热处理对涤纶针刺非织造布结构与性能的影响*

沈 璐 邓炳耀 刘庆生 夏前军 范立元

(1.江南大学非织造技术中心，无锡，214122;2.江南大学生态纺织教育部重点实验室，无锡，214122;3.南京际华三五二一特种装备有限公司，南京，210007;4.江苏迎阳无纺机械有限公司，常熟，215539)

针刺非织造技术是我国非织造行业中发展较早的生产技术，产品具备较强的市场竞争力和占有率，主要应用于合成革基布、过滤材料、土工材料和装饰布等领域。近几年来自水刺、纺粘、熔喷等技术在工艺及产品性能等方面的威胁［1］，向针刺非织造工艺及产品的性能和多元化发展提出了更高的要求。关于针刺非织造布的研究，多集中在原料选择、纤网面密度、针刺深度和针刺密度等方面［2-3］，而在利用热处理技术改善其结构与性能方面尚缺少深入的研究。特别是针对作为空气过滤材料用的涤纶针刺非织造布，在利用热处理技术改进其过滤效率，拓宽其应用于环境保护领域的优势方面有待于进一步探究。

热处理过程会引起纤维分子结构和形态结构的改变，使稳定度较低的结构单元转变为稳定度较高的结构单元［4］。热处理引起的微观变化，将综合地体现在纤维及产品的宏观性能的改变上，如尺寸稳定性、强力和手感等［5］。因此，热处理工艺常用于改善非织造布的结构与性能，以改善其使用性能，满足非织造布在卫生、环保、过滤和土工等领域的应用［6］。本文在分析涤纶非织造布等温结晶的基础上，选择适当的温度与时间，对涤纶针刺非织造布进行热处理，并进行各项性能表征。

1 试验部分

1.1 原料与设备

原料:涤纶针刺非织造布，江苏迎阳无纺机械有限公司。

设备:DSC-Q200差示扫描量热仪，沃特世科技(上海)有限公司;R-3定型烘干机，瑞比染色试机有限公司;YG026A型织物强力机，常州第二纺织仪器厂;LZC-H型滤料综合性能测试台，苏州华达仪器设备有限公司;CFP-1100A型毛细管流动孔隙测量仪，美国施多威尔公司;PL203电子天平，上海菁海仪器有限公司;YG141D型织物厚度仪，宁波纺织仪器厂。

1.2 等温结晶性能测试

取5 mg左右的样品放入DSC-Q200型差示扫描量热仪进行测定。受氮气气氛保护，流量为50.0 mL/min，以 50.0℃/min的升温速率，从30℃升温至300℃，恒温3 min，消除热历史，然后以100.0℃/min的冷却速率分别骤降至180、190、200、210、220和230℃，恒温一定时间进行等温结晶，并记录DSC谱图。

1.3 热处理

采用R-3定型烘干机，在210℃横向定长状态下，对涤纶针刺非织布分别处理1、2、3和4 min，取出后置于室温中自然冷却，静置24 h。

1.4 性能测试

将经过不同时间热处理的与未经处理的涤纶针刺非织造布进行各项性能表征，并进行对比分析。

1.4.1 面密度和厚度

按照FZ/T 60003—1991《非织造布单位面积质量测定》及FZ/T 60004—1991《非织造布厚度测定》对热处理前后的涤纶针刺非织造布进行面密度和厚度测试。

1.4.2 力学性能

采用YG026A型织物强力机对涤纶针刺非织造布进行断裂强力及断裂伸长率测试。夹持距离为10 cm，拉伸速度为100 mm/min，各样品测量5次，取平均值。

1.4.3 孔径与过滤性能

采用CFP-1100A型毛细管流动孔隙测量仪对涤纶针刺非织造布进行孔径及孔径分布测试。

采用LZC-H型滤料综合性能测试台对涤纶针刺非织造布进行过滤效率测试。

2 结果与讨论

2.1 涤纶非织造布等温结晶DSC曲线

图1 是涤纶非织造布在180、190、200、210、220和230℃恒温一定时间所得的结晶过程曲线。涤纶分子中含有不能内旋转的苯环，其大分子基本为刚性分子，易于保持线性分子链，因此在一定温度条件下很容易形成结晶。

图1 不同温度下涤纶非织造布等温结晶DSC曲线

2.2 热处理温度与时间的确定

聚合物结晶的总速度由晶核生成速度与晶体生长速度所控制［7］。在结晶过程中，温度影响成核速率，也影响晶体生长速率。温度过高，不利于晶核形成;温度过低，则影响晶体的生长速率。结晶度与晶区分布对涤纶及其织物的力学性能有一定影响［8］。

当温度在180～200℃之间时，晶核生成的速度增加，同时分子链仍然具有相当的运动活性，容易向晶核扩散排入晶格，晶体生长速度也加快，结晶总速度迅速增加。因此，在该温度下完成结晶的过程所需时间非常短，基本在1 min内完成结晶，结晶峰尖锐。

当温度在200～230℃之间时，随着温度的升高，分子热运动加剧，分子链有序排列所形成的晶核不稳定或不易形成晶核，尽管此时分子运动能力很强，但总的结晶速度较低，完成结晶的过程所需时间逐渐增加，在230℃时完成结晶的时间超过10 min，结晶峰不明显。因此，在210℃条件下，结晶速度较为适中。

涤纶的相对结晶度X是t时刻试样结晶放出的热量与其完全结晶时所放出热量的比值，可通过下面公式计算得到［9］:

式中:Xc(t)——t时刻试样结晶放出的热量;

Xc(t∞)——无限长时间放出的最大热量。

由图2可见，相对结晶度与时间的关系曲线呈S形，涤纶结晶的晶体生长过程可以分为三个阶段［10］。结晶诱导初期涤纶的相对结晶度没有显著提高，此后结晶度则随时间迅速增长。测试结果表明，在210℃时完成结晶过程的时间约为3 min。为进一步研究热处理过程中结晶状况对于涤纶针刺非织布性能的影响，选定210℃为热处理温度，处理时间根据结晶完成时间分别确定为1、2、3和4 min。

图2 涤纶非织造布在210℃时相对结晶度与时间的关系曲线

2.3 热处理前后非织造布性能表征

2.3.1 面密度与厚度

表1为未经处理的涤纶针刺非织造布与在210℃下分别经过1、2、3和4 min热处理后的涤纶针刺非织造布的面密度和厚度。可以看出，随着热处理时间的增加，面密度逐渐增加。热处理温度高于涤纶的玻璃化温度，部分分子链段运动加剧，能自由旋转、弯曲、伸展或收缩，纤维表现出较大的变形能力。同时，随着热处理时间的增加，纤维收缩加剧，非织造布结构更加紧密。非织造布在横向被固定，纵向发生收缩，因而面密度增加。热处理对于非织造布厚度的影响不大，厚度的差异主要来源于基布本身的厚度不匀。

表1 热处理前后非织造布面密度与厚度参数

2.3.2 力学性能

由图3可见，随着热处理时间的增加，涤纶非织造布的断裂强力逐渐增大，最后趋于稳定。这是因为热处理时间的延长，使涤纶大分子处于显著热运动的时间更久，更有利于分子的诱导取向再结晶过程，形成更多结构更完善的结晶;同时，在热处理过程中，单根纤维的热收缩造成了非织造布整体的收缩，使非织造布结构以及纤维之间的缠结更加紧密。结晶更加完善和结构更加紧密综合作用的结果导致非织造布的力学性能得到明显改善。在达到一定时间后，结晶趋于完整，不会随着时间的增加而无限结晶，同时非织造布结构紧密程度趋于稳定，因此强力随之保持稳定。

图3 热处理前后非织造布断裂强力与断裂伸长率变化曲线

图3还显示，经过热处理的非织造布的断裂伸长率明显低于未经处理的非织造布。这是由于热处理使纤维结晶度增大，大分子链之间的作用力增强，阻碍分子链之间的滑移，延伸度降低。

2.3.3 孔径及过滤效率

热处理前后涤纶针刺非织造布孔径及孔径分布的测试结果见表2。

表2 热处理前后非织造布孔径及孔径分布测试结果

热处理使纤维变形收缩，非织造布整体随着纤维的收缩而更加紧密，且随着热处理时间的增加，平均孔径明显减小，同时孔径分布最集中的区域值逐渐减小。

过滤效率是针刺非织造布作为过滤材料应用时的一项重要指标，其中以针对PM2.5的监测标准尤为重要。表3是热处理前后涤纶针刺非织造布的过滤性能。综合过滤效率η按下式计算:

式中:nl——上游各粒径的粒子数总和;

n2——下游各粒径的粒子数总和。

表3 涤纶针刺非织造布的过滤性能

经热处理后，非织造布的平均孔径随着热处理时间的增加而逐渐减小，相应的过滤效率也逐渐提高，尤其是对于较小粒径颗粒的过滤效率较高。其中，经热处理后对粒径≥2.0 μm的颗粒的过滤效率，由最初的46%，提升至70%以上，过滤效率提高较为明显。对粒径≥10 μm的颗粒热处理前后的涤纶针刺非织造布的过滤效率均可达到100%。从综合过滤效率来看，经过热处理后的非织造布过滤效率明显提高，且随着热处理时间的增加，纤维收缩使非织造布更加紧密，其综合过滤性能提高，对小粒径颗粒的过滤效率得到改善。

3 结论

(1)涤纶针刺非织造布在不同温度下的等温结晶DSC曲线显示，在210℃时完成结晶过程的时间约为3 min。

(2)热处理对涤纶针刺非织造布的力学性能有明显影响，随着热处理时间的增加，断裂强力提升，断裂伸长率较未处理时有所下降。

(3)随着热处理时间的增加，涤纶针刺非织造布平均孔径逐渐减小，对小粒径颗粒的过滤效率提高，对粒径≥2.0 μm的颗粒的过滤效率，由最初的46%提升至70%以上，综合过滤效率得到改善。

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