, 羅新

1. 武漢紡織大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2. 四川省紡織科學(xué)研究院，四川 成都 610072；3. 應(yīng)城市天潤(rùn)產(chǎn)業(yè)用布有限公司，湖北 應(yīng)城 432400

定長(zhǎng)熱定型對(duì)聚苯硫醚熔噴非織造布性能的影響*

熊思維1嚴(yán)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2. 四川省紡織科學(xué)研究院，四川 成都 610072；3. 應(yīng)城市天潤(rùn)產(chǎn)業(yè)用布有限公司，湖北 應(yīng)城 432400

采用不同溫度和時(shí)間，對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備的聚苯硫醚(PPS)熔噴非織造布進(jìn)行定長(zhǎng)熱定型處理，并對(duì)處理前后的PPS熔噴非織造布的尺寸穩(wěn)定性、微觀形貌和拉伸性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明：采用不同的熱定型條件，均能獲得尺寸穩(wěn)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(fā)生明顯變化，纖維玻璃化溫度提高，拉伸強(qiáng)度增大，斷裂伸長(zhǎng)率下降。

聚苯硫醚，熔噴非織造布，尺寸穩(wěn)定性，結(jié)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(xué)強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)藥品、熱穩(wěn)定性好等特性，其纖維材料主要用于高溫濾料、特種防護(hù)等領(lǐng)域[1-2]。當(dāng)前，采用熔噴法制備PPS超細(xì)纖維備受關(guān)注[3]。PPS熔噴超細(xì)纖維具有制備成本低和加工過(guò)程無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，其在濾料中的應(yīng)用可進(jìn)一步提高過(guò)濾精度，有望實(shí)現(xiàn)高溫?zé)焿m的超凈排放，對(duì)于解決工業(yè)PM2.5污染問(wèn)題具有重要意義。此外，PPS熔噴超細(xì)纖維還可用于制備吸油材料、絕緣紙、合成革基布、化工過(guò)濾材料等。因此，PPS熔噴超細(xì)纖維的相關(guān)性能研究對(duì)于其應(yīng)用至關(guān)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(xì)纖維的過(guò)程中，樹(shù)脂從噴絲孔擠出后受熱風(fēng)牽伸，直接落在網(wǎng)簾上成網(wǎng)，完成PPS熔噴超細(xì)纖維的成型。熱風(fēng)牽伸使得PPS熔噴超細(xì)纖維存在殘余應(yīng)力，纖維在實(shí)際使用過(guò)程中可能會(huì)存在尺寸不穩(wěn)定的問(wèn)題，因此需對(duì)其進(jìn)行熱定型處理。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，有關(guān)纖維熱定型處理的報(bào)道很多。熔噴法得到的纖維多為非織造布形式，它由無(wú)數(shù)纖維無(wú)規(guī)則地黏合或纏結(jié)而成，與單根或單束纖維相比，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其熱定型過(guò)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(shí)際意義。

在前期研究基礎(chǔ)上，武漢紡織大學(xué)成功制備出PPS熔噴非織造布，并研究了熱壓條件對(duì)PPS熔噴非織造布性能的影響。本文以實(shí)驗(yàn)室自制的PPS熔噴非織造布為原料，在不同條件下對(duì)其進(jìn)行定長(zhǎng)熱定型處理，并通過(guò)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(xué)性能測(cè)試，探索熱定型前后PPS熔噴非織造布的物理性能和結(jié)構(gòu)的變化，以期得到PPS熔噴非織造布的最佳定長(zhǎng)熱定型條件，為PPS熔噴非織造布的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1原料

PPS切片，熔點(diǎn) 285 ℃，由德陽(yáng)科吉高新材料有限責(zé)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(shí)驗(yàn)室定制的熔噴試驗(yàn)機(jī)制備PPS熔噴非織造布，如圖1所示[5]。首先，將經(jīng)過(guò)真空干燥的PPS切片由螺桿加熱、熔融、塑化，形成熔體并通過(guò)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(wǎng)，纖網(wǎng)中的超細(xì)纖維通過(guò)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(zhǎng)熱定型

將制得的PPS熔噴非織造布，分別在不同溫度和時(shí)間下進(jìn)行定長(zhǎng)熱定型：

120 ℃，定型時(shí)間2.00， 6.00， 10.00， 14.00， 18.00， 20.00 min；

150 ℃，定型時(shí)間2.00， 3.00， 4.00， 5.00， 6.00， 7.00 min；

180 ℃，定型時(shí)間1.00， 2.00， 3.00， 4.00， 5.00， 6.00 min；

200 ℃，定型時(shí)間0.50， 1.00， 2.00， 3.00， 4.00， 5.00 min；

220 ℃，定型時(shí)間0.17， 0.50， 1.00， 2.00， 3.00， 4.00 min。

然后，將定長(zhǎng)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(jiǎn)稱“恒溫處理”)，以其不發(fā)生收縮為標(biāo)準(zhǔn)，確定不同溫度下的定型時(shí)間，以期探索出最佳的定長(zhǎng)熱定型工藝。

1.4測(cè)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(jì)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(huì)社的JSM-6510LV掃描電子顯微鏡，觀察定長(zhǎng)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(guó)Netzsch公司的DSC 204F1差示掃描量熱儀，對(duì)定長(zhǎng)熱定型前后的PPS熔噴非織造布進(jìn)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(zhǎng)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(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)》的規(guī)定，對(duì)PPS熔噴非織造布的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1PPS熔噴非織造布的微觀形貌

定長(zhǎng)熱定型前后的PPS熔噴非織造布的微觀形貌觀察結(jié)果如圖2所示。

(a) 定長(zhǎng)熱定型前

(b) 定長(zhǎng)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(xì)(其直徑平均約5 μm)，纖維之間無(wú)規(guī)則地堆疊在一起，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，定長(zhǎng)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(jīng)熱風(fēng)牽伸后，纖維中的分子鏈發(fā)生取向，但這種取向結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，在較高溫度下高分子鏈會(huì)發(fā)生解取向，最終會(huì)使PPS熔噴非織造布出現(xiàn)明顯收縮，影響制品的實(shí)際應(yīng)用。采用定長(zhǎng)熱定型，能促使PPS熔噴非織造布中的纖維趨向熱力學(xué)平衡態(tài)，確保PPS熔噴非織造布能在較高溫度下保持良好的尺寸穩(wěn)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(zhǎng)熱定型后PPS熔噴非織造布在220 ℃下恒溫放置30.00 min，然后計(jì)算其熱收縮率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 定長(zhǎng)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(zhǎng)熱定型溫度越高，定長(zhǎng)熱定型后的PPS熔噴非織造布在220 ℃下放置30.00 min不發(fā)生熱收縮所需的定型時(shí)間越短：定型溫度為120 ℃時(shí)，定型時(shí)間需18.00 min；定型溫度提高到150 ℃時(shí)，定型時(shí)間需6.00 min；定型溫度為220 ℃時(shí)，定型時(shí)間只需3.00 min。

本文采用的定型溫度高于PPS的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=88 ℃)，其分子鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，消除了內(nèi)應(yīng)力，因此PPS熔噴非織造布達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)[7-9]。當(dāng)采用較低的定型溫度時(shí)，PPS分子鏈段的運(yùn)動(dòng)較為緩慢，因此PPS熔噴非織造布達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡所需的時(shí)間較長(zhǎng)。定型溫度越高，PPS分子鏈段越容易發(fā)生重排、結(jié)晶和解取向。當(dāng)定型溫度為150 ℃時(shí)，定型時(shí)間比定型溫度為120 ℃時(shí)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(duì)PPS熔噴非織造布，采用較高的定型溫度，可以有效提高定長(zhǎng)熱定型的效率。

2.3PPS熔噴非織造布的DSC分析

圖4為定長(zhǎng)熱定型前后PPS熔噴非織造布的DSC曲線，其中定長(zhǎng)熱定型溫度和時(shí)間分別為150 ℃、6.00 min?？梢钥吹?，定長(zhǎng)熱定型前后PPS熔噴非織造布的DSC曲線上，283 ℃左右都有一個(gè)明顯的吸熱峰，這是PPS的熔融峰(Tm)，但沒(méi)有冷結(jié)晶峰(Tc)。其原因可能是PPS屬于易結(jié)晶聚合物，它的分子鏈非常規(guī)整，在PPS熔噴非織造布的成型過(guò)程中，受到熱風(fēng)牽伸作用，非織造布中的纖維已具有一定結(jié)晶度，熱定型后纖維結(jié)晶度會(huì)進(jìn)一步提高。因此，在本文采用的DSC測(cè)試條件下，未能觀察到結(jié)晶峰。

此外，從圖4還可以看到，定長(zhǎng)熱定型前的PPS熔噴非織造布的Tg約88 ℃，定長(zhǎng)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(jīng)過(guò)定長(zhǎng)熱定型后，PPS熔噴非織造布的纖維結(jié)晶度提高，無(wú)定形區(qū)的鏈段運(yùn)動(dòng)受限，運(yùn)動(dòng)阻力增大。

圖4 定長(zhǎng)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(jīng)過(guò)定長(zhǎng)熱定型后，PPS熔噴非織造布的結(jié)晶度和Tg都有所提高，這會(huì)影響PPS熔噴非織造布的力學(xué)性能。圖5所示為定長(zhǎng)熱定型前后PPS熔噴非織造布的拉伸性能。

圖5 定長(zhǎng)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(zhǎng)熱定型前相比，定長(zhǎng)熱定型后的PPS熔噴非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)度有一定的提高，斷裂伸長(zhǎng)率則明顯下降。比如，定長(zhǎng)熱定型前的PPS熔噴非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)度為29.4 MPa，斷裂伸長(zhǎng)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(qiáng)度提高到34.0 MPa左右，斷裂伸長(zhǎng)率下降到9.0%。在其他定長(zhǎng)熱定型條件下，PPS熔噴非織造布的拉伸性能均表現(xiàn)出類似結(jié)果。

另一方面，在圖5給出的定長(zhǎng)熱定型條件下，熱定型后的PPS熔噴非織造布基本不發(fā)生熱收縮，且拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化較小，這可能是因?yàn)樵谶@些熱定型條件下得到的PPS熔噴非織造布中，纖維結(jié)晶度較為接近。

本文對(duì)定長(zhǎng)熱定型前后PPS熔噴非織造布的拉伸斷裂口形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示，其處理?xiàng)l件為220 ℃、3.00 min。另外，圖6還給出了定長(zhǎng)熱定型前后PPS熔噴非織造布的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥吹剑ㄩL(zhǎng)熱定型前的PPS熔噴非織造布的斷裂口出現(xiàn)較多纖維，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)韌性斷裂特征，這是由于定長(zhǎng)熱定型前的PPS熔噴非織造布中纖維的非晶區(qū)較多，分子鏈容易滑移，表現(xiàn)出較大的拉伸形變。定長(zhǎng)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(duì)于定長(zhǎng)熱定型前的樣品而言，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)脆性斷裂特征，這是定長(zhǎng)熱定型提高了纖維結(jié)晶度的結(jié)果。很明顯，對(duì)PPS熔噴非織造布進(jìn)行定長(zhǎng)熱定型，其性能變化主要受纖維結(jié)晶狀況的影響。有關(guān)PPS熔噴非織造布定長(zhǎng)熱定型過(guò)程中的結(jié)晶度變化和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的研究工作，本課題組會(huì)進(jìn)行后續(xù)報(bào)道。

圖6 定長(zhǎng)熱定型前后PPS熔噴非織造布的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

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

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

(3) 定長(zhǎng)熱定型能有效提高PPS熔噴非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)度，但斷裂伸長(zhǎng)率明顯下降，當(dāng)定長(zhǎng)熱定型溫度為220 ℃和定型時(shí)間為3 min時(shí)，PPS熔噴非織造布的拉伸強(qiáng)度可達(dá)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(guó)家科技支撐計(jì)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?yàn)楦咝阅芾w維

王羅新，wanglx@wtu.edu.cn

TQ342.7

A

1004-7093(2017)10-0008-05