聚丙烯非織造復合材料的塑性變形老化研究論文
隨著人們生活水平的提高和對個人衛(wèi)生的重視，一次性衛(wèi)生用品如嬰兒尿不濕、婦女用衛(wèi)生巾和成人失禁護墊等產(chǎn)品的使用量和使用頻率越來越大。由于越來越多的同類產(chǎn)品被送達貨架，明確這類產(chǎn)品的使用壽命并理解影響產(chǎn)品使用壽命的因素均成為必要的產(chǎn)品知識。
通過熔融紡絲法制成的低面密度非織造材料是該類衛(wèi)材的主要成分，熔融紡絲法的工藝流程簡潔，主要是通過把加熱到熔融狀態(tài)的高分子聚合物流體從細小的噴絲孔中快速擠出后再在空氣中冷卻及牽伸拉長，最后將纖維固結(jié)成網(wǎng)。為了使非織造材料具備更佳的微粒過濾效能和較好的力學強度，熔融紡絲工藝生產(chǎn)的紡粘—熔噴—紡粘(SMS)復合結(jié)構(gòu)的非織造材料應運而生。由于產(chǎn)品的柔軟手感和獨特的細小孔徑，該種復合非織造材料如今被廣泛應用于醫(yī)療和衛(wèi)生等領(lǐng)域。
1 試驗部分
1.1 試驗原料
本文中采用的紡粘非織造布的聚丙烯原料的熔融指數(shù)約為34g/10min;熔噴非織造布的聚丙烯原料的熔融指數(shù)為1400g/10min。在試驗用的復合非織造產(chǎn)品中，試樣的面密度均為15g/m2，如圖1所示。非織造布試樣的預加軸向張力大小為100N/m，試樣被固定于不銹鋼鋁板表面，用試樣夾和強力膠帶固定位置防止試樣滑移。每塊試樣的長570mm，寬為400mm。
1.2 老化對比條件
本文采用兩種溫濕度規(guī)格，一種是采用標準實驗室的溫濕度23℃及60%相對濕度的環(huán)境;另一種試驗環(huán)境是采用40℃及75%相對濕度的環(huán)境。如圖2所示的恒溫恒濕箱被用來實現(xiàn)40℃及75%相對濕度的老化環(huán)境。
1.3 試驗試樣
本次試驗中所有樣品基本特性均被記錄在表中，兩種材料主要放在不同的溫濕度環(huán)境中進行老化試驗。
1.4 實驗周期
總共長達24個星期的測試在本試驗中得到開展，各組測試工作分別在0周，4周，8周，12周和24周老化后迅速完成，在每個測試點對應的測試數(shù)據(jù)均被記錄和分析。
1.5 性能測試
1.5.1 平方米面密度
通過面密度數(shù)值可以觀測試樣制備的制程能力和穩(wěn)定性水平，同時面密度也會影響各力學性能，穩(wěn)定的面密度可以佐證本試驗中強力水平對比的合理性。每個試樣在每個測試周期均被測試10個數(shù)據(jù)。
1.5.2 強力性能
強力測試用來表征試樣材料的堅韌強度和纖維間的粘結(jié)強度。在24周的老化試驗中，強力儀選用Zwick強力儀，每種試樣在每個測試周期被測試30個值，求平均值代表平均強力性質(zhì)，用方差觀測各個測試周期中樣品性能的均一性。測試并記錄最大強力值和斷裂伸長率，同時強度保持率與斷裂伸長保持率也可以從平均值中得出。
1.5.3 差示掃描量熱法
為了從微觀角度理解和分析高分子材料在老化過程中的分子鏈結(jié)構(gòu)變化，差示掃描量熱法(DSC)被用來測試各個樣品的結(jié)晶度。結(jié)晶度與試樣的強力性能直接相關(guān)，實驗中選取5mg聚丙烯結(jié)點試樣，N2 氣流速率20 mL/min，以20℃/min的速度從50℃升溫至180℃，得到聚丙烯熔融過程的熱晗—時間關(guān)系表，進而推算求得其結(jié)晶度。計算公式為：結(jié)晶度(%)=ΔHfΔH0f×100%其中，ΔH0f代表聚丙烯試樣的熱熔數(shù)值，ΔH0f代表完全結(jié)晶的聚丙烯材料的理論熔融熱晗值，本試驗采用190J/g。
1.5.4 凝膠滲透色譜法
本試驗中，分子量分布為表征微觀分子量分布的重要指標，從本試驗結(jié)果可以觀測在老化過程中聚丙烯高聚物的相對分子質(zhì)量變化趨勢。由于聚丙烯材料很難溶解于一般溶劑，凝膠滲透色譜(GPC)需要采用高溫色譜法(150℃)并采用三氯甲苯為溶劑。
2 結(jié)果與討論
2.1 面密度測試
由于本試驗中的試驗樣品都是疏水的聚丙烯非織造材料，即使在高濕度(75%相對濕度)條件下的回潮率依然趨近于零。如圖3所示，在未老化樣品的強力對比中，兩種試驗材料的面密度均穩(wěn)定于15g/m2，這說明在生產(chǎn)過程中，兩種樣品的工藝穩(wěn)定，同時面密度與力學性質(zhì)有直接聯(lián)系，大面密度非織造材料意味著更多的纖維纏結(jié)，即斷裂強力相應增大。在老化試驗結(jié)束后，兩種材料的面密度數(shù)值沒有發(fā)生顯著改變。
2.2 溫濕度的影響
本試驗中兩種測試環(huán)境被用來研究不同的溫濕度環(huán)境對聚丙烯非織造復合材料老化速率的影響。強力性能作為主要的性能指標，同時利用結(jié)晶度測試和分子量的凝膠滲透色譜測試來表征聚丙烯非織造材料內(nèi)部的變化。
2.2.1 結(jié)晶度測試
結(jié)晶度與高聚物材料的力學性能有很大聯(lián)系，一般說來，結(jié)晶度越大的高分子聚合物材料的強力值也往往越大，材料相對剛硬。同樣的聚丙烯非織造材料在有張力條件下被放置于兩種不同的溫度與濕度環(huán)境下，原始結(jié)晶度是一致的。從圖4的對比中可知，40℃/75%相對濕度條件下的聚丙烯非織造材料最終的結(jié)晶度比23℃/60%下的聚丙烯非織造材料高了約3%。在老化后，兩種聚丙烯非織造材料的結(jié)晶度與未老化的結(jié)晶度相比，聚丙烯材料的結(jié)晶度均有小幅度的提升。
條件下被長期拉伸，蠕變現(xiàn)象發(fā)生在整個老化過程中，聚丙烯分子鏈內(nèi)部的分子鏈在張力拉伸條件下趨向于沿軸向逐步解開原有的纏結(jié)而在原來的非結(jié)晶區(qū)域內(nèi)部重結(jié)晶，這是造成試驗中結(jié)晶度上升的主要原因。相比于實驗室條件(23℃及60%相對濕度)條件下，在恒溫恒濕箱(40℃及75%相對濕度)的非織造材料由于較高溫度的.存在，分子量蠕變效應更加顯著，因此更多的纏結(jié)分子鏈段得到解開，進而重結(jié)晶的程度也更顯著。
2.2.2 分子量測試
分子量測試的主要目的是了解老化過程中聚丙烯高聚物的分子鏈斷鏈的程度。在整個老化過程中，由圖5所示，恒溫恒濕箱中的試樣的重均分子量下降了約15%，在標準實驗室條件下的試樣的重均分子量下降了約13%。這說明了在恒溫恒濕箱條件下聚丙烯非織造材料的分子量下降更多，這個結(jié)果與結(jié)晶度測試的結(jié)果相互匹配。
2.2.3 力學性能測試
力學性能在聚丙烯非織造材料的老化過程中可以作為重要的老化進程指標，相比于最大強力值的變化程度，斷裂伸長率的減少量往往更加明顯。斷裂伸長率的降幅比較顯著，無論是橫向或者縱向斷裂伸長率的對比中，在恒溫恒濕箱中的老化程度均比在實驗室中的老化程度高。由于在恒溫恒濕箱中試樣的聚丙烯高聚物材料的分子量損失得更多，對于同類高分子材料，越低的相對分子質(zhì)量意味著更少的分子間纏結(jié)和更低的斷裂伸長率。
3 結(jié)論
本文主要研究了不同的溫濕度環(huán)境對于聚丙烯非織造復合材料的老化程度的影響，從試驗中得到如下結(jié)論。
3.1 老化后的聚丙烯高聚物的結(jié)晶度略微增加，且40℃及75%相對濕度環(huán)境下的結(jié)晶度增加幅度比23℃及60%相對濕度環(huán)境條件的結(jié)晶度大。
3.2 聚丙烯非織造復合材料的高聚物相對分子質(zhì)量在老化過程中持續(xù)下跌;且40℃/75%相對濕度環(huán)境下的相對分子質(zhì)量跌幅比23℃/60%相對濕度環(huán)境條件的相對分子質(zhì)量跌幅大。
3.3 老化過程中，橫向和縱向的聚丙烯非織造復合材料的斷裂伸長率均有較大幅度的下降，這和相對分子質(zhì)量下降有直接聯(lián)系。
3.4 老化過程中，強力的跌幅和斷裂伸長率的跌幅相比沒有如此顯著，主要是結(jié)晶度的增加一定程度上保持了試樣的強力值。
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