聚丙烯非织造复合材料的塑性变形老化分析

宋泽文，张初阳,2

(1.东华大学，上海 201620；2.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830046)

聚丙烯非织造复合材料的塑性变形老化分析

宋泽文1，张初阳1,2

(1.东华大学，上海 201620；2.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830046)

文章采取部分熔融纺丝工艺生产的非织造材料为原料，模拟不同的温湿度贮存环境作为试样的贮存环境，并进行定期的性能检测。通过断裂伸长率和最大强力值表征试样的力学性能变化，同时研究聚丙烯材料结晶度与相对分子质量的变化趋势分析试样力学性能变化的内因。

卫生材料；聚丙烯；非织造布；纺丝成网法

随着人们生活水平的提高和对个人卫生的重视，一次性卫生用品如婴儿尿不湿、妇女用卫生巾和成人失禁护垫等产品的使用量和使用频率越来越大。由于越来越多的同类产品被送达货架，明确这类产品的使用寿命并理解影响产品使用寿命的因素均成为必要的产品知识。

通过熔融纺丝法制成的低面密度非织造材料是该类卫材的主要成分，熔融纺丝法的工艺[1]流程简洁，主要是通过把加热到熔融状态的高分子聚合物流体从细小的喷丝孔中快速挤出后再在空气中冷却及牵伸拉长，最后将纤维固结成网。为了使非织造材料具备更佳的微粒过滤效能和较好的力学强度，熔融纺丝工艺生产的纺粘—熔喷—纺粘(SMS)复合结构的非织造材料应运而生[2]。由于产品的柔软手感和独特的细小孔径，该种复合非织造材料如今被广泛应用于医疗和卫生等领域。

1　试验部分

1.1试验原料

本文中采用的纺粘非织造布的聚丙烯原料的熔融指数约为34 g/10min；熔喷非织造布的聚丙烯原料的熔融指数为1400 g/10min。在试验用的复合非织造产品中，试样的面密度均为15 g/m2，如图1所示。非织造布试样的预加轴向张力大小为100 N/m，试样被固定于不锈钢铝板表面，用试样夹和强力胶带固定位置防止试样滑移。每块试样的长570 mm，宽为400 mm。

图1　试验中试样样板

1.2老化对比条件

本文采用两种温湿度规格，一种是采用标准实验室的温湿度23℃及60%相对湿度的环境;另一种试验环境是采用40℃及75%相对湿度的环境。如图2所示的恒温恒湿箱被用来实现40℃及75%相对湿度的老化环境。

1.3试验试样

本次试验中所有样品基本特性均被记录在表1中，两种材料主要放在不同的温湿度环境中进行老化试验。

1.4实验周期

总共长达24个星期的测试在本试验中得到开展，各组测试工作分别在0周，4周，8周，12周和24周老化后迅速完成，在每个测试点对应的测试数据均被记录和分析。

1.5 性能测试

1.5.1平方米面密度

通过面密度数值可以观测试样制备的制程能力和稳定性水平，同时面密度也会影响各力学性能，稳定的面密度可以佐证本试验中强力水平对比的合理性。每个试样在每个测试周期均被测试10个数据。

图2　LHS-250-I型恒温恒湿箱

试样组分面密度(g/m2)张力(N/m)温度/湿度(℃/%)#1SMMS159840/75#2SMMS159823/60

1.5.2强力性能

强力测试用来表征试样材料的坚韧强度和纤维间的粘结强度。在24周的老化试验中，强力仪选用Zwick强力仪，每种试样在每个测试周期被测试30个值，求平均值代表平均强力性质，用方差观测各个测试周期中样品性能的均一性。测试并记录最大强力值和断裂伸长率，同时强度保持率与断裂伸长保持率也可以从平均值中得出。

1.5.3差示扫描量热法

为了从微观角度理解和分析高分子材料在老化过程中的分子链结构变化，差示扫描量热法(DSC)被用来测试各个样品的结晶度。结晶度与试样的强力性能直接相关，实验中选取5 mg聚丙烯结点试样，N2气流速率20 mL/min, 以20℃/min的速度从50℃升温至180℃，得到聚丙烯熔融过程的热晗—时间关系表，进而推算求得其结晶度。计算公式为[3-4]：

1.5.4凝胶渗透色谱法

本试验中，分子量分布为表征微观分子量分布的重要指标，从本试验结果可以观测在老化过程中聚丙烯高聚物的相对分子质量变化趋势。由于聚丙烯材料很难溶解于一般溶剂，凝胶渗透色谱(GPC)需要采用高温色谱法(150℃)并采用三氯甲苯为溶剂。

2　结果与讨论

2.1面密度测试

由于本试验中的试验样品都是疏水的聚丙烯非织造材料，即使在高湿度(75%相对湿度)条件下的回潮率依然趋近于零。如图3所示，在未老化样品的强力对比中，两种试验材料的面密度均稳定于15g/m2，这说明在生产过程中，两种样品的工艺稳定，同时面密度与力学性质有直接联系，大面密度非织造材料意味着更多的纤维缠结，即断裂强力相应增大。在老化试验结束后，两种材料的面密度数值没有发生显著改变。

图3　老化过程中两种样品的面密度

2.2温湿度的影响

本试验中两种测试环境被用来研究不同的温湿度环境对聚丙烯非织造复合材料老化速率的影响。强力性能作为主要的性能指标，同时利用结晶度测试和分子量的凝胶渗透色谱测试来表征聚丙烯非织造材料内部的变化。

2.2.1结晶度测试

结晶度与高聚物材料的力学性能有很大联系，一般说来，结晶度越大的高分子聚合物材料的强力值也往往越大，材料相对刚硬。

同样的聚丙烯非织造材料在有张力条件下被放置于两种不同的温度与湿度环境下，原始结晶度是一致的。从图4的对比中可知， 40℃/75%相对湿度条件下的聚丙烯非织造材料最终的结晶度比23℃/60%下的聚丙烯非织造材料高了约3%。在老化后，两种聚丙烯非织造材料的结晶度与未老化的结晶度相比，聚丙烯材料的结晶度均有小幅度的提升。

图4　两种样品老化前后的DSC图谱

由于老化过程中，两种聚丙烯试样都在张力条件下被长期拉伸，蠕变现象发生在整个老化过程中，聚丙烯分子链内部的分子链在张力拉伸条件下趋向于沿轴向逐步解开原有的缠结而在原来的非结晶区域内部重结晶，这是造成试验中结晶度上升的主要原因。相比于实验室条件(23℃及60%相对湿度)条件下，在恒温恒湿箱(40℃及75%相对湿度)的非织造材料由于较高温度的存在，分子量蠕变效应更加显著，因此更多的缠结分子链段得到解开，进而重结晶的程度也更显著。

2.2.2分子量测试

分子量测试的主要目的是了解老化过程中聚丙烯高聚物的分子链断链的程度。在整个老化过程中，由图5所示，恒温恒湿箱中的试样的重均分子量下降了约15%，在标准实验室条件下的试样的重均分子量下降了约13%。这说明了在恒温恒湿箱条件下聚丙烯非织造材料的分子量下降更多，这个结果与结晶度测试的结果相互匹配。

2.2.3力学性能测试

力学性能在聚丙烯非织造材料的老化过程中可以作为重要的老化进程指标，相比于最大强力值的变化程度，断裂伸长率的减少量往往更加明显。由图6和图7所示，断裂伸长率的降幅比较显著，无论是横向或者纵向断裂伸长率的对比中，在恒温恒湿箱中的老化程度均比在实验室中的老化程度高。由于在恒温恒湿箱中试样的聚丙烯高聚物材料的分子量损失得更多，对于同类高分子材料，越低的相对分子质量意味着更少的分子间缠结和更低的断裂伸长率。

图5　两种样品老化的重均分子量

图6　两种样品老化的横向断裂伸长率

图6的横向伸长率对比中，40℃及75%相对湿度环境中的试样的断裂伸长率损失了42.9%，而23℃及60%相对湿度环境中的材料的断裂伸长率损失了35.0%。

图7的纵向断裂伸长率的对比中，40℃及75%相对湿度环境中的试样的断裂伸长率损失了36.3%，而23℃及60%相对湿度环境中的试样的纵向伸长率损失了约23.6%。

图7　两种样品老化的纵向断裂伸长率

在拉伸试验中的强力试验结果与断裂伸长率试验对比可发现，伸长率的下降比强力值的下降更显著。

在图6和图7的老化过程中强力的对比中，相对分子质量的下降是导致强力下降的直接原因，但是由于结晶度的测试结果显示老化后高聚物材料的结晶度略微增大，材料变得更刚硬。结晶度的增加是高聚物的强力值保持率好的主要原因。

由图8可知，恒温恒湿箱中的试样横向强力损失为15.2%，而置于实验室温湿度环境中材料的纵向强力损失了9.8%。相比于23℃/60%环境，40℃/75%相对湿度的环境对横向强力的衰退起起到促进作用。

图8　两种样品老化的横向强力峰值

由图9可知，恒温恒湿箱中的试样纵向强力损失率为25.66%，而置于实验室温湿度环境下的高聚物材料的纵向强力损失了15.84%。相比于23℃/60%环境，40℃/75%相对湿度的环境对纵向强力的衰退起起到加剧作用。

图9　两种样品老化的纵向强力峰值

3　结论

本文主要研究了不同的温湿度环境对于聚丙烯非织造复合材料的老化程度的影响，从试验中得到如下结论。

3.1老化后的聚丙烯高聚物的结晶度略微增加，且40℃及75%相对湿度环境下的结晶度增加幅度比23℃及60%相对湿度环境条件的结晶度大。

3.2聚丙烯非织造复合材料的高聚物相对分子质量在老化过程中持续下跌；且40℃/75%相对湿度环境下的相对分子质量跌幅比23℃/60%相对湿度环境条件的相对分子质量跌幅大。

3.3老化过程中，横向和纵向的聚丙烯非织造复合材料的断裂伸长率均有较大幅度的下降，这和相对分子质量下降有直接联系。

3.4老化过程中，强力的跌幅和断裂伸长率的跌幅相比没有如此显著，主要是结晶度的增加一定程度上保持了试样的强力值。

[1]DharmadhikaryRK,DavisH,GilmoreTF,etal.Influenceoffiberstructureonpropertiesofthermallypointbondedpolypropylenenonwovens[J].TextileResearchJournal, 1999, 69(10): 725—734.

[2]陈廷，陈革.纺粘-熔喷复合材料的加工与应用 [J].产业用纺织品,1999,17(3):18—22.

[3]FrancqisA,RichaudE,DesnouxE,ColinX.Influenceoftemperature,UV-lightwavelengthandintensityonpolypropylenephotothermaloxidation[J].PolymerDegradationandStability, 2014,(100):10—20.

[4]LimaMFS,VasconcellosMAZ,SamiosD.Crystallinitychangesinplasticallydeformedisotacticpolypropyleneevaluatedbyx-raydiffractionanddifferentialscanningcalorimetrymethods[J].JournalofPolymerSciencePartB:PolymerPhysics, 2002,40(9):896—903.

(1.DonghuaUniversity，Shanghai201620，China;2.XinjiangUniversity,Urumqi830046，China)

CharacterizationonAgingPerformanceofMeltSpun

PolypropyleneCompositeNonwovens

Song Zewen1, Zhang Chuyang1,2

Specifiedmeltspunnonwovenmaterialswerepreparedasspecimens,andproperties′measurementswerethenoperatedatdifferenttimepointsduringstorageprocess.Mechanicalproperties,degreeofcrystallinityandmolecularweightofpolypropylenewerekeytestitemsinthisstudy.

hygiene;polypropylene;nonwoven;meltspinning

2015-01-14

宋泽文(1990—)，男，江苏泰州人，硕士研究生。

TS151

A

1009-3028(2015)02-0008-04