聚丙烯紡粘非織造材料的制備與纖網細觀結構特征

金關秀,應偉偉,雷　新,從明芳,祝成炎

(1.浙江理工大學 材料與紡織學院，杭州　310018；2.浙江工業職業技術學院，浙江紹興　312000)

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聚丙烯紡粘非織造材料的制備與纖網細觀結構特征

金關秀1,2,應偉偉1,雷新1,從明芳1,祝成炎1

(1.浙江理工大學 材料與紡織學院，杭州310018；2.浙江工業職業技術學院，浙江紹興312000)

為探討制備技術參數對聚丙烯紡粘非織造過濾材料細觀結構的影響規律，分別設定網簾頻率為5、6、7、8Hz和9Hz，計量泵頻率為20、22、24、26、28Hz，共制備了9種試樣。采用基平面網特征長度等7個參數對紡粘非織造纖網的細觀結構進行表征并進行測定。結果表明：隨著網簾頻率的提高，基平面網特征長度和層數均呈下降趨勢，平均纖維取向角減小，孔隙率隨之提高，孔徑呈增大趨勢，但孔徑變異系數逐步減小；隨著計量泵頻率的提高，纖維直徑隨之增大，孔隙率下降，孔徑呈減小態勢，但孔徑變異系數增大。對實驗結果進行Boltzmann函數擬合或線性擬合，相關系數達到0.98699～0.99734，顯示有很好的擬合度。

聚丙烯；紡粘非織造材料；細觀結構；網簾頻率；計量泵頻率

空氣過濾在人們的生活和生產中正扮演著越來越重要的角色[1-2]。纖維過濾材料憑借原材料廣、綜合性能優及易于加工等優勢，在空氣過濾材料中占絕大部分，其中非織造材料由于其獨特的三維多孔結構而受到廣泛應用[3-4]。采用不同或相同成網方式的非織造材料進行復合加工制備復合型非織造空氣過濾材料是一條具備綜合優勢的加工途徑[5]，既可獲得優良的過濾效果，其加工過程又相對簡單易行，而且材料的使用壽命較長。非織造過濾材料的性能取決于材料的纖網結構，包括纖維堆砌方式和孔隙結構[6-7]。聚丙烯(PP)紡粘非織造材料機械性能優良、體積密度小、加工流程短，雖較少單獨應用于空氣過濾，但卻是一種綜合性能較好、從某種意義上來說是不可或缺的復合基材[8]，本文對單層PP紡粘非織造材料的細觀結構隨制備技術參數而變化的規律進行探索，為研制高效的復合非織造材料提供理論基礎。

1　實驗部分

1.1原料

紡粘PP切片，熔點162℃，熔融指數30g/10min(常州普萊克紅梅色母料有限公司)。

1.2設備與儀器

HD-SM100型紡粘/熔噴非織造布試樣生產線(煙臺華大科技有限公司)；JSM-5610LV掃描電鏡(日本JEOL公司)；AL204-IC電子天平；YG(B)141D型數字式織物厚度儀；PSM165孔徑測試儀(德國TOPAS公司)。

1.3材料制備

分別設定不同的計量泵頻率(控制計量泵轉速)和網簾頻率(控制網簾速度)進行材料的制備，實驗方案如表1所示。

表1制備實驗方案

試樣編號制備技術參數計量泵頻率/Hz網簾頻率/HzA205B206C207D208E209F227G247H267I287

其它設備工藝條件為：

螺桿擠出機溫度200、210、220、220、220℃(1～5區)；紡絲箱體和紡絲組件溫度均為220℃；側吹風溫度20℃；側吹風頻率28Hz。

由表1中可知制備方案分為兩個組別，其一為計量泵頻率固定而改變網簾頻率，其二為網簾頻率固定而改變計量泵頻率，其中試樣C兼屬兩個組別。

1.4纖網細觀結構的表征與測試

從唯象角度來看，最簡單的纖網具有兩個直徑厚度，由若干相互交叉的纖維所構成，稱為基平面網。非織造布可以看作是由若干個基平面網復合而成的纖維集合體[9-10]。

本文采用基平面網特征長度、基平面網層數、纖維直徑、平均纖維取向角、孔隙率、孔徑以及孔徑變異系數這7個參數對紡粘非織造纖網細觀結構進行表征，計算、測定方法如下。

1.4.1纖維直徑和平均纖維取向角

每個樣品取10個不同部位進行電鏡掃描，獲得相應的10幅SEM圖像，放大倍數為200；例如圖1所示為樣品A的1#SEM圖像，圖像尺寸為400×400像素。采用Image Pro-Plus(IPP)軟件測量不同掃描電鏡圖片中100根纖維的直徑，并求取平均值，記為d(μm)。

圖1　樣品A之1#SEM圖像

本文以平均纖維取向角表征材料中纖維的取向程度。采用IPP軟件測量每個樣品各10幅SEM圖片中所有纖維的取向角(纖維與材料縱向的小于或等于90°的夾角)，求取平均值，記為α。當α=45°時，材料中纖維排列最為雜亂。

1.4.2基平面網特征長度和層數

基平面網特征長度是用于分析研究非織造材料分層細觀結構的重要參數。基平面網特征長度如式(1)計算：

(1)

式(1)中：σ為基平面網特征長度(km/m2)；μ為面密度(g/m2)；t為材料厚度(mm)；ρ為纖維密度(g/cm3)，本文實驗用纖維材料為PP，ρ取值為0.91。

基平面網層數如式(2)計算：

(2)

式(2)中：n為基平面網層數。

則材料單位面積上的纖維總長度如式(3)求取：

l=σ×n

(3)

式(3)中：l為材料單位面積上的纖維總長度。

1.4.3孔隙率

材料孔隙率如式(4)求取：

(4)

式(4)中：λ為孔隙率(%)。

1.4.4孔徑及其變異系數

采用PSM165孔徑測試儀測取樣品的孔徑(記為p)及其標準差，并由此計算孔徑變異系數v。

2　結果與分析

2.1網簾頻率對基平面網特征長度的影響

網簾頻率對PP紡粘非織造材料基平面網特征長度和層數的影響分別如圖2和圖3所示。

圖2　網簾頻率對基平面網特征長度的影響

圖3　網簾頻率對基平面網層數的影響

由圖2和圖3可見，隨著網簾頻率的提高，材料基平面網特征長度和層數均呈減小趨勢，分析認為其原因在于隨著網簾加速，雖然在單位時間內從噴絲板噴出的纖維總量不變，但網簾單位面積上收集到的纖維量(總長度)隨之減少。本文采用origin軟件對基平面網長度實驗結果進行Boltzmann函數擬合，擬合曲線如式(5)：

y=16830.0747+(23018.3203-

16830.0747)/(1+e(x-7.0647)/0.7003)

(5)

相關系數為0.99469，說明有很好的擬合度。對基平面網層數實驗結果進行線性擬合，擬合函數如式(6)：

y=11.4560-0.2900x

(6)

相關系數為0.99650，說明有很好的擬合度。

2.2計量泵頻率對纖維直徑的影響

計量泵頻率對PP紡粘非織造材料纖維直徑的影響如圖4所示。

圖4　計量泵頻率對纖維直徑的影響

由圖4可知，隨著計量泵頻率的增大，纖維直徑的數值呈單調上升態勢，在網簾頻率保持7Hz，而計量泵頻率從20Hz逐步增大至28Hz(級差為2Hz)時，纖維直徑由21.96μm增大至24.67μm，上升幅度為12.34%。分析認為隨著計量泵頻率的增加，PP聚合物擠出量(流量)也隨之增大，則作用在聚合物單位流量上的氣流拉伸力會相應減小，使得拉伸程度降低，從而導致纖維直徑增大。對纖維直徑實驗結果進行Boltzmann函數擬合，擬合曲線如式(7)：

y=25.3620+(4.0685-25.3620)/

(1+e(x-11.8527)/4.9133)

(7)

相關系數為0.99199，說明有很好的擬合度。

2.3網簾頻率對平均纖維取向角的影響

圖5所示為網簾頻率對平均纖維取向角的影響規律。

圖5　網簾頻率對平均纖維取向角的影響

由圖5可知，隨著網簾頻率的提高，平均纖維取向角(α)逐步減小。α值越小，表示材料中纖維整體沿縱向取向的趨勢越明顯。分析認為隨著網簾頻率的增加，纖網鋪網速度的縱向分量也隨之增大，但其橫向分量不變，從而使得整體上纖維逐漸趨于沿縱向排列。對平均纖維取向角實驗結果進行線性擬合，擬合函數如式(8)：

y=51.3278-1.4327x

(8)

相關系數為0.99194，說明有很好的擬合度。

2.4計量泵頻率對孔隙率的影響

圖6所示為材料孔隙率隨計量泵頻率不同而變化的規律。

圖6　計量泵頻率對孔隙率的影響

由圖6可知材料孔隙率隨計量泵頻率的增大而呈下降趨勢。由孔隙率計算式(4)可知，材料孔隙率取決于其面密度、纖維密度和材料厚度這3個因素，而面密度又可換算為材料單位面積上纖維總體積與纖維密度之乘積，結合式(3)可得：

(9)

此外，可將式(2)轉換為：

t=2×n×d

(10)

將式(9)、式(10)代入式(4)，可得：

(11)

另一方面實驗結果顯示，材料的基平面網特征長度σ值在網簾頻率相同而計量泵頻率不同的情況下保持穩定；而當計量泵頻率增加時，纖維直徑d隨之增大(見本文2.2)，從而由式(11)可知材料孔隙率將呈下降趨勢。對孔隙率實驗結果進行線性擬合，擬合函數如式(12)：

y=90.8580-0.4240x

(12)

相關系數為0.99131，說明有很好的擬合度。

2.5網簾頻率對孔隙率的影響

圖7所示為材料孔隙率隨網簾頻率不同而變化的規律。

圖7　網簾頻率對孔隙率的影響

由圖7可知隨著網簾頻率的增大，材料孔隙率呈增大態勢。實驗結果顯示在計量泵頻率相同而網簾頻率不同的情況下纖維直徑的數值保持穩定，而當網簾頻率增加時，材料的基平面網特征長度σ值隨之減小(見本文2.1)，從而由式(11)可知材料孔隙率將增大。對孔隙率實驗結果進行線性擬合，擬合函數如式(13)：

y=73.0350+1.3670x

(13)

相關系數為0.99430，說明有很好的擬合度。

2.6計量泵頻率對孔徑及其變異系數的影響

圖8所示為計量泵頻率對孔徑的影響規律。

圖8　計量泵頻率對孔徑的影響

由圖8可見材料孔徑隨計量泵頻率的增大而呈下降趨勢。分析認為一方面實驗結果顯示材料的基平面網特征長度σ值和層數n在網簾頻率相同而計量泵頻率不同的情況下保持穩定，即材料單位面積上纖維總長度l保持穩定；另一方面計量泵頻率的增加導致纖維直徑的增大。從而使得纖網中各層之間的相互遮蓋程度不斷強化，導致孔徑減小。對孔徑實驗結果進行Boltzmann函數擬合，擬合曲線如式(14)：

y=15.2249+(30.8037-15.2249)/

(1+e(x-24.7162)/1.9149)

(14)

相關系數為0.99734，說明有很好的擬合度。

圖9顯示孔徑變異系數隨計量泵頻率的提高而增大，這是因為隨著計量泵頻率的提高，纖維直徑增大，由此在纖維堆砌過程中形成大孔的幾率增加，從而使得孔徑差異增大。對孔徑變異系數實驗結果進行Boltzmann函數擬合，擬合曲線如式(15)：

y=1533.7750+(54.9965-

1533.7750)/(1+e(x-38.1402)/3.1640)

(15)

相關系數為0.99525，說明有很好的擬合度。

圖9　計量泵頻率對孔徑變異系數的影響

2.7網簾頻率對孔徑及其變異系數的影響

圖10所示為網簾頻率對孔徑的影響規律。

圖10　網簾頻率對孔徑的影響

由圖10可見材料孔徑隨網簾頻率的提高而呈增大趨勢。分析認為實驗結果顯示當網簾頻率增加時，材料的基平面網特征長度和層數均隨之減小，使得纖網單位面積上纖維數量(根數)減少，由此孔隙被進一步分割的趨勢減弱，此外隨著材料中纖維沿縱向取向度的提高使得纖維相互之間兩兩靠攏趨勢加大，由此造成纖網孔徑呈增大態勢。對孔徑實驗結果進行Boltzmann函數擬合，擬合曲線如式(16)：

y=343.1971-(22.3149+

343.1971)/(1+e(x-23.1746)/9.0370)

(16)

相關系數為0.98699，說明有很好的擬合度。

圖11顯示孔徑變異系數隨網簾頻率的提高而減小。分析認為網簾頻率的提高減少了纖維堆積纏結現象的發生，從而使得纖網均勻性提高，導致孔徑變異系數減小。對孔徑變異系數實驗結果進行Boltzmann函數擬合，擬合曲線如式(17)：

y=35.0587+(559.3739-

35.0587)/(1+e(x+0.5922)/2.3749)

(17)

相關系數為0.99642，說明擬合度很好。

圖11　網簾頻率對孔徑變異系數的影響

3　結　論

a)隨著網簾頻率的提高，材料基平面網特征長度和層數均呈下降趨勢；平均纖維取向角逐步減小；孔隙率隨之提高；孔徑呈增大趨勢，但孔徑變異系數逐步減小。

b)隨著計量泵頻率的提高，纖維直徑隨之增大；孔隙率逐步下降；孔徑也呈減小態勢，但孔徑變異系數增大。

c)對上述實驗結果進行Boltzmann函數擬合或線性擬合，相關系數達到0.98699～0.99734，說明有很好的擬合度。

d)研究制備工藝條件對紡粘非織造材料纖網參數的影響規律有助于探明非織造材料細觀結構的形成機理，可為研制具有優良高效低阻性能的非織造過濾材料提供理論依據。

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(責任編輯：許惠兒)

Preparation of Polypropylene Spunbonded Nonwoven Materials and Meso-structure Characteristics of Fibre Web

JINGuanxiu1,2,YINGWeiwei1,LEIXin1,CONGMingfang1,ZHUChengyan1

(College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China;2. Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

To study the influence rule of processing parameters on meso-structure of polypropylene spunbonded nonwoven material, nine samples were prepared by setting the mesh belt frequency to 5, 6, 7, 8Hz, and 9Hz, respectively, and the metering pump frequency to 20, 22, 24, 26Hz, and 28Hz, respectively. The meso-structure of spunbonded nonwoven fiber web was characterized by seven parameters such as the characteristic length of the elemental plane, and these parameters were determined. The results show that when the mesh belt frequency increases, such parameters as the characteristic length of the elemental plane, the number of elemental planes and the mean value of fiber orientation angles decrease, and porosity and the pore size rise, but variable coefficient of pore size gradually decreases. With the increase in the metering pump frequency, the fiber diameter increases and the porosity decreases. Besides, the pore size presents a decreasing trend, but variable coefficient of pore size rises. Boltzmann function fitting or linear fitting was done for the experimental results. The results indicate that correlation coefficient reaches 0.98 699～0.99 734, which shows significant fitting correlation.

polypropylene; spunbonded nonwoven material; meso-structure; mesh belt frequency; metering pump frequency

2015-07-23

浙江省產業紡織材料制備技術研究重點實驗室資助(2012E10010)

金關秀(1962-)，男，副教授，博士研究生，主要從事非織造過濾材料的制備與結構性能。

祝成炎，E-mail：chengyanzhu@126.com

TS174.1

A

1009-265X(2016)05-0015-05