PP/PET針刺過濾材料熱老化性能研究*

胡　爽　　朱　亮　　周淑萍　　張　明　　張如全

武漢紡織大學紡織科學和工程學院， 湖北 武漢 430073

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PP/PET針刺過濾材料熱老化性能研究*

胡爽朱亮周淑萍張明張如全

武漢紡織大學紡織科學和工程學院， 湖北 武漢 430073

摘要：為探索聚丙烯(PP)/聚酯(PET)針刺過濾材料的耐熱老化性能，采用烘箱法對試驗制備的3種PP/PET針刺過濾材料樣品進行不同熱老化溫度和熱老化時間的處理，研究熱老化溫度和熱老化時間對PP/PET針刺過濾材料各項性能的影響。結果表明：隨著熱老化時間的延長和熱老化溫度的升高，PP/PET針刺過濾材料的質量、厚度、斷裂強度降低，尺寸縮??；當熱老化溫度超過120 ℃、熱老化時間超過4.0 h后，熱老化程度明顯加劇。

關鍵詞：PP/PET針刺過濾材料，熱老化時間，熱老化溫度，性能

針刺過濾材料被廣泛應用于冶金、化工、輕工、紡織、制藥、電子、食品、陶瓷等領域，但其熱老化現象較為嚴重。目前，有關針刺過濾材料抗熱老化方面的研究已有實質性的進展，并已取得了一些成果，如使用各種穩定劑、抗氧化劑等[1]，但這些藥劑只能延長針刺過濾材料的使用壽命，不能完全解決針刺過濾材料的熱老化問題，故人們仍對此十分關注與重視[2]。

聚丙烯(PP)纖維具有良好的力學、電絕緣和加工性能，且無毒、價格低廉，是目前產量最大、應用最廣的纖維品種之一，但其耐老化性能差，在紫外光和氧氣的作用下極易老化。聚酯(PET)纖維斷裂強度和彈性模量高，回彈性適中，熱定型性能優異，且耐熱性好，耐光性尚可。因此，研究PP/PET針刺過濾材料的老化行為及其機理，將有助于了解PP/PET針刺過濾材料的老化過程及引起材料老化的關鍵影響因素，并據此提高PP/PET針刺過濾材料的耐老化性能，減少因過濾材料老化而造成的經濟損失[3-5]。

本文采用烘箱法加速老化進程，對PP/PET針刺過濾材料試樣進行熱老化試驗，通過測試試樣處理前后的物理性能，分析試樣性能的變化情況，觀察試樣的外觀變化，了解PP/PET過濾材料的耐熱老化性能。

1試驗

1.1儀器

CP303型電子天平、YG9(B)141D型織物厚度儀、YG065H型電子織物強力機、JXC-K080型烘箱、直尺等。

1.2試樣

將PP纖維和PET纖維分別按照80∶20、70∶30、60∶40的質量配比充分混合后，保持其他工藝參數一致，經開松→梳理→鋪網→預針刺→主針刺(兩次)→成卷等工藝流程后，制備出3種試樣用于本文試驗。其中10 cm×10 cm規格的試樣性能參數見表1。

表1　試樣的性能參數

1.3試驗方法

熱老化試驗是一種人工模擬環境的試驗，其使用熱老化儀器模擬產品在儲存、運輸、使用過程中可能遇到的熱環境，以此探究產品的耐熱老化性能。儀器還具有加速產品熱老化的作用，可大大縮短試驗時間，且試驗結果與現場曝露試驗相似[6]。

本文利用人工模擬環境的試驗方法探究PP/PET 針刺過濾材料的耐熱老化性能。先將制備好的3種試樣分別剪成10 cm×10 cm的小樣布，每種小樣布準備11片。首先，每種試樣各取1片小樣布，測試處理前試樣的質量、厚度、斷裂強度及尺寸；接著，每種試樣取5片小樣布，分別置于80 ℃烘箱內1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 h后取出，測試處理后試樣的質量、厚度、斷裂強度及尺寸；然后，每種試樣各取5片小樣布，分別置于60、80、100、120、140 ℃的烘箱內2.5 h后取出，測試處理后試樣的質量、厚度、斷裂強度及尺寸。利用下式計算試樣的損失率，以評定PP/PET針刺過濾材料的耐熱老化性能：

式中：w——某指標(質量、厚度、斷裂強度、尺寸)的損失率，%；

n1——試樣熱老化處理前，某指標[質量(g)、厚度(mm)、斷裂強度(N/10 cm)、尺寸(mm)]的初始值；

n2——試樣熱老化處理后，某指標[質量(g)、厚度(mm)、斷裂強度(N/10 cm)、尺寸(mm)]的測定值。

2熱老化時間的影響

2.1對質量的影響

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時間與試樣的質量及質量損失率的關系如圖1所示。

圖1　熱老化時間對試樣質量及質量損失率的影響

由圖1可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時間的增加，試樣質量在持續減少。其中，試樣質量在1.0~3.0 h內減少緩慢，3.0 h后試樣質量減少加快，試樣熱老化程度逐漸加大。試樣質量減少的原因，一方面是試樣自身水分蒸發導致質量減少，另一個方面是熱老化過程中材料發生熱氧化反應，試樣內部分子結構遭到破壞，PP/PET針刺過濾材料試樣質量減少。

2.2對厚度的影響

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時間與試樣厚度及厚度損失率的關系如圖2所示。

圖2　熱老化時間對試樣厚度及厚度損失率的影響

由圖2可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時間的增加，PP/PET針刺過濾材料試樣厚度減少較緩慢，厚度損失率緩慢變大，這表明隨著熱老化時間的延長，熱老化影響在逐漸加深。

2.3對斷裂強度的影響

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時間與試樣斷裂強度及斷裂強度損失率的關系如圖3所示。

圖3　熱老化時間對試樣斷裂強度及斷裂強度損失率的影響

由圖3可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時間的延長，試樣的斷裂強度整體呈緩慢下降趨勢。因為隨著熱老化時間的延長，試樣原來的分子結構被破壞，局部區域內高分子鏈的聚集態結構發生改變，PP/PET針刺過濾材料表面結構發生變化，纖維間相對位置也發生了改變。

2.4對尺寸的影響

2.4.1縱向尺寸

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時間與試樣縱向尺寸及縱向尺寸損失率的關系如圖4所示。

圖4　熱老化時間對試樣縱向尺寸及縱向尺寸損失率的影響

由圖4可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時間的延長，試樣縱向尺寸的變化在增大，且4.0 h后的變化更加顯著，這說明熱老化處理4.0 h后的PP/PET針刺過濾材料蠕變緩慢增大。由于聚合物具有黏彈性，其在恒定外力(包括自身質量)作用下，隨著時間的延長，蠕變會逐漸產生，這將導致試樣的縱向尺寸不穩定。一般情況下，含柔性鏈的聚合物抗蠕變能力相對較差，尺寸穩定性差；含剛性鏈的聚合物抗蠕變能力相對較強，尺寸穩定性好。

2.4.2橫向尺寸

相同熱老化溫度(80 ℃)處理下，熱老化時間與試樣橫向尺寸及橫向尺寸損失率的關系如圖5所示。

圖5　熱老化時間對試樣橫向尺寸及橫向尺寸損失率的影響

由圖5可知，在相同的熱老化溫度條件下，隨著熱老化時間的延長，試樣橫向尺寸的變化相對于縱向較顯著。原因在于橫向纖維間抱合力較小，經熱老化處理后纖維間的相對位置發生了變化，故橫向尺寸發生了一定程度的變化；而縱向纖維并列分布，纖維間的相對位置較穩定，故而穩定性優于橫向。

由圖4、圖5知，PET質量配比越大，PP/PET針刺過濾材料尺寸變化損失率越小，尺寸穩定性越好。

3熱老化溫度的影響

3.1對質量的影響

相同熱老化時間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣質量及質量損失率的關系如圖6所示。

圖6　熱老化溫度對試樣質量及質量損失率的影響

由圖6可知，在相同熱老化時間處理條件下，隨著熱老化溫度的升高，試樣的質量在減小，120 ℃之后試樣質量減小更加顯著。這是因為短時間內溫度對試樣的熱老化影響不明顯，但隨著溫度的上升，纖維的聚集態結構發生改變，纖維中結晶解體，取向度下降，相對分子質量下降，最終導致試樣質量減小。

3.2對厚度的影響

相同熱老化時間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣厚度及厚度損失率的關系如圖7所示。

圖7　熱老化溫度對試樣厚度及厚度損失率的影響

由圖7可知，在相同熱老化時間處理下，隨著熱老化溫度的逐漸升高，試樣的厚度在減小，且溫度達120 ℃后試樣厚度減小更加顯著。這是因為，隨著熱老化溫度的升高，纖維大分子鏈斷裂，纖維發生蠕變，纖維間的相對位置發生改變，導致試樣厚度減小。

3.3對斷裂強度的影響

相同熱老化時間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣斷裂強度及斷裂強度損失率的關系如圖8所示。

圖8　熱老化溫度對試樣斷裂強度及斷裂強度損失率的影響

由圖8可知，在相同熱老化時間處理下，隨著熱老化溫度的升高，3種試樣的斷裂強度均呈緩慢減小趨勢。溫度升高，纖維結晶解體，取向度下降，纖維強度下降、延伸性增大、模量降低；較高溫度時，PP纖維發生軟化、熔融；溫度持續升高，纖維大分子熱運動加劇，PP纖維逐漸裂解產生雙鍵，大分子柔曲性提高，分子間結合力削弱，初始模量隨之降低。此外，試樣1的斷裂強度最小，而試樣2、試樣3的斷裂強度明顯高于試樣1，這是因為加入適量PET纖維后，材料的厚度增大，纖維間的抱合力增強，致使材料斷裂強度增大，但當PET纖維質量分數達到一定值后，增加PET纖維含量，材料斷裂強度有所下降。

3.4對尺寸的影響

3.4.1縱向尺寸

相同熱老化時間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣縱向尺寸及縱向尺寸損失率的關系如圖9所示。

圖9　熱老化溫度對試樣縱向尺寸及縱向尺寸損失率的影響

由圖9可知，在相同熱老化時間處理下，隨著熱老化溫度的升高，試樣縱向尺寸逐漸減小，且在100 ℃ 后縱向尺寸減小顯著。這是因為在較高的熱老化溫度下，高分子的分子結構發生變化，大分子鏈蠕變或者滑移，破壞了原來的分子結構。部分大分子產生斷裂，局部區域內高分子鏈的聚集態結構發生改變，纖維晶區的晶格發生變形, 非晶區的分子取向增大, 纖維中的微孔有尺寸增大和數量增多的趨勢，纖維間的相對位置發生變化，材料表面的結構也發生相應改變，故導致試樣尺寸不穩定。

3.4.2橫向尺寸

相同熱老化時間(2.5 h)處理下，熱老化溫度與試樣橫向尺寸及橫向尺寸損失率的關系如圖10所示。

圖10　熱老化溫度對試樣橫向尺寸及橫向尺寸損失率的影響

由圖10可知，在相同熱老化時間處理下，隨著熱老化溫度的升高，試樣的橫向尺寸在減小，特別是100 ℃以后，試樣橫向尺寸減小顯著。究其原因在于，聚合物具有黏彈性，其在熱老化過程中受恒定外力(包括自身質量)作用易產生蠕變，導致纖維之間的相對位置發生改變，加之橫向纖維間的空隙相較于縱向更大，故試樣橫向尺寸更加不穩定。

此外，由圖9和圖10可知，PET質量配比越大，PP/PET針刺過濾材料的尺寸變化損失率越小，尺寸穩定性越好。

4結論

研究了PP/PET針刺過濾材料的耐熱老化性能，通過與熱老化前的PP/PET針刺過濾材料的質量、厚度、斷裂強度、尺寸進行比較和分析，得出：

(1)熱老化時間越長、熱老化溫度越高，PP/PET針刺過濾材料的質量、厚度、斷裂強度及尺寸都會減少；

(2)PP/PET針刺過濾材料中PET的質量配比越大，材料尺寸穩定性越好。

參考文獻

[1] 賀俊淇，薛少林.丙綸抗靜電針刺過濾材料的工藝與性能[J].合成纖維，2013,42(12):43-45.

[2] 付中玉，李麗娟.聚丙烯纖維的拉伸強度和耐光老化性能[J].北京服裝學院學報(自然科學版)，2004,24(4):22-26.

[3] 陳莉，黃垂助.室外環境下滌綸織物的性能變化[J].上海紡織科技，2011,39(5):29-30.

[4] 高洋，蔡志江.靜電紡絲納米纖維在過濾材料中的應用研究進展[J].高分子通報，2013 (12):15-20.

[5] 張寅江，徐小萍，靳向煜，等.基于氙燈氣候日曬下PP與PET熱軋非織造布老化對比分析[J].產業用紡織品，2013,31(7):16-21.

[6] WANG Cheng, LIN Hong, CHEN Yuyue. Study on the preparation of steady-state chitosan nanoparticle as silk-fabric finishing agent [J]. Advanced Material Research, 2011(175/176): 745-749.

Study on thermal aging property of PP/PET needle filter material

HuShuang，ZhuLiang，ZhouShuping，ZhangMing，ZhangRuquan

College of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan 430073, China

Abstract:In order to explore the thermal aging property of the PP/PET needle filter material, three kinds of PP/PET needle filter material samples prepared by experiments were dealed with different thermal aging temperatures and times in the oven, and the effect of thermal aging temperature and time on the properties of PP/PET needle filter material was researched. The results showed that, with the thermal aging time extending and thermal aging temperature increasing, quality, thickness, tensile strength of the PP/PET needle filter material were reduced, and the size also was shorten; and when the thermal aging temperature exceeded 120 ℃ and the thermal aging time exceeded 4.0 h, the degree of thermal aging increased significantly.

Keywords:PP/PET needle filter material, thermal aging temperature, thermal aging time, property

中圖分類號：TS176+.3

文獻標志碼:A

文章編號：1004-7093(2016)01-0020-05

作者簡介：胡爽，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向為功能非織造材料通信作者:張如全，E-mail：zry2010@gmail.com

收稿日期：2015-04-02

* 湖北省自然科學基金重點項目(2013CFA090)；浙江省產業用紡織材料制備技術重點實驗室開發基金項目(2014)