玻璃纖維增強PP熔噴無紡布復合面料的開發

陳海英，張才前，蘇張蕓，施晨艷

(紹興文理學院元培學院，浙江 紹興 312000)

玻璃纖維增強PP熔噴無紡布復合面料的開發

陳海英，張才前，蘇張蕓，施晨艷

(紹興文理學院元培學院，浙江 紹興 312000)

使用OP- 450GS開邊式粘合機，采用玻璃纖維長絲在不同粘合溫度、粘合機壓力、粘合速度條件下與聚丙烯(PP)熔噴無紡布進行復合，制備了玻璃纖維增強PP無紡布復合面料，以改善PP熔噴無紡布面料的力學性能及其耐久性。結果表明：最佳復合工藝為粘合溫度130 ℃、粘合速度9 cm/s、粘合機壓力1.5 MPa、玻璃纖維卷繞密度200根/m；在較佳復合工藝條件下，復合面料的縱向斷裂強力為452.48 N，頂破強力為86.35 N，厚度為0.336 mm；復合面料的界面結合力大于PP熔噴無紡布中纖維之間的結合力，玻璃纖維顯著增強了復合面料的力學性能。

聚丙烯纖維 熔噴無紡布 玻璃纖維 增強 粘合 復合面料 斷裂強力

聚丙烯(PP)增強復合材料的制備方法可分為釜內聚合法[1]和機械共混法[2]。釜內聚合法是指在反應器中將均聚PP與烯烴或其他單體、催化劑等進行共聚，生成丙烯烯烴共聚物或其他共聚物的過程。該方法可賦予復合材料良好的低溫性能，但是對復合材料機械性能、熱穩定性、功能性方面提升效果不佳。相比釜內聚合法，機械共混法對復合條件要求低，也可有效地提升PP材料的機械性能、熱穩定性。在PP中加入玻璃粉體或短切纖維[3]、陶瓷粉[4-7]、木粉、竹粉等[8]，通過擠出機充分混合進行熔融共混改性[9]即可制得PP增強復合材料，且制備的復合產品綜合了各組分的性能，有效提高了復合材料的韌性和強度以及相關的功能，可極大拓展PP纖維的應用。

玻璃纖維長度、含量、分布狀態及界面結合方式對PP材料增強機制有所不同。黃蓉等[10]將玻璃纖維與PP長絲通過針織橫機制成織物預制件,并通過熱壓成型制得復合材料；劉雙雙等[11]以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強纖維,PP纖維為基體纖維,利用包纏技術制得復合線,織造平紋組織預制件,采用直接熱壓成型工藝制備PP纖維基增強機織復合材料,并對復合材料的成型工藝進行了優化設計；邵帥[12]以復合加工方式制成玻璃纖維增強PP復合材料，得出纖維用量與復合材料的綜合強度有緊密關系。以往的研究多是通過紗線、針織或復合等方法制成各類材料，獲得較好的PP纖維增強產品。作者在前述研究基礎上，利用高強度玻璃纖維長絲為增強體，通過熱定型工藝與PP熔噴無紡布復合，開發出新型PP復合面料。

1 實驗

1.1 原料及儀器設備

PP熔噴無紡布：面密度50 g/m2，紹興聚能新材料科技有限公司產；玻璃纖維長絲：直徑8 μm，3 000根/股，杭州泰克斯太爾復合材料有限公司產。

OP- 450GS粘合機：臺灣寶宇機械股份有限公司制；YG003A型電子單纖維強力機、YG(B)141D數字式織物厚度儀、YG(B)026H型電子織物強力機：溫州大榮紡織儀器有限公司制。

1.2 復合方法

PP無紡布熔點低，加熱后可發生軟化及部分熔融，溫度降低后，PP材料凝固，可形成復合材料。將玻璃纖維長絲以一定密度以整經工藝卷繞到織布軸上，然后將織布軸與PP熔噴無紡布以相同速度退繞到OP- 450GS面料粘合機傳送帶上，調節OP- 450GS面料粘合機的工藝參數，包括粘合時間、粘合溫度、粘合壓力及璃纖維長絲在織布軸上的卷繞密度，確定最優復合工藝，制備多款PP纖維復合面料。

1.3 分析與測試

界面結合力：設計微球抽拔實驗測試玻璃纖維與PP纖維面料界面結合力。實驗制樣時，從PP熔噴無紡布中扯出纖維，在玻璃纖維單纖維上打結，置于鼓風烘箱中加熱至PP纖維熔融，在玻璃纖維表面形成規整的圓形微球。采用YG003A型電子單纖維強力機測試玻璃纖維從微球中抽拔強力，用細鉗口卡住PP微球，氣動夾加持伸出微球的玻璃纖維一端，拉伸氣動夾，將玻璃纖維從微球中拉出，測試其界面張力。

力學性能：依據標準GB/T 24218.3—2010《紡織品非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，采用YG026H型織物強力機測試復合面料拉伸性能，每個試樣測試5次，取平均值；依據標準GB/T 19976—2005《紡織品頂破強力的測定(鋼球法)》，采用YG(B)026H型電子織物強力機在標準大氣中測試各復合面料頂破性能，每個試樣測試5次，取平均值；依據標準FZ/T 98009—2011《電子單纖維強力儀》，采用YG003A型電子單纖維強力機測試玻璃纖維強度，每個試樣測試50次，取其平均值。

厚度：依據標準GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，采用YG(B)141D數字式織物厚度儀測試復合材料厚度，選擇5個不同位置的測試點進行測試，取平均值，實驗環境溫度為(20±2)℃，相對濕度(65±5)%。

剝離強度：依據標準FZ/T 01085—2000《熱熔粘合襯布剝離強力測試方法》，采用YG(B) 026H型電子織物強力機對面料剝離強力進行測試，各試樣測試5次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 粘合溫度

在保證無紡布基本外觀性能基礎上，粘合溫度可選擇略高的溫度，以提升產品粘合性能。對粘合溫度單因素分析時，先固定粘合機壓力1.5 MPa，粘合速度5 cm/s，玻璃纖維長絲卷繞密度100根/m，粘合溫度從140 ℃開始進行實驗，每一次減5 ℃，直至產品無法粘合為止。實驗時復合面料上下層為PP熔噴無紡布，中間為玻璃纖維長絲，在不同溫度下，各復合面料外觀照片如圖1所示。

圖1 不同粘合溫度下復合面料外觀照片Fig.1 Appearance images of composite fabric at different bonding temperatures

由圖1可知，復合面料粘合溫度選擇140 ℃與135 ℃時，面料表面發生熔融，部分脆裂，說明粘合溫度過高，粘合溫度在125，130 ℃時，復合面料沒有明顯熔融現象，說明在這個溫度范圍內，粘合溫度對復合面料表面影響不大，但在粘合溫度為125 ℃時，復合面料中間玻璃纖維出現粘結不好的情況，部分纖維滑出，說明粘合溫度過低，因此最佳粘合溫度為130 ℃。

2.2 粘合速度

粘合速度對復合面料性能影響較大，粘合速度過大，面料粘合受熱和受壓時間過短，面料粘合效果不好，易出現復合面料各層分離現象；粘合速度過小，面料粘合時間長，受熱和受壓時間長，特別是受壓時間長，導致復合面料厚度偏小，影響PP熔噴面料的孔隙率及使用效果。因此選擇合適的粘合速度，保證面料較好復合效果的前提下，復合面料厚度越大越好。由表1可知：隨著面料粘合速度增大，面料厚度也越來越大，保證面料較好的復合效果前提下，復合面料粘合速度越大越好；在粘合速度大于等于10 cm/s時，復合面料剝離強力都小于150 N/m，在粘合速度小于10 cm/s時，復合面料剝離強力都大于175 N/m，且粘合速度對其剝離強力影響規律不顯著，呈上下波動趨勢，即當粘合速度小于10 cm/s時，減小粘合速度不會顯著提升復合面料的剝離強度。因此在保證面料剝離強力大于175 N/m時，可選擇厚度略大的面料復合工藝，即當粘合速度為8 cm/s或9 cm/s時，復合面料厚度大于0.33 mm，可認為此時為最佳粘合速度。

表1 粘合速度對復合面料厚度及剝離強力的影響

注：固定粘合機粘合溫度130 ℃，壓力1.5 MPa，玻璃纖維卷繞密度100根/m。

2.3 粘合機壓力

OP- 450GS面料粘合機壓力有3檔，分別是0.5，1.0，1.5 MPa。固定粘合機粘合溫度130 ℃，玻璃纖維卷繞密度100根/m，粘合速度9 cm/s，在不同壓力下進行實驗，得到各復合面料的性能。由表2可知，隨著壓力增大，面料厚度越來越小，剝離強力越來越大，當壓力為1.0 MPa和1.5 MPa時，面料剝離強力超過150 N/m，可認為這兩個檔位的壓力是適合的。

表2 壓力對復合面料厚度及剝離強力的影響

2.4 工藝優選

目前未確定的影響面料復合效果的因素有粘合速度、粘合機壓力和玻璃纖維卷繞密度，玻璃纖維卷繞密度初定為200根/m和100根/m，為了獲得最佳工藝參數，在粘合溫度130 ℃條件下，對3個未確定因素設計2水平正交實驗，即L4(32)正交實驗，同時增加不添加玻璃纖維的空白樣作為對比，正交實驗見表3，不同復合工藝條件下制備的復合面料的性能見表4。

表3 正交實驗

表4 復合面料性能

由表4可知，各復合面料的斷裂強力和頂破強力呈現比較一致的變化趨勢，即從大到小排序為2#，3#，1#，4#，5#，主要原因是5#復合面料中沒有添加玻璃纖維，斷裂強力和頂破強力最小，玻璃纖維添加量較少的1#和4#力學性能居中，2#和3#玻璃纖維添加量最多，力學性能最好。因此玻璃纖維添加量是影響復合面料的斷裂強力和頂破強力最主要因素，2#和3#面料斷裂強力超過450 N，基本達到常規機織面料的力學性能，因此可選擇卷繞密度200根/m作為最佳工藝。由厚度因素看，各面料厚度都大于0.33 mm，5#面料厚度最小，主要原因是沒有添加玻璃纖維，影響了復合產品總厚度；2#面料厚度僅略小于3#面料，但總體力學性能較3#面料好，因此可認為2#面料的工藝最佳。即最佳復合工藝為粘合溫度130 ℃、粘合速度9 cm/s、粘合機壓力1.5 MPa、玻璃纖維卷繞密度200根/m。

2.5 復合面料界面結合力

采用YG003A型電子單纖維強力機分別測試玻璃纖維長絲和PP纖維強度，得到玻璃纖維長絲平均強度為23 136.5 MPa，PP纖維平均強度為233.7 MPa。對玻璃纖維單絲抽拔強度進行測試，得到其平均強度為32.6 MPa。將兩根PP纖維打結后，測得其平均強度為0.127 MPa，該數值可認為是PP纖維之間的纖維抽拔強度，遠小于玻璃纖維單絲從PP纖維中抽拔強度32.6 MPa。復合材料界面結合力雖然遠小于玻璃纖維長絲及PP纖維的強度，但大于PP熔噴無紡布中的纖維之間的結合力[8]，即玻璃纖維長絲對PP復合面料力學性能提升較顯著。

3 結論

a. 復合面料界面結合力大于PP熔噴無紡布中的纖維之間的結合力，玻璃纖維對復合面料力學性能提升較顯著。

b. 復合面料粘合溫度為125～130 ℃時，復合面料表面沒有明顯的熔融現象，可保持復合面料穩定的物理機械性能。

c. 隨著粘合速度增大，復合面料厚度越來越大，粘合速度對其剝離強力影響呈波動趨勢。

d. 隨著粘合壓力增大，面料厚度越來越小，剝離強力越來越大。

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Development of glass fiber reinforced PP melt blown nonwoven composite fabric

Chen Haiying, Zhang Caiqian, Su Zhangyun, Shi Chenyan

(YuanpeiCollegeofShaoxingUniversity,Shaoxin312000)

A glass filament was laminated with polypropylene (PP) melt blown nonwoven to produce a glass fiber reinforced polypropylene (PP) nonwoven composite fabric under different bonding temperature, pressure and speed on an OP-450GS side-open style bonding machine in order to improve the mechanical properties and durability of PP melt blown nonwoven fabric. The results showed that the composited fabric could be produced with the longitudinal breaking strength of 452.48 N, bursting strength of 86.35 N and thickness 0.336 mm under the optimal laminating process conditions of bonding temperature 130 ℃, speed 9 cm/s and pressure 1.5 MPa and winding density 200 glass fiber per meter; and the composite fabric possessed the interface binding force higher than PP melt blown nonwoven, which indicated that the glass filament considerably enhanced the mechanical properties of the composite fabric.

polypropylene fiber; melt blown nonwoven; glass fiber; reinforcement; bonding; composite fabric; breaking strength

2016- 09-17； 修改稿收到日期：2016-12-18。

陳海英(1990—)，女，講師，從事紡織品設計及檢測方向教學及科研工作。E-mail：362524244@qq.com。

浙江省大學生科技創新項目(2015R428005)；浙江省科技廳國際合作項目(2015C34014)。

TQ342+.85

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1001- 0041(2017)01- 0025- 04