 杭州 310018;2.浙江理工大學(xué)“紡織纖維材料與加工技術(shù)”國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室，浙江 杭州 310018)

工業(yè)的迅速發(fā)展，導(dǎo)致空氣中帶有大量的懸浮顆粒，這些細(xì)小顆粒的存在已嚴(yán)重危害了人們的身體健康。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，人們?nèi)找嬷匾晫Νh(huán)境的保護(hù)，空氣過濾在人們的生活和生產(chǎn)中扮演著極其重要的角色，空氣過濾理論也得到了長足的發(fā)展［1－3］。目前，被人們廣泛使用的纖維過濾材料［4］主要有機(jī)織過濾材料和非織造布過濾材料2大類。非織造布過濾材料是三維纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，過濾效率優(yōu)于機(jī)織過濾材料。過濾材料的結(jié)構(gòu)(包括材料厚度、面密度、纖維直徑、孔隙率)對其透氣性和過濾性能起著決定作用，而決定過濾材料結(jié)構(gòu)的是其生產(chǎn)工藝參數(shù)。

紡粘非織造布［5］是將聚合物擠出、拉伸，形成連續(xù)長絲后鋪設(shè)成網(wǎng)，纖網(wǎng)再經(jīng)過熱粘合而形成的，嚴(yán)玉蓉等［6］申請了PPS紡粘非織造布制備方法的專利。相比于針刺、水刺及針刺與水刺復(fù)合加工工藝，紡粘法非織造布的工藝流程更短、產(chǎn)品力學(xué)性更加優(yōu)良［7］，適用于做過濾材料。本文以聚丙烯為原料，采用紡粘生產(chǎn)工藝，設(shè)置多種工藝參數(shù)，制備紡粘非織造布試樣。通過測試紡粘非織造布的結(jié)構(gòu)參數(shù)和透氣率，并對試樣的表觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，計算其孔隙率，分析工藝參數(shù)與紡粘非織造布結(jié)構(gòu)及性能之間的關(guān)系。

1 紡粘非織造布的制備

1.1 原料

聚丙烯原料由紹興超特合纖有限公司提供，熔融指數(shù)為30g/10 min。

1.2 工藝流程

非織造布試樣制備工藝流程為:切片烘干→切片喂入→熔融擠壓→紡絲→冷卻牽伸→分絲鋪網(wǎng)→纖維加固。

1.3 工藝參數(shù)

制備了30種不同工藝參數(shù)的紡粘非織造布試樣，制備過程中，側(cè)風(fēng)溫度為20℃，側(cè)吹風(fēng)頻率為28 Hz，網(wǎng)下吸風(fēng)頻率為42 Hz。紡粘熱軋工藝中，上輥熱軋溫度為120℃，下輥熱軋溫度為115℃，熱軋壓力7996.8 N，熱軋時間1h。螺桿擠出機(jī)5個區(qū)的溫度分別為200、210、220、220、220 ℃;濾網(wǎng)、紡絲箱體和紡絲組件的溫度均為220℃;計量泵頻率分別為 20、22、24、26、28、30 Hz，并在每種計量泵頻率下分別將網(wǎng)簾頻率設(shè)置為5、6、7、8、9 Hz(網(wǎng)簾頻率和計量泵頻率分別是指控制網(wǎng)簾移動和計量泵的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速)。

試樣照片如圖1所示。觀察圖1可知，制得的紡粘非織造布經(jīng)過熱軋工序后表面有軋點(diǎn)，存在凹凸不平的結(jié)構(gòu)，主要是因為該處纖維融化將周圍纖維黏合，未黏合處保持纖維原有的性狀，這種結(jié)構(gòu)使織物具有很好的柔軟性、透氣性和彈性。

圖1 紡粘非織造布試樣照片F(xiàn)ig.1 Picture of nonwoven sample

2 性能測試

2.1 厚度和面密度測試

厚度測試參考FZ/T 60004—1991《非織造布厚度的測定》，選用YG141N數(shù)字式厚度測試儀測試;面密度測試參考GB/T 4669—2008《紡織品機(jī)織物單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定》，選用XY系列電子天平測試。

為了減小試樣厚度和面密度不均勻造成的測試誤差，對每個試樣均進(jìn)行10次不同位置的測量，再通過計算獲得平均厚度和平均面密度。

2.2 形貌觀察

選用JSM－5610LV掃描電鏡。測試過程中真空度為0.133～13.33 Pa，電壓為0.5～2.0 kV，采用離子濺射法鍍金3～10 min，操作、調(diào)像在真空系統(tǒng)中進(jìn)行。

2.3 纖維直徑測試

纖維直徑的大小及其分布直接影響非織造布孔徑大小和孔徑分布，從而影響材料的過濾性能(過濾效率和過濾阻力)。纖維直徑很難直接測量，本文采用Smile－view軟件對非織造布掃描電鏡拍攝的纖維進(jìn)行直徑測量，得到纖維直徑的大小及其分布。首先對每個試樣中50個不同位置處的纖維直徑進(jìn)行測量，取平均值以減小測試誤差。

2.4 孔隙率的計算

織物的孔隙率愈大，則所含孔隙體積愈多，滲透系數(shù)愈大，通透性愈好［8－9］?？紫堵蕦V材的滲透性能［10］有極大的影響?？紫堵实挠嬎愎綖?/p>

式中:n為孔隙率，%;M為單位面積質(zhì)量，g/m2;ρ為原材料體密度，g/m3，已知丙綸的體密度為0.91 g/cm3;δ為材料厚度，m。

2.5 透氣性測試

非織造布的透氣性能取決于很多因素，包括孔隙結(jié)構(gòu)和流體特性等，一般來說，孔徑尺寸越大，孔隙率越高，透氣性越好。本文參考GB/T 13764—1992《土工布透氣性的測試方法》，采用YG461E－III全自動透氣量儀測定織物的透氣性。對每個試樣均進(jìn)行10次測試，取平均值以減小實(shí)驗誤差。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 工藝參數(shù)對厚度及面密度的影響

測試紡粘非織造布的厚度和面密度，結(jié)果見圖 2、3。

圖2 紡粘非織造布厚度Fig.2 Thicknesses of nonwovens

圖3 紡粘非織造布面密度Fig.3 Planar densities of nonwovens

由圖2、3可以看出，當(dāng)計量泵頻率一定時，網(wǎng)簾頻率增加，織物厚度和面密度減小。當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時，計量泵頻率增加，織物厚度和面密度呈變大的趨勢。因為當(dāng)計量泵頻率一定時，隨網(wǎng)簾頻率增加，纖維鋪疊層數(shù)減小，所以厚度、面密度減小。而當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時，隨著計量泵頻率的增加，單位時間內(nèi)熔體擠出量增加，纖維鋪疊層數(shù)增加，所以厚度和面密度變大。

3.2 計量泵頻率對纖維直徑的影響

纖維直徑的大小直接影響織物孔徑的大小與分布，纖維直徑越大，織物孔徑分布越不均勻，過濾效率相應(yīng)降低。當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時，計量泵頻率與纖維直徑之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 計量泵頻率與纖維直徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between frequency of metering pump and fiber diameter

由圖4可以看出，在網(wǎng)簾頻率一定的條件下，計量泵頻率增加，纖維直徑總體上呈增大趨勢，但當(dāng)計量泵頻率大于22 Hz后，這種變化趨勢并不明顯，甚至發(fā)生波動。說明當(dāng)計量泵頻率增加到一定程度時，熔體輸出量對纖維直徑的影響不顯著。

3.3 工藝參數(shù)對孔隙率的影響

圖5示出紡粘非織造布孔隙率對工藝參數(shù)的變化曲線。

圖5 紡粘非織造布孔隙率變化Fig.5 Porosity changing of nonwovens

從圖5可以看出，計量泵頻率一定時，隨網(wǎng)簾頻率增加，紡粘非織造布孔隙率呈增大趨勢，當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時，隨計量泵頻率的增加，孔隙率呈減小趨勢。因為當(dāng)計量泵頻率一定時，隨網(wǎng)簾頻率增加，單位體積內(nèi)纖維數(shù)量減少，孔隙率相應(yīng)增加。而當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時，隨計量泵頻率的增加，單位時間內(nèi)熔體擠出量增加，單位體積內(nèi)纖維數(shù)量增加，孔隙率相應(yīng)減小。

3.4 孔隙率與透氣性能的關(guān)系

根據(jù)測試結(jié)果，得出紡粘非織造布孔隙率與透氣性能之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 平均透氣率與孔隙率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between air permeability and porosity

由圖6可以看出，紡粘非織造布的透氣率隨試樣孔隙率的增加而增加，且二者呈冪函數(shù)關(guān)系。基于紡粘非織造布孔隙率與工藝參數(shù)及透氣率的關(guān)系，為了在一定程度上提高紡粘非織造布產(chǎn)品的透氣性能，可以嘗試改變工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

1)當(dāng)計量泵頻率一定時，網(wǎng)簾頻率增加，織物厚度、面密度減小;當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時，計量泵頻率增加，織物厚度和面密度呈增加的趨勢。

2)當(dāng)計量泵頻率增加到一定程度時，熔體輸出量將不再對纖維直徑變化產(chǎn)生顯著影響。

3)計量泵頻率一定時，隨網(wǎng)簾頻率增加，紡粘非織造布孔隙率呈增大趨勢;當(dāng)網(wǎng)簾頻率一定時，隨計量泵頻率的增加，孔隙率呈減小趨勢。

4)紡粘非織造布的透氣率隨試樣孔隙率的增加而增加，且二者呈冪函數(shù)關(guān)系。

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