PP/PET针刺过滤材料热老化性能研究*

胡　爽　　朱　亮　　周淑萍　　张　明　　张如全

武汉纺织大学纺织科学和工程学院， 湖北 武汉 430073



PP/PET针刺过滤材料热老化性能研究*

胡爽朱亮周淑萍张明张如全

武汉纺织大学纺织科学和工程学院， 湖北 武汉 430073

摘要：为探索聚丙烯(PP)/聚酯(PET)针刺过滤材料的耐热老化性能，采用烘箱法对试验制备的3种PP/PET针刺过滤材料样品进行不同热老化温度和热老化时间的处理，研究热老化温度和热老化时间对PP/PET针刺过滤材料各项性能的影响。结果表明：随着热老化时间的延长和热老化温度的升高，PP/PET针刺过滤材料的质量、厚度、断裂强度降低，尺寸缩小；当热老化温度超过120 ℃、热老化时间超过4.0 h后，热老化程度明显加剧。

关键词：PP/PET针刺过滤材料，热老化时间，热老化温度，性能

针刺过滤材料被广泛应用于冶金、化工、轻工、纺织、制药、电子、食品、陶瓷等领域，但其热老化现象较为严重。目前，有关针刺过滤材料抗热老化方面的研究已有实质性的进展，并已取得了一些成果，如使用各种稳定剂、抗氧化剂等[1]，但这些药剂只能延长针刺过滤材料的使用寿命，不能完全解决针刺过滤材料的热老化问题，故人们仍对此十分关注与重视[2]。

聚丙烯(PP)纤维具有良好的力学、电绝缘和加工性能，且无毒、价格低廉，是目前产量最大、应用最广的纤维品种之一，但其耐老化性能差，在紫外光和氧气的作用下极易老化。聚酯(PET)纤维断裂强度和弹性模量高，回弹性适中，热定型性能优异，且耐热性好，耐光性尚可。因此，研究PP/PET针刺过滤材料的老化行为及其机理，将有助于了解PP/PET针刺过滤材料的老化过程及引起材料老化的关键影响因素，并据此提高PP/PET针刺过滤材料的耐老化性能，减少因过滤材料老化而造成的经济损失[3-5]。

本文采用烘箱法加速老化进程，对PP/PET针刺过滤材料试样进行热老化试验，通过测试试样处理前后的物理性能，分析试样性能的变化情况，观察试样的外观变化，了解PP/PET过滤材料的耐热老化性能。

1试验

1.1仪器

CP303型电子天平、YG9(B)141D型织物厚度仪、YG065H型电子织物强力机、JXC-K080型烘箱、直尺等。

1.2试样

将PP纤维和PET纤维分别按照80∶20、70∶30、60∶40的质量配比充分混合后，保持其他工艺参数一致，经开松→梳理→铺网→预针刺→主针刺(两次)→成卷等工艺流程后，制备出3种试样用于本文试验。其中10 cm×10 cm规格的试样性能参数见表1。

表1　试样的性能参数

1.3试验方法

热老化试验是一种人工模拟环境的试验，其使用热老化仪器模拟产品在储存、运输、使用过程中可能遇到的热环境，以此探究产品的耐热老化性能。仪器还具有加速产品热老化的作用，可大大缩短试验时间，且试验结果与现场曝露试验相似[6]。

本文利用人工模拟环境的试验方法探究PP/PET 针刺过滤材料的耐热老化性能。先将制备好的3种试样分别剪成10 cm×10 cm的小样布，每种小样布准备11片。首先，每种试样各取1片小样布，测试处理前试样的质量、厚度、断裂强度及尺寸；接着，每种试样取5片小样布，分别置于80 ℃烘箱内1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 h后取出，测试处理后试样的质量、厚度、断裂强度及尺寸；然后，每种试样各取5片小样布，分别置于60、80、100、120、140 ℃的烘箱内2.5 h后取出，测试处理后试样的质量、厚度、断裂强度及尺寸。利用下式计算试样的损失率，以评定PP/PET针刺过滤材料的耐热老化性能：

式中：w——某指标(质量、厚度、断裂强度、尺寸)的损失率，%；

n1——试样热老化处理前，某指标[质量(g)、厚度(mm)、断裂强度(N/10 cm)、尺寸(mm)]的初始值；

n2——试样热老化处理后，某指标[质量(g)、厚度(mm)、断裂强度(N/10 cm)、尺寸(mm)]的测定值。

2热老化时间的影响

2.1对质量的影响

相同热老化温度(80 ℃)处理下，热老化时间与试样的质量及质量损失率的关系如图1所示。

图1　热老化时间对试样质量及质量损失率的影响

由图1可知，在相同的热老化温度条件下，随着热老化时间的增加，试样质量在持续减少。其中，试样质量在1.0~3.0 h内减少缓慢，3.0 h后试样质量减少加快，试样热老化程度逐渐加大。试样质量减少的原因，一方面是试样自身水分蒸发导致质量减少，另一个方面是热老化过程中材料发生热氧化反应，试样内部分子结构遭到破坏，PP/PET针刺过滤材料试样质量减少。

2.2对厚度的影响

相同热老化温度(80 ℃)处理下，热老化时间与试样厚度及厚度损失率的关系如图2所示。

图2　热老化时间对试样厚度及厚度损失率的影响

由图2可知，在相同的热老化温度条件下，随着热老化时间的增加，PP/PET针刺过滤材料试样厚度减少较缓慢，厚度损失率缓慢变大，这表明随着热老化时间的延长，热老化影响在逐渐加深。

2.3对断裂强度的影响

相同热老化温度(80 ℃)处理下，热老化时间与试样断裂强度及断裂强度损失率的关系如图3所示。

图3　热老化时间对试样断裂强度及断裂强度损失率的影响

由图3可知，在相同的热老化温度条件下，随着热老化时间的延长，试样的断裂强度整体呈缓慢下降趋势。因为随着热老化时间的延长，试样原来的分子结构被破坏，局部区域内高分子链的聚集态结构发生改变，PP/PET针刺过滤材料表面结构发生变化，纤维间相对位置也发生了改变。

2.4对尺寸的影响

2.4.1纵向尺寸

相同热老化温度(80 ℃)处理下，热老化时间与试样纵向尺寸及纵向尺寸损失率的关系如图4所示。

图4　热老化时间对试样纵向尺寸及纵向尺寸损失率的影响

由图4可知，在相同的热老化温度条件下，随着热老化时间的延长，试样纵向尺寸的变化在增大，且4.0 h后的变化更加显著，这说明热老化处理4.0 h后的PP/PET针刺过滤材料蠕变缓慢增大。由于聚合物具有黏弹性，其在恒定外力(包括自身质量)作用下，随着时间的延长，蠕变会逐渐产生，这将导致试样的纵向尺寸不稳定。一般情况下，含柔性链的聚合物抗蠕变能力相对较差，尺寸稳定性差；含刚性链的聚合物抗蠕变能力相对较强，尺寸稳定性好。

2.4.2横向尺寸

相同热老化温度(80 ℃)处理下，热老化时间与试样横向尺寸及横向尺寸损失率的关系如图5所示。

图5　热老化时间对试样横向尺寸及横向尺寸损失率的影响

由图5可知，在相同的热老化温度条件下，随着热老化时间的延长，试样横向尺寸的变化相对于纵向较显著。原因在于横向纤维间抱合力较小，经热老化处理后纤维间的相对位置发生了变化，故横向尺寸发生了一定程度的变化；而纵向纤维并列分布，纤维间的相对位置较稳定，故而稳定性优于横向。

由图4、图5知，PET质量配比越大，PP/PET针刺过滤材料尺寸变化损失率越小，尺寸稳定性越好。

3热老化温度的影响

3.1对质量的影响

相同热老化时间(2.5 h)处理下，热老化温度与试样质量及质量损失率的关系如图6所示。

图6　热老化温度对试样质量及质量损失率的影响

由图6可知，在相同热老化时间处理条件下，随着热老化温度的升高，试样的质量在减小，120 ℃之后试样质量减小更加显著。这是因为短时间内温度对试样的热老化影响不明显，但随着温度的上升，纤维的聚集态结构发生改变，纤维中结晶解体，取向度下降，相对分子质量下降，最终导致试样质量减小。

3.2对厚度的影响

相同热老化时间(2.5 h)处理下，热老化温度与试样厚度及厚度损失率的关系如图7所示。

图7　热老化温度对试样厚度及厚度损失率的影响

由图7可知，在相同热老化时间处理下，随着热老化温度的逐渐升高，试样的厚度在减小，且温度达120 ℃后试样厚度减小更加显著。这是因为，随着热老化温度的升高，纤维大分子链断裂，纤维发生蠕变，纤维间的相对位置发生改变，导致试样厚度减小。

3.3对断裂强度的影响

相同热老化时间(2.5 h)处理下，热老化温度与试样断裂强度及断裂强度损失率的关系如图8所示。

图8　热老化温度对试样断裂强度及断裂强度损失率的影响

由图8可知，在相同热老化时间处理下，随着热老化温度的升高，3种试样的断裂强度均呈缓慢减小趋势。温度升高，纤维结晶解体，取向度下降，纤维强度下降、延伸性增大、模量降低；较高温度时，PP纤维发生软化、熔融；温度持续升高，纤维大分子热运动加剧，PP纤维逐渐裂解产生双键，大分子柔曲性提高，分子间结合力削弱，初始模量随之降低。此外，试样1的断裂强度最小，而试样2、试样3的断裂强度明显高于试样1，这是因为加入适量PET纤维后，材料的厚度增大，纤维间的抱合力增强，致使材料断裂强度增大，但当PET纤维质量分数达到一定值后，增加PET纤维含量，材料断裂强度有所下降。

3.4对尺寸的影响

3.4.1纵向尺寸

相同热老化时间(2.5 h)处理下，热老化温度与试样纵向尺寸及纵向尺寸损失率的关系如图9所示。

图9　热老化温度对试样纵向尺寸及纵向尺寸损失率的影响

由图9可知，在相同热老化时间处理下，随着热老化温度的升高，试样纵向尺寸逐渐减小，且在100 ℃ 后纵向尺寸减小显著。这是因为在较高的热老化温度下，高分子的分子结构发生变化，大分子链蠕变或者滑移，破坏了原来的分子结构。部分大分子产生断裂，局部区域内高分子链的聚集态结构发生改变，纤维晶区的晶格发生变形, 非晶区的分子取向增大, 纤维中的微孔有尺寸增大和数量增多的趋势，纤维间的相对位置发生变化，材料表面的结构也发生相应改变，故导致试样尺寸不稳定。

3.4.2横向尺寸

相同热老化时间(2.5 h)处理下，热老化温度与试样横向尺寸及横向尺寸损失率的关系如图10所示。

图10　热老化温度对试样横向尺寸及横向尺寸损失率的影响

由图10可知，在相同热老化时间处理下，随着热老化温度的升高，试样的横向尺寸在减小，特别是100 ℃以后，试样横向尺寸减小显著。究其原因在于，聚合物具有黏弹性，其在热老化过程中受恒定外力(包括自身质量)作用易产生蠕变，导致纤维之间的相对位置发生改变，加之横向纤维间的空隙相较于纵向更大，故试样横向尺寸更加不稳定。

此外，由图9和图10可知，PET质量配比越大，PP/PET针刺过滤材料的尺寸变化损失率越小，尺寸稳定性越好。

4结论

研究了PP/PET针刺过滤材料的耐热老化性能，通过与热老化前的PP/PET针刺过滤材料的质量、厚度、断裂强度、尺寸进行比较和分析，得出：

(1)热老化时间越长、热老化温度越高，PP/PET针刺过滤材料的质量、厚度、断裂强度及尺寸都会减少；

(2)PP/PET针刺过滤材料中PET的质量配比越大，材料尺寸稳定性越好。

参考文献

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[2] 付中玉，李丽娟.聚丙烯纤维的拉伸强度和耐光老化性能[J].北京服装学院学报(自然科学版)，2004,24(4):22-26.

[3] 陈莉，黄垂助.室外环境下涤纶织物的性能变化[J].上海纺织科技，2011,39(5):29-30.

[4] 高洋，蔡志江.静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用研究进展[J].高分子通报，2013 (12):15-20.

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[6] WANG Cheng, LIN Hong, CHEN Yuyue. Study on the preparation of steady-state chitosan nanoparticle as silk-fabric finishing agent [J]. Advanced Material Research, 2011(175/176): 745-749.

Study on thermal aging property of PP/PET needle filter material

HuShuang，ZhuLiang，ZhouShuping，ZhangMing，ZhangRuquan

College of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan 430073, China

Abstract:In order to explore the thermal aging property of the PP/PET needle filter material, three kinds of PP/PET needle filter material samples prepared by experiments were dealed with different thermal aging temperatures and times in the oven, and the effect of thermal aging temperature and time on the properties of PP/PET needle filter material was researched. The results showed that, with the thermal aging time extending and thermal aging temperature increasing, quality, thickness, tensile strength of the PP/PET needle filter material were reduced, and the size also was shorten; and when the thermal aging temperature exceeded 120 ℃ and the thermal aging time exceeded 4.0 h, the degree of thermal aging increased significantly.

Keywords:PP/PET needle filter material, thermal aging temperature, thermal aging time, property

中图分类号：TS176+.3

文献标志码:A

文章编号：1004-7093(2016)01-0020-05

作者简介：胡爽，女，1992年生，在读硕士研究生，研究方向为功能非织造材料通信作者:张如全，E-mail：zry2010@gmail.com

收稿日期：2015-04-02

* 湖北省自然科学基金重点项目(2013CFA090)；浙江省产业用纺织材料制备技术重点实验室开发基金项目(2014)