金关秀,应伟伟,雷　新,从明芳,祝成炎

(1.浙江理工大学 材料与纺织学院，杭州　310018；2.浙江工业职业技术学院，浙江绍兴　312000)



聚丙烯纺粘非织造材料的制备与纤网细观结构特征

金关秀1,2,应伟伟1,雷新1,从明芳1,祝成炎1

(1.浙江理工大学 材料与纺织学院，杭州310018；2.浙江工业职业技术学院，浙江绍兴312000)

为探讨制备技术参数对聚丙烯纺粘非织造过滤材料细观结构的影响规律，分别设定网帘频率为5、6、7、8Hz和9Hz，计量泵频率为20、22、24、26、28Hz，共制备了9种试样。采用基平面网特征长度等7个参数对纺粘非织造纤网的细观结构进行表征并进行测定。结果表明：随着网帘频率的提高，基平面网特征长度和层数均呈下降趋势，平均纤维取向角减小，孔隙率随之提高，孔径呈增大趋势，但孔径变异系数逐步减小；随着计量泵频率的提高，纤维直径随之增大，孔隙率下降，孔径呈减小态势，但孔径变异系数增大。对实验结果进行Boltzmann函数拟合或线性拟合，相关系数达到0.98699～0.99734，显示有很好的拟合度。

聚丙烯；纺粘非织造材料；细观结构；网帘频率；计量泵频率

空气过滤在人们的生活和生产中正扮演着越来越重要的角色[1-2]。纤维过滤材料凭借原材料广、综合性能优及易于加工等优势，在空气过滤材料中占绝大部分，其中非织造材料由于其独特的三维多孔结构而受到广泛应用[3-4]。采用不同或相同成网方式的非织造材料进行复合加工制备复合型非织造空气过滤材料是一条具备综合优势的加工途径[5]，既可获得优良的过滤效果，其加工过程又相对简单易行，而且材料的使用寿命较长。非织造过滤材料的性能取决于材料的纤网结构，包括纤维堆砌方式和孔隙结构[6-7]。聚丙烯(PP)纺粘非织造材料机械性能优良、体积密度小、加工流程短，虽较少单独应用于空气过滤，但却是一种综合性能较好、从某种意义上来说是不可或缺的复合基材[8]，本文对单层PP纺粘非织造材料的细观结构随制备技术参数而变化的规律进行探索，为研制高效的复合非织造材料提供理论基础。

1　实验部分

1.1原料

纺粘PP切片，熔点162℃，熔融指数30g/10min(常州普莱克红梅色母料有限公司)。

1.2设备与仪器

HD-SM100型纺粘/熔喷非织造布试样生产线(烟台华大科技有限公司)；JSM-5610LV扫描电镜(日本JEOL公司)；AL204-IC电子天平；YG(B)141D型数字式织物厚度仪；PSM165孔径测试仪(德国TOPAS公司)。

1.3材料制备

分别设定不同的计量泵频率(控制计量泵转速)和网帘频率(控制网帘速度)进行材料的制备，实验方案如表1所示。

表1制备实验方案

试样编号制备技术参数计量泵频率/Hz网帘频率/HzA205B206C207D208E209F227G247H267I287

其它设备工艺条件为：

螺杆挤出机温度200、210、220、220、220℃(1～5区)；纺丝箱体和纺丝组件温度均为220℃；侧吹风温度20℃；侧吹风频率28Hz。

由表1中可知制备方案分为两个组别，其一为计量泵频率固定而改变网帘频率，其二为网帘频率固定而改变计量泵频率，其中试样C兼属两个组别。

1.4纤网细观结构的表征与测试

从唯象角度来看，最简单的纤网具有两个直径厚度，由若干相互交叉的纤维所构成，称为基平面网。非织造布可以看作是由若干个基平面网复合而成的纤维集合体[9-10]。

本文采用基平面网特征长度、基平面网层数、纤维直径、平均纤维取向角、孔隙率、孔径以及孔径变异系数这7个参数对纺粘非织造纤网细观结构进行表征，计算、测定方法如下。

1.4.1纤维直径和平均纤维取向角

每个样品取10个不同部位进行电镜扫描，获得相应的10幅SEM图像，放大倍数为200；例如图1所示为样品A的1#SEM图像，图像尺寸为400×400像素。采用Image Pro-Plus(IPP)软件测量不同扫描电镜图片中100根纤维的直径，并求取平均值，记为d(μm)。

图1　样品A之1#SEM图像

本文以平均纤维取向角表征材料中纤维的取向程度。采用IPP软件测量每个样品各10幅SEM图片中所有纤维的取向角(纤维与材料纵向的小于或等于90°的夹角)，求取平均值，记为α。当α=45°时，材料中纤维排列最为杂乱。

1.4.2基平面网特征长度和层数

基平面网特征长度是用于分析研究非织造材料分层细观结构的重要参数。基平面网特征长度如式(1)计算：

(1)

式(1)中：σ为基平面网特征长度(km/m2)；μ为面密度(g/m2)；t为材料厚度(mm)；ρ为纤维密度(g/cm3)，本文实验用纤维材料为PP，ρ取值为0.91。

基平面网层数如式(2)计算：

(2)

式(2)中：n为基平面网层数。

则材料单位面积上的纤维总长度如式(3)求取：

l=σ×n

(3)

式(3)中：l为材料单位面积上的纤维总长度。

1.4.3孔隙率

材料孔隙率如式(4)求取：

(4)

式(4)中：λ为孔隙率(%)。

1.4.4孔径及其变异系数

采用PSM165孔径测试仪测取样品的孔径(记为p)及其标准差，并由此计算孔径变异系数v。

2　结果与分析

2.1网帘频率对基平面网特征长度的影响

网帘频率对PP纺粘非织造材料基平面网特征长度和层数的影响分别如图2和图3所示。

图2　网帘频率对基平面网特征长度的影响

图3　网帘频率对基平面网层数的影响

由图2和图3可见，随着网帘频率的提高，材料基平面网特征长度和层数均呈减小趋势，分析认为其原因在于随着网帘加速，虽然在单位时间内从喷丝板喷出的纤维总量不变，但网帘单位面积上收集到的纤维量(总长度)随之减少。本文采用origin软件对基平面网长度实验结果进行Boltzmann函数拟合，拟合曲线如式(5)：

y=16830.0747+(23018.3203-

16830.0747)/(1+e(x-7.0647)/0.7003)

(5)

相关系数为0.99469，说明有很好的拟合度。对基平面网层数实验结果进行线性拟合，拟合函数如式(6)：

y=11.4560-0.2900x

(6)

相关系数为0.99650，说明有很好的拟合度。

2.2计量泵频率对纤维直径的影响

计量泵频率对PP纺粘非织造材料纤维直径的影响如图4所示。

图4　计量泵频率对纤维直径的影响

由图4可知，随着计量泵频率的增大，纤维直径的数值呈单调上升态势，在网帘频率保持7Hz，而计量泵频率从20Hz逐步增大至28Hz(级差为2Hz)时，纤维直径由21.96μm增大至24.67μm，上升幅度为12.34%。分析认为随着计量泵频率的增加，PP聚合物挤出量(流量)也随之增大，则作用在聚合物单位流量上的气流拉伸力会相应减小，使得拉伸程度降低，从而导致纤维直径增大。对纤维直径实验结果进行Boltzmann函数拟合，拟合曲线如式(7)：

y=25.3620+(4.0685-25.3620)/

(1+e(x-11.8527)/4.9133)

(7)

相关系数为0.99199，说明有很好的拟合度。

2.3网帘频率对平均纤维取向角的影响

图5所示为网帘频率对平均纤维取向角的影响规律。

图5　网帘频率对平均纤维取向角的影响

由图5可知，随着网帘频率的提高，平均纤维取向角(α)逐步减小。α值越小，表示材料中纤维整体沿纵向取向的趋势越明显。分析认为随着网帘频率的增加，纤网铺网速度的纵向分量也随之增大，但其横向分量不变，从而使得整体上纤维逐渐趋于沿纵向排列。对平均纤维取向角实验结果进行线性拟合，拟合函数如式(8)：

y=51.3278-1.4327x

(8)

相关系数为0.99194，说明有很好的拟合度。

2.4计量泵频率对孔隙率的影响

图6所示为材料孔隙率随计量泵频率不同而变化的规律。

图6　计量泵频率对孔隙率的影响

由图6可知材料孔隙率随计量泵频率的增大而呈下降趋势。由孔隙率计算式(4)可知，材料孔隙率取决于其面密度、纤维密度和材料厚度这3个因素，而面密度又可换算为材料单位面积上纤维总体积与纤维密度之乘积，结合式(3)可得：

(9)

此外，可将式(2)转换为：

t=2×n×d

(10)

将式(9)、式(10)代入式(4)，可得：

(11)

另一方面实验结果显示，材料的基平面网特征长度σ值在网帘频率相同而计量泵频率不同的情况下保持稳定；而当计量泵频率增加时，纤维直径d随之增大(见本文2.2)，从而由式(11)可知材料孔隙率将呈下降趋势。对孔隙率实验结果进行线性拟合，拟合函数如式(12)：

y=90.8580-0.4240x

(12)

相关系数为0.99131，说明有很好的拟合度。

2.5网帘频率对孔隙率的影响

图7所示为材料孔隙率随网帘频率不同而变化的规律。

图7　网帘频率对孔隙率的影响

由图7可知随着网帘频率的增大，材料孔隙率呈增大态势。实验结果显示在计量泵频率相同而网帘频率不同的情况下纤维直径的数值保持稳定，而当网帘频率增加时，材料的基平面网特征长度σ值随之减小(见本文2.1)，从而由式(11)可知材料孔隙率将增大。对孔隙率实验结果进行线性拟合，拟合函数如式(13)：

y=73.0350+1.3670x

(13)

相关系数为0.99430，说明有很好的拟合度。

2.6计量泵频率对孔径及其变异系数的影响

图8所示为计量泵频率对孔径的影响规律。

图8　计量泵频率对孔径的影响

由图8可见材料孔径随计量泵频率的增大而呈下降趋势。分析认为一方面实验结果显示材料的基平面网特征长度σ值和层数n在网帘频率相同而计量泵频率不同的情况下保持稳定，即材料单位面积上纤维总长度l保持稳定；另一方面计量泵频率的增加导致纤维直径的增大。从而使得纤网中各层之间的相互遮盖程度不断强化，导致孔径减小。对孔径实验结果进行Boltzmann函数拟合，拟合曲线如式(14)：

y=15.2249+(30.8037-15.2249)/

(1+e(x-24.7162)/1.9149)

(14)

相关系数为0.99734，说明有很好的拟合度。

图9显示孔径变异系数随计量泵频率的提高而增大，这是因为随着计量泵频率的提高，纤维直径增大，由此在纤维堆砌过程中形成大孔的几率增加，从而使得孔径差异增大。对孔径变异系数实验结果进行Boltzmann函数拟合，拟合曲线如式(15)：

y=1533.7750+(54.9965-

1533.7750)/(1+e(x-38.1402)/3.1640)

(15)

相关系数为0.99525，说明有很好的拟合度。

图9　计量泵频率对孔径变异系数的影响

2.7网帘频率对孔径及其变异系数的影响

图10所示为网帘频率对孔径的影响规律。

图10　网帘频率对孔径的影响

由图10可见材料孔径随网帘频率的提高而呈增大趋势。分析认为实验结果显示当网帘频率增加时，材料的基平面网特征长度和层数均随之减小，使得纤网单位面积上纤维数量(根数)减少，由此孔隙被进一步分割的趋势减弱，此外随着材料中纤维沿纵向取向度的提高使得纤维相互之间两两靠拢趋势加大，由此造成纤网孔径呈增大态势。对孔径实验结果进行Boltzmann函数拟合，拟合曲线如式(16)：

y=343.1971-(22.3149+

343.1971)/(1+e(x-23.1746)/9.0370)

(16)

相关系数为0.98699，说明有很好的拟合度。

图11显示孔径变异系数随网帘频率的提高而减小。分析认为网帘频率的提高减少了纤维堆积缠结现象的发生，从而使得纤网均匀性提高，导致孔径变异系数减小。对孔径变异系数实验结果进行Boltzmann函数拟合，拟合曲线如式(17)：

y=35.0587+(559.3739-

35.0587)/(1+e(x+0.5922)/2.3749)

(17)

相关系数为0.99642，说明拟合度很好。

图11　网帘频率对孔径变异系数的影响

3　结　论

a)随着网帘频率的提高，材料基平面网特征长度和层数均呈下降趋势；平均纤维取向角逐步减小；孔隙率随之提高；孔径呈增大趋势，但孔径变异系数逐步减小。

b)随着计量泵频率的提高，纤维直径随之增大；孔隙率逐步下降；孔径也呈减小态势，但孔径变异系数增大。

c)对上述实验结果进行Boltzmann函数拟合或线性拟合，相关系数达到0.98699～0.99734，说明有很好的拟合度。

d)研究制备工艺条件对纺粘非织造材料纤网参数的影响规律有助于探明非织造材料细观结构的形成机理，可为研制具有优良高效低阻性能的非织造过滤材料提供理论依据。

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(责任编辑：许惠儿)

Preparation of Polypropylene Spunbonded Nonwoven Materials and Meso-structure Characteristics of Fibre Web

JINGuanxiu1,2,YINGWeiwei1,LEIXin1,CONGMingfang1,ZHUChengyan1

(College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China;2. Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

To study the influence rule of processing parameters on meso-structure of polypropylene spunbonded nonwoven material, nine samples were prepared by setting the mesh belt frequency to 5, 6, 7, 8Hz, and 9Hz, respectively, and the metering pump frequency to 20, 22, 24, 26Hz, and 28Hz, respectively. The meso-structure of spunbonded nonwoven fiber web was characterized by seven parameters such as the characteristic length of the elemental plane, and these parameters were determined. The results show that when the mesh belt frequency increases, such parameters as the characteristic length of the elemental plane, the number of elemental planes and the mean value of fiber orientation angles decrease, and porosity and the pore size rise, but variable coefficient of pore size gradually decreases. With the increase in the metering pump frequency, the fiber diameter increases and the porosity decreases. Besides, the pore size presents a decreasing trend, but variable coefficient of pore size rises. Boltzmann function fitting or linear fitting was done for the experimental results. The results indicate that correlation coefficient reaches 0.98 699～0.99 734, which shows significant fitting correlation.

polypropylene; spunbonded nonwoven material; meso-structure; mesh belt frequency; metering pump frequency

2015-07-23

浙江省产业纺织材料制备技术研究重点实验室资助(2012E10010)

金关秀(1962-)，男，副教授，博士研究生，主要从事非织造过滤材料的制备与结构性能。

祝成炎，E-mail：chengyanzhu@126.com

TS174.1

A

1009-265X(2016)05-0015-05