定長熱定型對聚苯硫醚熔噴非織造布性能的影響*

, 羅新

1. 武漢紡織大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430073；2. 四川省紡織科學研究院，四川 成都 610072；3. 應城市天潤產業用布有限公司，湖北 應城 432400

定長熱定型對聚苯硫醚熔噴非織造布性能的影響*

熊思維1嚴珺寶1趙正輝1覃俊2許靜1王樺1,2陸宏3王羅新1

1. 武漢紡織大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430073；2. 四川省紡織科學研究院，四川 成都 610072；3. 應城市天潤產業用布有限公司，湖北 應城 432400

采用不同溫度和時間，對實驗室制備的聚苯硫醚(PPS)熔噴非織造布進行定長熱定型處理，并對處理前后的PPS熔噴非織造布的尺寸穩定性、微觀形貌和拉伸性能進行表征。結果表明：采用不同的熱定型條件，均能獲得尺寸穩定性良好的PPS熔噴非織造布；熱定型后，PPS熔噴非織造布的微觀形貌不發生明顯變化，纖維玻璃化溫度提高，拉伸強度增大，斷裂伸長率下降。

聚苯硫醚，熔噴非織造布，尺寸穩定性，結晶度，玻璃化溫度，拉伸性能

聚苯硫醚(PPS)作為一種高性能聚合物材料，具有力學強度高、耐高溫、耐化學藥品、熱穩定性好等特性，其纖維材料主要用于高溫濾料、特種防護等領域[1-2]。當前，采用熔噴法制備PPS超細纖維備受關注[3]。PPS熔噴超細纖維具有制備成本低和加工過程無污染的優點，其在濾料中的應用可進一步提高過濾精度，有望實現高溫煙塵的超凈排放，對于解決工業PM2.5污染問題具有重要意義。此外，PPS熔噴超細纖維還可用于制備吸油材料、絕緣紙、合成革基布、化工過濾材料等。因此，PPS熔噴超細纖維的相關性能研究對于其應用至關重要[4]。

在合成纖維的制備工藝中，牽伸和熱定型是極為重要的提高纖維性能的兩道工藝。在熔噴法制備PPS超細纖維的過程中，樹脂從噴絲孔擠出后受熱風牽伸，直接落在網簾上成網，完成PPS熔噴超細纖維的成型。熱風牽伸使得PPS熔噴超細纖維存在殘余應力，纖維在實際使用過程中可能會存在尺寸不穩定的問題，因此需對其進行熱定型處理。在現有文獻中，有關纖維熱定型處理的報道很多。熔噴法得到的纖維多為非織造布形式，它由無數纖維無規則地黏合或纏結而成，與單根或單束纖維相比，其結構較為復雜，其熱定型過程并不能與單根或單束纖維相提并論，因此，探究PPS熔噴非織造布的熱定型工藝具有實際意義。

在前期研究基礎上，武漢紡織大學成功制備出PPS熔噴非織造布，并研究了熱壓條件對PPS熔噴非織造布性能的影響。本文以實驗室自制的PPS熔噴非織造布為原料，在不同條件下對其進行定長熱定型處理，并通過掃描電鏡(SEM)分析、X射線衍射(XRD)法和示差掃描量熱(DSC)法及力學性能測試，探索熱定型前后PPS熔噴非織造布的物理性能和結構的變化，以期得到PPS熔噴非織造布的最佳定長熱定型條件，為PPS熔噴非織造布的實際應用提供理論指導。

1 試驗

1.1原料

PPS切片，熔點 285 ℃，由德陽科吉高新材料有限責任公司提供，使用前于140 ℃真空烘箱中干燥24 h。

1.2PPS熔噴非織造布的制備

采用實驗室定制的熔噴試驗機制備PPS熔噴非織造布，如圖1所示[5]。首先，將經過真空干燥的PPS切片由螺桿加熱、熔融、塑化，形成熔體并通過噴絲孔；然后，由噴絲板輸出的PPS初生絲在高速熱空氣的牽伸作用下，沉積于接收器上形成纖網，纖網中的超細纖維通過熱黏合形成非織造布；最后，收卷得到PPS熔噴非織造布。

圖1 熔噴工藝示意

1.3PPS熔噴非織造布的定長熱定型

將制得的PPS熔噴非織造布，分別在不同溫度和時間下進行定長熱定型：

120 ℃，定型時間2.00， 6.00， 10.00， 14.00， 18.00， 20.00 min；

150 ℃，定型時間2.00， 3.00， 4.00， 5.00， 6.00， 7.00 min；

180 ℃，定型時間1.00， 2.00， 3.00， 4.00， 5.00， 6.00 min；

200 ℃，定型時間0.50， 1.00， 2.00， 3.00， 4.00， 5.00 min；

220 ℃，定型時間0.17， 0.50， 1.00， 2.00， 3.00， 4.00 min。

然后，將定長熱定型后的PPS熔噴非織造布裁剪成20 mm×20 mm的樣品，在220 ℃下恒溫放置30.00 min(簡稱“恒溫處理”)，以其不發生收縮為標準，確定不同溫度下的定型時間，以期探索出最佳的定長熱定型工藝。

1.4測試

1.4.1 熱收縮率

觀察恒溫處理前后PPS熔噴非織造布樣品的尺寸變化，計算樣品的熱收縮率(G)：

(1)

式中：S0為PPS熔噴非織造布樣品恒溫處理前的面積，cm2；

S1為PPS熔噴非織造布樣品恒溫處理后的面積，cm2。

1.4.2 形貌觀察

采用日本電子株式會社的JSM-6510LV掃描電子顯微鏡，觀察定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的微觀形貌。

1.4.3 DSC分析

采用德國Netzsch公司的DSC 204F1差示掃描量熱儀，對定長熱定型前后的PPS熔噴非織造布進行DSC分析。溫度范圍為50～300 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.4.4 拉伸性能

將定長熱定型前后的PPS熔噴非織造布裁剪成150 mm×15 mm的樣條，按照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長》的規定，對PPS熔噴非織造布的拉伸強度和斷裂伸長率進行測試。

2 結果與討論

2.1PPS熔噴非織造布的微觀形貌

定長熱定型前后的PPS熔噴非織造布的微觀形貌觀察結果如圖2所示。

(a) 定長熱定型前

(b) 定長熱定型后

從圖2可以觀察到，PPS熔噴非織造布中的纖維較細(其直徑平均約5 μm)，纖維之間無規則地堆疊在一起，形成三維網狀結構，定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的微觀形貌基本一致。

2.2PPS熔噴非織造布的熱收縮性

PPS熔噴非織造布中的纖維經熱風牽伸后，纖維中的分子鏈發生取向，但這種取向結構并不穩定，在較高溫度下高分子鏈會發生解取向，最終會使PPS熔噴非織造布出現明顯收縮，影響制品的實際應用。采用定長熱定型，能促使PPS熔噴非織造布中的纖維趨向熱力學平衡態，確保PPS熔噴非織造布能在較高溫度下保持良好的尺寸穩定性[6]。由于PPS熔噴非織造布的工作溫度通常在190 ℃以上，因此，本文將定長熱定型后PPS熔噴非織造布在220 ℃下恒溫放置30.00 min，然后計算其熱收縮率，結果如圖3所示。

圖3 定長熱定型后PPS熔噴非織造布的熱收縮率

從圖3可以看出，定長熱定型溫度越高，定長熱定型后的PPS熔噴非織造布在220 ℃下放置30.00 min不發生熱收縮所需的定型時間越短：定型溫度為120 ℃時，定型時間需18.00 min；定型溫度提高到150 ℃時，定型時間需6.00 min；定型溫度為220 ℃時，定型時間只需3.00 min。

本文采用的定型溫度高于PPS的玻璃化轉變溫度(Tg=88 ℃)，其分子鏈段開始運動，消除了內應力，因此PPS熔噴非織造布達到熱穩定狀態[7-9]。當采用較低的定型溫度時，PPS分子鏈段的運動較為緩慢，因此PPS熔噴非織造布達到動力學平衡所需的時間較長。定型溫度越高，PPS分子鏈段越容易發生重排、結晶和解取向。當定型溫度為150 ℃時，定型時間比定型溫度為120 ℃時大幅度減少，在220 ℃定型溫度下只需定型3.00 min。由此可以判定，對PPS熔噴非織造布，采用較高的定型溫度，可以有效提高定長熱定型的效率。

2.3PPS熔噴非織造布的DSC分析

圖4為定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的DSC曲線，其中定長熱定型溫度和時間分別為150 ℃、6.00 min。可以看到，定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的DSC曲線上，283 ℃左右都有一個明顯的吸熱峰，這是PPS的熔融峰(Tm)，但沒有冷結晶峰(Tc)。其原因可能是PPS屬于易結晶聚合物，它的分子鏈非常規整，在PPS熔噴非織造布的成型過程中，受到熱風牽伸作用，非織造布中的纖維已具有一定結晶度，熱定型后纖維結晶度會進一步提高。因此，在本文采用的DSC測試條件下，未能觀察到結晶峰。

此外，從圖4還可以看到，定長熱定型前的PPS熔噴非織造布的Tg約88 ℃，定長熱定型后的PPS熔噴非織造布的Tg有明顯的提高，約109 ℃。其原因可能是，經過定長熱定型后，PPS熔噴非織造布的纖維結晶度提高，無定形區的鏈段運動受限，運動阻力增大。

圖4 定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的DSC曲線

2.4PPS熔噴非織造布的拉伸性能

經過定長熱定型后，PPS熔噴非織造布的結晶度和Tg都有所提高，這會影響PPS熔噴非織造布的力學性能。圖5所示為定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的拉伸性能。

圖5 定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的拉伸性能

從圖5可以看出，與定長熱定型前相比，定長熱定型后的PPS熔噴非織造布的拉伸斷裂強度有一定的提高，斷裂伸長率則明顯下降。比如，定長熱定型前的PPS熔噴非織造布的拉伸斷裂強度為29.4 MPa，斷裂伸長率為15.1%；120 ℃下定型16.00 min后，PPS熔噴非織造布的拉伸斷裂強度提高到34.0 MPa左右，斷裂伸長率下降到9.0%。在其他定長熱定型條件下，PPS熔噴非織造布的拉伸性能均表現出類似結果。

另一方面，在圖5給出的定長熱定型條件下，熱定型后的PPS熔噴非織造布基本不發生熱收縮，且拉伸斷裂強度和斷裂伸長率的變化較小，這可能是因為在這些熱定型條件下得到的PPS熔噴非織造布中，纖維結晶度較為接近。

本文對定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的拉伸斷裂口形貌進行觀察，結果如圖6所示，其處理條件為220 ℃、3.00 min。另外，圖6還給出了定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的應力-應變曲線。可以看到，定長熱定型前的PPS熔噴非織造布的斷裂口出現較多纖維，其應力-應變曲線呈現韌性斷裂特征，這是由于定長熱定型前的PPS熔噴非織造布中纖維的非晶區較多，分子鏈容易滑移，表現出較大的拉伸形變。定長熱定型后的PPS熔噴非織造布的斷裂口呈鋸齒狀，且有少許纖維，相對于定長熱定型前的樣品而言，其應力-應變曲線呈現脆性斷裂特征，這是定長熱定型提高了纖維結晶度的結果。很明顯，對PPS熔噴非織造布進行定長熱定型，其性能變化主要受纖維結晶狀況的影響。有關PPS熔噴非織造布定長熱定型過程中的結晶度變化和結晶動力學的研究工作，本課題組會進行后續報道。

圖6 定長熱定型前后PPS熔噴非織造布的應力-應變曲線

3 結論

(1) 采用合適的定長熱定型工藝，能有效地控制PPS熔噴非織造布的尺寸穩定性，使其在220 ℃的高溫下放置30.00 min能保持不收縮。

(2) 經定長熱定型后，PPS熔噴非織造布的熔點變化不明顯，但玻璃化溫度明顯提高。

(3) 定長熱定型能有效提高PPS熔噴非織造布的拉伸斷裂強度，但斷裂伸長率明顯下降，當定長熱定型溫度為220 ℃和定型時間為3 min時，PPS熔噴非織造布的拉伸強度可達到34.5 MPa。

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Effect of heat-setting at constant length on the properties of polyphenylene sulfide meltblown non-woven fabrics

XiongSiwei1,YanJunbao1,ZhaoZhenghui1,QinJun2,XuJing1,WangHua1,2,LuHong3,WangLuoxin1

1. School of Materials Science and Engineering, University of Wuhan Textile, Wuhan 430200, China;2. Sichuan Textile Science Research Institute ,Chengdu 610072, China; 3. Tianrun Industrial Cloth Co., Ltd., Yingcheng 432400,China

The polyphenylene sulfide(PPS) meltblown non-woven fabrics made by lab were heat-treated at constant length under different temperature and time. The size stability, micromorphology and tensile properties of the PPS meltblown non-woven fabrics before and after being finished were characterized. The results showed that the PPS meltblown non-woven fabrics obtained had good size stability under different heat-treating conditions. After being heat-treated, the micromorphology of the PPS meltblown non-woven fabrics did not change significantly, the fiber’s glass temperature increased, the fabrics’ tensile strength were improved and the elongation at break was reduced.

polyphenylene sulfide, meltblown non-woven fabric, size stability, crystallinity, glass temperature, tensile property

*國家科技支撐計劃(2015BAE01B04)

2016-12-26

熊思維，男，1993年生，在讀碩士研究生，主要研究方向為高性能纖維

王羅新，wanglx@wtu.edu.cn

TQ342.7

A

1004-7093(2017)10-0008-05