楊 光 靳向煜 張 梅

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620; 2.吉林大學(xué)軍需科技學(xué)院，長(zhǎng)春，130062;3.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

PE原料對(duì)PE/PP雙組分紡粘非織造布性能影響的研究*

楊 光1靳向煜1張 梅2，3

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620; 2.吉林大學(xué)軍需科技學(xué)院，長(zhǎng)春，130062;3.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620)

基于PE/PP皮芯結(jié)構(gòu)雙組分紡粘技術(shù)，保持芯層PP原材料不變，皮層分別使用三種不同熔融指數(shù)的PE原材料，制取三種PE/PP雙組分紡粘非織造布，通過(guò)對(duì)其性能的測(cè)試，探討了皮芯結(jié)構(gòu)PE/PP雙組分紡粘非織造布中皮層PE原材料對(duì)產(chǎn)品物理性能的影響。研究結(jié)果表明，PE/PP雙組分非織造布的縱橫向強(qiáng)力隨著PE熔融指數(shù)的升高而降低，而伸長(zhǎng)率則隨著PE熔融指數(shù)的升高而增大。

雙組分紡粘非織造布，聚乙烯，熔融指數(shù)，性能

雙組分復(fù)合紡粘法非織造材料技術(shù)是紡粘技術(shù)的發(fā)展方向，國(guó)外也正處于發(fā)展階段。目前世界上掌握和正在開(kāi)發(fā)雙組分紡粘技術(shù)的國(guó)家和公司還不多，主要集中在美國(guó)、德國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家［1］。國(guó)內(nèi)上海市合成纖維研究所、東華大學(xué)等也在積極進(jìn)行雙組分紡粘生產(chǎn)線的研制以及技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)。在研發(fā)過(guò)程中，原材料的選擇和使用決定了生產(chǎn)線的成功與否和工藝的合理性，同時(shí)也影響著產(chǎn)品的性能。

聚丙烯(PP)是紡粘工藝常用的一種高聚物，主要性能參數(shù)有等規(guī)度、熔融指數(shù)和灰分等。

聚乙烯(PE)是熱塑性高聚物，也可用于生產(chǎn)紡粘非織造布。最先發(fā)明的PE生產(chǎn)工藝是高壓法，產(chǎn)品是低密度聚乙烯(LDPE);后來(lái)有低壓法及中壓法，產(chǎn)品是高密度聚乙烯(HDPE)。

PE熔體同PP熔體一樣，具有非牛頓假塑性行為，且有彈性材料的特性。當(dāng)熔體所受應(yīng)力去除后表現(xiàn)出一定的彈性回復(fù)，在高剪切速率下熔體會(huì)產(chǎn)生熔體破裂的不穩(wěn)定流動(dòng)，其表現(xiàn)與不同PE樹(shù)脂的物性相關(guān)。因此，每種牌號(hào)樹(shù)脂均存在一臨界的剪切速率及應(yīng)力，超過(guò)該臨界值便會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則流動(dòng)，同時(shí)該現(xiàn)象隨擠出速率、壓力的增加而加劇。

高聚物熔體具有流動(dòng)性是高聚物可以被加工成型的依據(jù)，高聚物的加工成型是在黏流態(tài)下進(jìn)行的，研究高聚物熔體的流變行為對(duì)高聚物成型工藝的合理設(shè)計(jì)和正確操作，并獲得性能良好的制品具有重要意義［2］。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常用熔融指數(shù)來(lái)表征熔體的流動(dòng)性能。熔融指數(shù)是紡粘法和熔噴法生產(chǎn)中控制原料性能的主要指標(biāo)，其定義為:在一定的溫度下，熔融狀態(tài)的高聚物在一定負(fù)荷(21 N)下，10 min內(nèi)從規(guī)定直徑和長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管中流出的質(zhì)量，單位為g/10 min［3］。不同的原材料采用的測(cè)試溫度不同，PP為230℃，表示為MFR;PE為190℃，表示為MI。熔體熔融指數(shù)越大，流動(dòng)性越好。從熔融指數(shù)的定義可知，實(shí)際上測(cè)定的是給定切變速率下的流度，即黏度的倒數(shù)1/η。熔融指數(shù)是反映熔體流變性能的一個(gè)參數(shù)，用于紡粘非織造工藝中的PP、PE原料的熔融指數(shù)范圍通常在10～50 g/10 min之間。

本文基于皮芯結(jié)構(gòu)PE/PP雙組分紡粘技術(shù)，使用不同MI的PE原料，通過(guò)產(chǎn)品性能以及原材料性能的測(cè)試，探討PE原料的MI對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料選擇

本實(shí)驗(yàn)所采用的原材料是:芯層材料為PP，皮層為PE。

選用的PP切片的MFR為35 g/10 min，PE的MI分別為18、19 和20 g/10 min。

芯層原材料PP保持不變，編號(hào)為A;皮層采用國(guó)內(nèi)外三種不同的原材料，編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。詳見(jiàn)表1。

表1 原材料型號(hào)和性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

皮芯比為50/50(體積比)，通過(guò)PP和PE計(jì)量泵的速比來(lái)控制;通過(guò)改變網(wǎng)簾運(yùn)行速度來(lái)控制成品面密度，面密度分別為10、20、30、40 和50 g/m2。其他相關(guān)工藝保持不變:

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)分別采用三種不同的皮層PE原材料，每種原材料試驗(yàn)5次，總計(jì)15次。實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 非織造布斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試

根據(jù)EDANA(歐洲用即棄及非織造材料協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)EDANA ERT20.2測(cè)試:

試樣要求:5塊，50 mm×250 mm;

測(cè)試儀器:YG26B型電子織物強(qiáng)力儀;

表2 實(shí)驗(yàn)方案

測(cè)試條件:拉伸速度 100 mm/min，隔距200 mm，定速拉伸。

1.4.2 非織造布面密度的測(cè)量

使用圓盤(pán)取樣機(jī)和電子天平來(lái)測(cè)定試樣的面密度。圓盤(pán)取樣機(jī)取樣的固定面積是0.01 m2，每個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的成品紡粘非織造布各取樣10個(gè)，用電子天平測(cè)定試樣的質(zhì)量，乘以100后所得結(jié)果即為產(chǎn)品的面密度。

1.4.3 流變性能測(cè)量

利用毛細(xì)管［4］可方便地測(cè)定高聚物熔體的管壁剪切應(yīng)力和剪切速率，由此可求得熔體的表觀黏度，并作出流變曲線。

式中:Q，ΔP——分別為毛細(xì)管中體積流量和壓力降;

R，L——分別為毛細(xì)管半徑和長(zhǎng)度;

ηa，γa，τa——分別為表觀黏度、表觀剪切速率和表觀剪切應(yīng)力。

實(shí)驗(yàn)儀器:

哈克轉(zhuǎn)矩流變儀，型號(hào)RC90，德國(guó)HAAKE公司;毛細(xì)管直徑1.000 0 mm，長(zhǎng)徑比40。

電子天平，JA12002，上海天平儀器廠。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3為在相同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的PE/PP雙組分紡粘非織造布試樣的性能數(shù)據(jù)。

表3 PE/PP雙組分紡粘非織造布試樣性能測(cè)定結(jié)果

從表3可以看出，用同一種PE原材料制成的雙組分非織造布，隨著面密度的增大，縱橫向強(qiáng)力均呈上升趨勢(shì)。這與用其他工藝制得的非織造布的性能規(guī)律基本一致，即參與加固的纖網(wǎng)量增加，總體上非織造布強(qiáng)力上升。同時(shí)，采用不同PE原材料制成的同一面密度的雙組分非織造布，其縱橫向強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率的差異較明顯，見(jiàn)圖1～圖4。

從圖1和圖2可以看出，使用Ⅰ號(hào)PE原材料(MI=18 g/10 min)生產(chǎn)的PE/PP雙組分紡粘非織造布，其縱橫向強(qiáng)力均好于用其他兩種PE原材料制成的雙組分紡粘非織造布;而使用Ⅲ號(hào)PE原材料(MI=20 g/10 min)生產(chǎn)的雙組分紡粘非織造布強(qiáng)力最差。

從圖3和圖4可以看出，使用Ⅰ號(hào)PE原材料生產(chǎn)的PE/PP雙組分紡粘非織造布，其縱橫向的伸長(zhǎng)率均小于用其他兩種PE原材料制成的雙組分紡粘非織造布，相對(duì)伸長(zhǎng)率最小;而使用Ⅲ號(hào)PE原材料生產(chǎn)的雙組分紡粘非織造布伸長(zhǎng)率最大。

圖1 不同MI的PE原材料對(duì)非織造布縱向強(qiáng)力的影響

圖2 不同MI的PE原材料對(duì)非織造布橫向強(qiáng)力的影響

圖3 不同MI的PE原材料對(duì)非織造布縱向伸長(zhǎng)率的影響

圖4 不同MI的PE原材料對(duì)非織造布橫向伸長(zhǎng)率的影響

對(duì)實(shí)驗(yàn)編號(hào)為1、6和11所制成的面密度為10 g/m2的PE/PP雙組分紡粘非織造布進(jìn)行機(jī)械拉伸，拉伸曲線示于圖5。用MI為18 g/10 min的PE原材料制成的雙組分紡粘非織造布強(qiáng)力明顯高于用其他兩種PE原材料制成的雙組分紡粘非織造布，而伸長(zhǎng)率則明顯小于其他兩種。從拉伸曲線的起始斜率來(lái)看，斜率大的拉伸強(qiáng)力也大。拉伸強(qiáng)力與PE的MI成反比，而伸長(zhǎng)率與PE的MI成正比，即隨著MI的增大，雙組分紡粘非織造布的伸長(zhǎng)率變大，而斷裂強(qiáng)力變小。從拉伸曲線的初始模量來(lái)看，拉伸曲線初始斜率越大，柔軟性越差。

圖5 用不同MI的PE原材料制成的非織造布拉伸曲線

2.2 結(jié)果討論

大多數(shù)高聚物屬于假塑性流體，其黏度隨著剪切速率的增大而減小，即所謂剪切變稀。這是因?yàn)楦叻肿釉诹鲃?dòng)時(shí)各液層間總存在一定的速度梯度，細(xì)而長(zhǎng)的大分子若同時(shí)穿過(guò)幾個(gè)流速不等的液層時(shí)，同一個(gè)大分子的各個(gè)部分就要以不同的速度前進(jìn)，這種情況顯然是不能持久的。因此，在流動(dòng)時(shí)每個(gè)長(zhǎng)鏈分子總是企圖使自己全部進(jìn)入同一流速的流層。不同流速液層的平行分布就導(dǎo)致了大分子流動(dòng)方向的取向。假塑性流體的流動(dòng)曲線是非線性的，一般可以用指數(shù)關(guān)系來(lái)描述其剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系。

為進(jìn)一步驗(yàn)證，在220℃條件下對(duì)三種不同的PE原材料進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn)，結(jié)果示于圖6和圖7。實(shí)驗(yàn)表明，在同樣的剪切應(yīng)力和剪切速率下，MI越大，表觀剪切黏度越小。由于三種原材料同為PE，其分子結(jié)構(gòu)相同。相同分子結(jié)構(gòu)的高聚物，其表觀剪切黏度隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大而升高，而相對(duì)分子質(zhì)量的升高使MI相應(yīng)減小。由于其他紡絲工藝和成網(wǎng)工藝條件保持不變，原材料MI的降低使單絲強(qiáng)度增大，從而使PE/PP雙組分紡粘非織造布的強(qiáng)力提高。

圖6 220℃時(shí)剪切應(yīng)力與黏度的關(guān)系

圖7 220℃時(shí)剪切速率與黏度的關(guān)系

3 結(jié)論

PE/PP雙組分紡粘非織造布在原材料PP不變的情況下，用不同MI的PE制成的雙組分紡粘非織造布強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率明顯不同，縱橫向強(qiáng)力隨MI的升高而降低，伸長(zhǎng)率則隨MI的升高而增大。

在原材料選擇時(shí)，如果希望所制取的PE/PP雙組分紡粘非織造布具有較高強(qiáng)力，在PP原材料不變的情況下，可選擇MI較低的PE原材料，但會(huì)降低非織造布伸長(zhǎng)率;如果希望制得伸長(zhǎng)率較大的PE/PP雙組分紡粘非織造布，則可選用MI較高的PE原材料，但會(huì)相應(yīng)降低非織造布強(qiáng)力。

［1］趙永霞.雙組分紡粘技術(shù)的新進(jìn)展［J］.紡織導(dǎo)報(bào)，2008(6):104.

［2］李文剛.PET-PBT共聚酯的流變性能研究［J］.合成纖維，2001(4):13-16.

［3］何曼君.高分子物理［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，1990:268.

［4］PERRY R H.化學(xué)工程手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1992:117.

Study on the effect of PE raw mateirals on the properties of PE/PP bi-component spunbond nonwovens

Yang Guang1，Jin Xiangyu1and Zhang Mei2
(1.College of Textiles，Donghua University; 2.College of Quartermaster Technology，Jilin Univerisyt;3.Engineering Research Center of Technical Textiles，Ministry of Education，Donghua University)

Based on the technology of the PE/PP sheath-core structure bi-component spunbond，keeping polypropylene as the raw material in the core，three kinds of polyethylene with different melting index being used respectively in order，by comparison between the property test of three types of products and the property test of the raw materials，the effect of the polyethylene raw materials in the sheathcore structure the physical properties of PE/PP bi-component spunbond nonwovens was disccused.The research result shows that the MD and CD strength of the PE/PP bicomponent nonwovens decreases with the increase of the PE MI，and its elongation increases with the increase of the PE MI.

bi-component spunbond nonwowens，polyethylene，melting index，property

TS174.8

A

1004－7093(2010)03－0018－05

*產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心開(kāi)放課題(2007-2009)

2009－11－13

楊光，男，1976年生，在讀博士研究生。主要從事紡粘非織造布開(kāi)發(fā)及性能研究。