牽伸和熱處理對(duì)熔噴非織造材料性能的影響

高聚層掃描和非織制工藝是將高聚層從模型的噴絲孔中引入，形成精細(xì)的熔融流，通過(guò)高

速熱氣流的拉伸形成細(xì)纖維，并依靠自身的粘合劑或其他加固方法成為非織造材料。

文獻(xiàn)［2-3］對(duì)熔噴機(jī)理進(jìn)行了研究,并建立了熔噴過(guò)程中高聚物射流的模型；文獻(xiàn)［4-5］分別

通過(guò)改變?nèi)蹏姽に噮?shù)和模頭結(jié)構(gòu),制備了纖維直徑為納米級(jí)的熔噴非織造材料,大大提高

了熔噴非織造材料的過(guò)濾效率；文獻(xiàn)［6］研究了不同工藝參數(shù)對(duì)聚丙烯(PP)熔噴非織造材料

厚度、纖維直徑、強(qiáng)力等物理和力學(xué)性能的影響；文獻(xiàn)［7-8］分別研究了熱處理溫度對(duì)PP

熔噴材料和PP紡黏/熔噴/紡黏復(fù)合熔噴材料性能的影響,但均沒(méi)有研究在牽伸條件下熱處

理對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響;文獻(xiàn)［9T0］分別對(duì)熱牽伸熔噴非織造材料進(jìn)行了探討，但是研究

不夠系統(tǒng)和深入.本文通過(guò)自制熱處理設(shè)備,較為系統(tǒng)地研究了在一定牽伸條件下熱處理溫

度對(duì)PP熔噴非織造材料結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響.

1測(cè)試

1.1試驗(yàn)材料

PP熔噴非織造材料(東華大學(xué)非織造工程中心制備)的規(guī)格如表1所示.

1.2牽伸比和加熱時(shí)間的確定

自制的力n熱牽伸設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1所示.其中，加熱箱的長(zhǎng)X寬X高為35cmX20cmX15cn,牽

伸輯和喂入輯的直徑均為5cm.通過(guò)調(diào)節(jié)喂入輻和牽伸推的轉(zhuǎn)速來(lái)設(shè)定牽伸比以及加熱時(shí)間.

本試驗(yàn)中牽伸比為2,加熱時(shí)間為17s,加熱箱的溫度由自動(dòng)溫控儀控制.

1.3熱處理對(duì)pp熔噴非織造材料的熱處理

在不同溫度下嘗試對(duì)熔噴非織造材料進(jìn)行加熱牽伸，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱箱溫度達(dá)到140C,PP熔噴

非織造材料開(kāi)始熔融,無(wú)法進(jìn)行正常的熱牽伸.因此，設(shè)定熱處理的溫度范圍為50130c10℃

一個(gè)間隔,共9個(gè)樣品.熱處理完成后再進(jìn)行24h自然冷卻，然后進(jìn)行性能測(cè)試分析.

1.4pp非織層材料的結(jié)構(gòu)和性能的測(cè)試

L4.1樣品厚度

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下(溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度(65±2)酚，采用YG141N型數(shù)字式織物厚度儀，

壓腳大小為25cm

1.4.2孔徑及分布隨試驗(yàn)線的分布

采用PMI公司的CFP-110C-A1型孔徑測(cè)試儀測(cè)量試樣的孔徑.試樣先在已知表面張力的潤(rùn)

濕劑中充分浸潤(rùn),然后放入試樣室,使氣體在壓力作用下分別通過(guò)試樣干態(tài)和濕態(tài)時(shí)的毛細(xì)

孔,通過(guò)計(jì)算氣體通過(guò)試樣時(shí)的壓力和氣流變化來(lái)計(jì)算試樣的孔徑及其分布

1.4.3力學(xué)性能測(cè)試

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下(溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度(65±2)%),采用YG028-500型強(qiáng)力儀測(cè)試試

樣的縱向和橫向力學(xué)性能縱向力學(xué)性能測(cè)試時(shí)試樣夾持長(zhǎng)度和寬度分別為20和5cm,由于

布樣的寬度有限,橫向力學(xué)性能測(cè)試時(shí)試樣夾持長(zhǎng)度和寬度分別為10和5cm.拉伸速率為

lOOmm/min,每種試樣重復(fù)測(cè)試5次,取平均值.

1.4.4熔噴材料的晶粒尺寸

將樣品剪成粉末狀,采用D/max-2550PC型X-射線衍射儀進(jìn)行廣角X-衍射.試驗(yàn)條件為:Cu

靶,20為5°飛0°,掃描速率為12°/min,電壓為40kV,電流為200mA.

根據(jù)Scherrer方程(式(D)計(jì)算PP熔噴材料的晶粒尺寸D,本文取2。為14.1°的最強(qiáng)衍

射峰進(jìn)行計(jì)算.

式中：K為謝樂(lè)常數(shù)，取0.9;X為X衍射波長(zhǎng)，取L54X10

1.4.5表的形態(tài)

采用日立TM300()型掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面形態(tài)，加速電壓為15kV,試驗(yàn)前對(duì)試樣

進(jìn)行鍍金處理.

1.4.6纖維直徑測(cè)試

運(yùn)用Digimizer軟件對(duì)試樣的SEM(scanningelectronmicroscope)圖進(jìn)行纖維直徑的測(cè)

量,每種試樣隨機(jī)測(cè)量50根纖維,并取其平均值.

2結(jié)果與討論

2.1表現(xiàn)形態(tài)的變化

在牽伸條件下,經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后PP熔噴非織造材料的SEM圖如圖2所示.由圖2可

以看出，熔噴非織造材料的表觀形態(tài)發(fā)生很大變化:未經(jīng)熱處理的試樣,其纖維隨機(jī)排列;而

當(dāng)熱處理溫度高于70℃時(shí),纖維沿PP熔噴非織造材料的縱向取向明顯提高.因?yàn)殡S熱處理

溫度的上升,纖維之間的黏結(jié)點(diǎn)軟化,在牽伸的作用下,纖維沿PP熔噴非織造材料縱向方向

取向排列，當(dāng)自然冷卻后,黏結(jié)點(diǎn)固化,纖維的取向結(jié)構(gòu)得以保存.其原理示意圖如圖3所示

2.2熱處理對(duì)pp熔噴非織造材料結(jié)晶度的影響

圖4為PP熔噴非織造材料經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后的X-衍射圖，為了進(jìn)行對(duì)比分析，圖中給

出了未處理樣品的X衍射結(jié)果.從圖4可以看出，未經(jīng)熱處理與經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理的試樣

均在20為14.1°,16.9°,18.5°及21.9°附近出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于。晶型（110）、（040）、

（130）.（131）晶面的衍射峰.隨溫度的升高,沒(méi)有出現(xiàn)其他晶型的特征峰，因此熱處理沒(méi)有

改變?cè)嚇拥慕Y(jié)晶晶型結(jié)構(gòu).此外可以發(fā)現(xiàn),隨熱處理溫度的上升,PP熔噴非織造材料的衍射

峰開(kāi)始變得尖銳,說(shuō)明a晶型變得更加完善.

PP熔噴材料纖維的結(jié)晶度和（110）晶面方向上的晶粒尺寸隨熱處理溫度的變化如圖5所示.

經(jīng)測(cè)試與計(jì)算,原布纖維的結(jié)晶度為35.6%,晶粒尺寸為13.07nm.

從圖5可以看出，隨熱處理溫度的提高,PP熔噴非織造材料纖維的結(jié)晶度增大，當(dāng)熱處理溫

度為130℃時(shí)，結(jié)晶度最高，提高了29.8%,同時(shí)晶粒尺寸也隨之增大，到130℃時(shí)增加了50%.

這是由于熱處理溫度升高:PP分子鏈運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng),部分無(wú)定形區(qū)的分子鏈發(fā)生重排而形成

結(jié)晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)PP中小晶體和不完整的晶體熔點(diǎn)較低,可以發(fā)生熔融再結(jié)晶,從而使纖維的

結(jié)晶度提高,晶粒尺寸增大,結(jié)晶結(jié)構(gòu)更完善.據(jù)文獻(xiàn)［7］報(bào)道,PP熔噴非織造材料在130℃

下經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單熱處理后，其結(jié)晶度只達(dá)到43.4%,而本文試樣在相同溫度下經(jīng)過(guò)17s熱處理后

結(jié)晶度達(dá)到46.2%.這可能是因?yàn)闋可鞐l件下的熱處理更有利丁纖維中大分子鏈的取向和規(guī)

整排列，從而提高了結(jié)晶度.

2.3熱處理對(duì)pp熔噴非織造材料力學(xué)性能的影響

由于熔噴非織造材料中的纖維沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分牽伸，纖維的結(jié)晶度以及取向度低,結(jié)晶不完善，

因此導(dǎo)致熔噴材料強(qiáng)力低.經(jīng)測(cè)試,未經(jīng)處理的PP熔噴非織造材料的縱向拉伸強(qiáng)力只有

12.6N,在一定牽伸條件下,對(duì)PP熔噴非織造材料進(jìn)行不同溫度的熱處理,然后測(cè)試其縱向

強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率,測(cè)試結(jié)果如圖6所示.

由圖6可知,在牽伸條件下,隨熱處理溫度的升高,樣品縱向強(qiáng)力逐漸提高,在130C時(shí)達(dá)到

最大，強(qiáng)力提高了45.2%,可能由于隨熱處理溫度的上升,纖維之間的黏結(jié)點(diǎn)逐漸欽化，在牽

伸作用下,大量纖維沿縱向受力并重新取向.冷卻后，纖維間黏結(jié)點(diǎn)固化,纖維整體的取向結(jié)

構(gòu)得以保持，使沿縱向單位寬度上承受拉力的纖維增多,因而縱向強(qiáng)力大幅度提高,到?0℃

時(shí)纖維總體的取向基本達(dá)到最大,此時(shí)強(qiáng)力提高了28.6%.在70C之后，隨溫度的上升，強(qiáng)力

總體呈上升趨勢(shì)，主要原因是結(jié)晶度的增高以及結(jié)晶結(jié)構(gòu)的完善，使熔噴非織造材料中單根

纖維的強(qiáng)力有所提升,從而提高了整個(gè)非織造材料的強(qiáng)力.在文獻(xiàn)［7］研究中，熱處理后PP

熔噴非織造材料的強(qiáng)力變化不大,效果最好的只提高/16%,遠(yuǎn)小于本試驗(yàn)的效果.這是由于

牽伸條件下的熱處理不僅可以提高纖維結(jié)晶度，完善其結(jié)晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以使PP熔噴非織

造材料中大量纖維沿縱向排列取向.因此,經(jīng)過(guò)牽伸條件下的熱處理后,試樣的斷裂強(qiáng)刀增

加幅度要遠(yuǎn)大于僅僅通過(guò)熱處理的試樣.

從圖6還可以看出，在一定牽伸條件下，隨熱處理溫度的提高,斷裂伸長(zhǎng)率逐漸下降，在130C

時(shí)達(dá)到最低,下降了66.2%,其中在50^70℃,斷裂伸長(zhǎng)率迅速下降,到70c時(shí)下降了39.0%.

因?yàn)樵跍囟?0~70C區(qū)間,在牽伸外力作用下，大量纖維迅速沿PP熔噴非織造材料縱向進(jìn)行

取向排列，從而導(dǎo)致了斷裂伸長(zhǎng)率的大幅度下降.從70℃開(kāi)始,斷裂伸長(zhǎng)率隨溫度的提高逐

漸降低,這可能是由于隨溫度的升高，熔噴非織造材料纖維的結(jié)晶度和晶粒尺寸不斷提高，

纖維變脆.

圖7為不同熱處理溫度下試樣的橫向強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律圖.原布的橫向強(qiáng)刀和

斷裂伸長(zhǎng)率分別為9.29、和35.2%.

從圖7可以看此隨溫度的升高,試樣橫向強(qiáng)力總體呈下降趨勢(shì)，130C時(shí)急劇下降了53.5%.

因?yàn)榻?jīng)過(guò)牽伸條件下的熱處理后，大量纖維沿縱向取向排列,橫向排列纖維相對(duì)減少，因此

強(qiáng)力呈下降趨勢(shì).從圖7還可以看出，試樣橫向斷裂伸長(zhǎng)率隨熱處理溫度升高先增大后減

小,80C時(shí)橫向斷裂伸長(zhǎng)率提高了57.4%.由于隨著溫度的升高，熔噴非織造材料纖維的結(jié)晶

度和晶粒尺寸不斷提高，當(dāng)結(jié)晶度和晶粒尺寸過(guò)大時(shí)，纖維變脆,在80C以上時(shí)非織造材料

的斷裂伸長(zhǎng)率反而下降.另外，當(dāng)熱處理溫度為50~8(TC時(shí),試樣的橫向斷裂伸長(zhǎng)率不斷增加,

強(qiáng)力也略有增加.這可能是由于較低溫度下的熱處理提高了熔噴非織造材料的結(jié)構(gòu)均勻性，

減少了材料中的缺陷,從而使拉伸性能變好.不過(guò),具體原因有待進(jìn)一步研究.

2.4熱處理對(duì)pp熔噴非織造材料纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響

由于130℃熱處理后的試樣具有最大的縱向電力，因此,選擇該試樣與原樣進(jìn)行對(duì)比來(lái)研究

熱處理對(duì)PP熔噴非織造材料纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果如表2所示.從表2可以看出，纖維直徑

有略微的波動(dòng),這是由于熔噴工藝是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程,纖維直徑不均勻，同時(shí)考慮到試驗(yàn)

的誤差,可以認(rèn)為牽伸條件下的熱處理并不會(huì)改變PP熔噴非織造材料中纖維的粗細(xì).此外，

經(jīng)過(guò)熱處理后,試樣的厚度和面密度均有所上升，分別增長(zhǎng)了28.6%和9.8%,這是由于加熱

條件下的牽伸作用會(huì)使纖維沿縱向緊密排列，試樣變窄(如圖3所示)，使試樣的厚度和面密

度增大.經(jīng)過(guò)熱處理后，試樣的平均孔徑增大了34.6%,雖然經(jīng)過(guò)熱處理可以使纖維沿縱向緊

密排列，但由于所選試樣面密度較小,牽伸時(shí)易形成大孔,導(dǎo)致平均孔徑增大，同時(shí)從最大孔

徑的變化也可以看出，纖網(wǎng)的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生破壞.總體而言,經(jīng)過(guò)熱處理后纖網(wǎng)的結(jié)構(gòu)沒(méi)

有發(fā)生很大的變化，說(shuō)明車伸熱處理不破壞熔噴非織造材料的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu).

3熱處理對(duì)pp熔噴非織造材料力學(xué)性能的影響

(D采用自制的熱處理設(shè)備,在一定牽伸條件下對(duì)PP熔噴非織造材料進(jìn)行不同溫度的熱處

理,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨熱處理溫度的升高,PP熔噴非織造材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化:其纖維晶粒尺寸增

大、結(jié)晶度提高、結(jié)晶結(jié)構(gòu)完善；同時(shí)，纖維間黏結(jié)點(diǎn)軟化，在牽伸作用下會(huì)使大量纖線沿

PP熔噴非織造材料縱向進(jìn)行取向排列，自然冷卻后，纖維間黏結(jié)點(diǎn)固結(jié),纖維整體的取向結(jié)

構(gòu)得以保存.

(2)PP熔噴非織造材料結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了其力學(xué)性能的變化.由于纖維沿PP熔噴材料