3D 熔喷聚丙烯非织造材料的制备及缓冲性能研究

2022-08-04谢单单张钟雷胡佳丽相鸿钦

纺织科学与工程学报 2022年3期

谢单单，张钟雷，胡佳丽，冯凯，相鸿钦，张伟

(1.南通大学纺织服装学院，江苏南通， 226019；2.江阴健发特种纺织品有限公司，江苏无锡， 214421)

0 引言

缓冲材料来源广泛、且种类众多，目前市场上的包装、防撞等缓冲材料，主要使用纸制类缓冲材料和发泡塑料类缓冲材料[1－3]。蜂窝纸板和瓦楞纸板是目前应用比较普遍的纸制型缓冲材料[4－5]，其主要应用于包装衬垫、纸箱等产品，可应用于医用器械、家用电器、农用及食品等领域[1，6]。 Bovea等[7]通过评价软件对瓷砖纸板盒包装系统进行了生命周期评估，并发现在胶粘剂的使用过程中以及生产过程的能源消耗方面对环境造成了较为严重的破坏。此外，由于纸制类包装材料废弃物的焚烧会释放CO、NO2等有害气体，因此，包括含油墨的废纸中存在的铅及其他有害物质对环境和人体健康都带来严重的不良影响[8]。纸制型缓冲材料虽然在市场上应用较为广泛且成本较为稳定，但因其材料主要源于植物纤维，这在一定程度上对环境造成了破坏，同时会造成资源的短缺[9]。

发泡塑料型缓冲材料应用较为广泛的有发泡聚苯乙烯(Expandable polystyrene，EPS)、发泡聚乙烯(Expandable polyethylene，EPE)、发泡聚丙烯(Expandable polypropylene，EPP)等。其中，EPS 缓冲材料在生产过程中因氟氯烃等的存在对大气臭氧层有着巨大的破坏作用，压缩后易产生塑料形变、可重复性能差，其废弃物难以降解、不易回收等缺点对环境造成了严重的污染[10－14]；通过对EPE材料在环境温度[15－16]、密度[17－18]、厚度[18]、多次冲击[19－20]等因素下其缓冲性能影响的研究，发现EPE 材料有着高缓冲性、高恢复性、高抗震性等优点，相比于EPS，该材料可回收再利用，具有较好的环保性能，但其制备工艺较为复杂、周期较长、成本较高等[21]；EPP 以其良好的能量吸收性、热稳定性、弹性回复性及质轻、经济、环保等特点的缓冲材料被广泛应用于包装、汽车、电子、包装以及建筑等领域[22－24]。相比于目前市场上广泛使用的EPS 等缓冲材料，EPP 在诸多方面都有着较为明显的优势。因此，对聚丙烯(Polypropylene，PP)类缓冲材料的力学及缓冲性能的研究对于自然资源的节约、使用的合理性和高效性以及成本的控制等都有着重要的价值。

本文在具有3D 结构的熔喷聚丙烯非织造材料的基础上，通过交叉粘合复合形成熔喷聚丙烯缓冲材料，并对其力学性能、透气性能、耐磨性能及静态压缩性能等进行了测试分析，同时研究了材料的厚度对3D 熔喷缓冲材料缓冲性能的影响。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

实验所用的熔喷材料是由江阴健发特种纺织品有限公司所生产，克重为2.35 g/m2；JL－655 型粘合剂，东莞市聚力胶粘制品有限公司；Instron 万能材料试验机，美国Instron 公司；YG(B)031PC 型台式taishi2 电子织物顶破强力机，温州大荣纺织仪器有限公司；YG(B)461E 型数字式织物透气性能测试仪，温州大荣纺织仪器有限公司；WDW－10 型微机控制土工布材料试验仪，济南思达测试技术有限公司；YT050 型土工布磨损试验仪；PTX－FA21OS 型电子天平，华志(福建)电子科技有限公司。

1.2 材料的制备

图1(c)为3D 熔喷PP 材料的结构示意图，将熔喷非织造材料通过点对点上胶后固化，经交叉逐层叠加复合形成不同厚度的3D 熔喷缓冲材料，实物图如图1(a)、图1(b)所示。最后根据测试标准裁成相对应规格的试样，进行下一步相关性能测试。所有的测试环境温湿度均分别为标准大气压条件(温度20±4 ℃，相对湿度65±3 %)下进行。

图1 熔喷PP 非织造材料结构图(插图为对应电镜图)

1.3 性能测试

分别参照GB/T 24218.15－2018«非织造布试验方法第15 部分:透气性的测定»、GB/T 19976－2005«纺织品顶破强力的测定钢球法»、GB/T 24218.3－2010«非织造布实验方法第3 部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)»及GB/T 17636－1998«土工布及其有关产品抗磨损性能的测定砂布/滑块法»对试样的透气、顶破、拉伸以及耐磨性能进行测试。准备不同复合层数的3D 熔喷缓冲材料各3 组；并参照GB/T 24442.1－2009«纺织品压缩性能的测定第一部分恒定法»和GB/T 8167—2008«包装用缓冲材料动态压缩试验方法»，对试样进行预调湿后在加载速率为7.5 mm/min 条件下对试样进行静态压缩回弹性能测试。

(1)静态压缩试验

①应力—应变曲线

通过以下公式(1)、(2)可分别求出试样的压缩应力和压缩应变，并得到应力—应变曲线(σ－ε曲线)。

w为试样回弹率，%；H0为材料压缩前的厚度，mm；Hj为材料压缩后的厚度，mm。

(2)循环压缩—回弹试验

对试样进行循环压缩—回弹试验，每个试样循环加载5 次。将测试采集得到的载荷—位移数据通过计算与处理绘制循环压缩变形曲线、循环压缩—回弹曲线。

2 结果与讨论

2.1 试样厚度分析

参照GB/T 1380－1997 测试标准对试样进行厚度测试，同一试样选取四个角和中间位置5 个点测试，并取其平均值。测试样品的厚度见表1。由于粘合剂在两粘合界面之间发生作用使两界面间产生相互粘结力，所以经复合粘合之后的试样比单一原材料的厚度有略微增加。

表1 试样厚度及特征参数

2.2 材料透气性能分析

不同复合层数熔喷聚丙烯非织造材料透气测试结果及透气率变化分别如表2、图2 所示。由图2、表2 可以看出单层熔喷非织造材料的透气率最高，为2156.59 mm·s－1，随着复合层数的增加，透气率呈大幅下降趋势，从6 层到12 层的降幅逐渐减小。这主要来源于两方面的原因，一是复合的层数越大，也就是厚度越大，层间材料相互作用导致孔隙率的下降；二是粘合剂的作用，上胶量面积越大，材料的孔隙率越小。因此可以说明材料的层数(即厚度)、粘合剂上胶方式和上胶量等都会对其透气性产生影响。

表2 试样透气率测试

图2 不同复合层数熔喷PP 非织造材料透气率变化

2.3 材料顶破性能分析

试样的顶破性能测试结果见表3。由表3 可知，材料的顶破强力随着层数的增加不断增大。如图3 所示，不同层数材料顶破强力的增长几乎呈正线性增长趋势，3D 熔喷PP 非织造材料厚度越厚，表明该材料具有越好的顶破性能。试样的伸长率较为一致，说明在对材料进行粘合时点对点交叉粘合的方式使材料结构较为稳定。

图3 不同复合层数熔喷PP 非织造材料的顶破强力与伸长率的变化

表3 试样顶破性能测试

2.4 材料拉伸性能分析

试样的拉伸曲线和结果见图4。由下页图5可知，材料的拉伸力随着层数的增加不断增大，且不同层数材料断裂强力的增长接近正线性增长趋势，材料越厚，表明该材料具有越好的力学性能。如表4 所示，试样的伸长率保持相对稳定在30%左右，说明该缓冲材料具有较为优良的抗拉伸性能的同时还具有较为稳定的结构。

图4 不同复合层数熔喷PP 非织造材料的拉伸断裂曲线图

表4 试样拉伸性能测试

图5 不同复合层数熔喷PP 非织造材料断裂强力、伸长率与复合层数之间的变化

2.5 材料耐磨性能分析

试样的耐磨性能测试结果见表5、图6。通过以下公式(4)可分别计算出试样的耐磨指数。

图6 不同复合层数熔喷PP 非织造材料耐磨指数和质量损失率的变化

表5 试样耐磨性能测试

Ai为耐磨指数，次/mg；n为总摩擦次数，次；Δm为试样在总摩擦次数下的质量损失，mg。

由表5、图6 可以看出单层材料耐磨性较差，在磨损30 个周期就发生了断裂，其平均耐磨指数仅为6.8 次·mg－1，而试样2＃和3＃经750 个周期之后未断裂，耐磨指数分别为15.9 次·mg－1、15.8 次·mg－1，且两种试样的质量损失率相差较小，说明当复合层数≥2 时对材料的耐磨性能影响较小，因此对于>3 层的复合材料的耐磨测试对其性能没有影响。

2.6 材料静态压缩回弹性能分析

(1)σ－ε曲线、回弹率曲线

通过处理得到不同厚度试样的σ－ε曲线、回弹率曲线如下，分别如图7、8 所示。如图7，在应变值一定时，9 层复合熔喷缓冲材料所受应力值最小，6 层材料应力值最大。如图8 所示，可以看出随着缓冲材料复合层数的增加，材料的回弹率总体呈上升趋势，缓冲性能较好。 9 层材料回弹率稍低于6 层材料可以归因于粘合剂的上胶量及点胶不匀等所带来的影响。

图7 不同复合层数熔喷PP 非织造材料的σ－ε 曲线

图8 不同复合层数熔喷PP 非织造材料的回弹率曲线

(2)循环压缩变形曲线

通过上述测试，选取复合层数为6 的材料进行压缩回弹测试，试样应力—应变曲线如下页图9 所示。该3D 缓冲材料结构稳定，压缩后可较为快速地回弹。由于熔喷聚丙烯非织造材料本身的非线性特性，该缓冲材料在循环压缩下其加载曲线和回弹曲线不互相重合，同时因缓冲材料的变形损伤使其回弹时无法回复到原点，无法形成密闭滞回环[21]。总体上，该缓冲材料经多次循环压缩后，最大应力基本保持，未产生很明显的塑性形变。