PP熔喷过滤滤芯聚合物材料的性能研究_饶剑辉
第17卷第2期2009年4月
非织造布N onwovens V o l 117,N o 12A pr 1,2009
测试与分析 Experm i ent&Anal y si s
收稿日期:2009-02-09
PP 熔喷过滤滤芯聚合物材料的性能研究
饶剑辉1
，靳向煜
2
(1.广州市纤维产品检测院，广东广州510000;2.东华大学非织造研究发展中心，上海201620)
摘要：通过对PP 熔喷滤芯聚合物材料的性能进行测试，对选择的聚合物在流变性能、非牛顿指数、DSC 分析以及X 衍射等性能上进行了分析研究，说明了PP 聚合物是适合制作熔喷滤芯的优良材料。
关键词：非织造布；熔喷法；滤芯；性能；研究
中图分类号:TS174.81 文献标识码:A  文章编号:1005-2054(2009)02-0027-03  熔喷滤芯(立体成型)是近年发展起来的一种新型微孔式过滤介质。随着人民生活水平的提高，人民对环境、饮食、水质的要求也就越来越高，无论是工业废水处理，还是日常生活中的家庭净水，或是工业产品的净化和生活饮品的净化都离不开液体过滤。熔喷滤芯(立体成型)作为一种新型的液体过滤材料可广泛应用于水质过滤当中，因此对滤芯材料及其性能研究的必要性也就日益突出。
1 熔喷滤芯材料的选择
由于熔喷滤芯一般应用于液体过滤领域，因此在选择熔喷滤芯材料的时候要综合考虑各种因素。
聚丙烯PP 耐溶剂性能好，在各种有机溶剂和油水中不溶解；并且聚丙烯是一种耐酸碱性能良好的材料，不腐蚀、不霉烂，还能够耐高温，并且其价格也比较便宜。综上优点，因此在熔喷滤芯的实验过程中选择聚丙烯PP 材料。本实验采用上海石化的聚丙烯材料，牌号为Y2600T ，熔融指数MFI 为2610?215g /10m in ，灰份[0103%，等规指数\96%。
2 实验测试仪器
211 流变性能测试仪
熔喷用PP 切片的流变性能是在哈克转矩流变仪(HAAKE TORQUE RHE M ETER)上测试的。仪器产地
德国，其主要部件有混合器、单螺杆挤出机、锥
形双螺杆挤出机等。其毛细管直径110mm，长径比为1B 40。
212 差动热分析仪DSC
名称:METTLER TOLEDO；型号:DSC822e ；产地：瑞士。213 X 射线衍射仪
名称：理光；型号:D /MAX-B 型；产地：日本实验参数：扫描范围:6b ~36b ；步长0103b ；扫描速度:8b /m i n ；靶型:Cu ；管流管压:40k V,40mA；狭缝:1&013&1；滤波片:N i
。3 过滤滤芯聚合物材料性能及其分析
高聚物的熔喷纺丝成型通常以熔体的状态进
行，测定和研究高聚物流体的流动特性并绘制流动曲线，可以了解其表观粘度(G a )对切变速率(Ûr )的依赖型、结构粘度和温度(T )的关系等等，同时还可得到纺丝原液的粘度、流动中的切应力、切变速率等工程数据，这对设计最佳机械设备、制定合理工艺条件有着重要的指导意义。本实验分别对聚合物的以下各种性能进行分析。
311 熔喷滤芯PP 聚合物流变性能
由于流变曲线在较宽广的切变速率范围内描述了纺丝流体的剪切粘性，这种剪切粘性是其内在结构的反映。因此，流变曲线可以作为衡量纺丝流体质量正常与否和波动程度的一种依据。
PP 聚合物在不同温度下的流变性能如图1所
示。从图中可以看出熔体的剪切应力随剪切速率的增大而增大，剪切粘度则随剪切速率的增大而减小，是典型的切力变稀流体，属于假塑性流体。高聚物切力变稀的原因主要是：缠结点浓度的下降。高聚物流体可以看成为瞬间的网络结构体，该体系在达到动态平衡后的缠结点浓度与所处的条件有关，随着剪切应力大小的改变，动态平衡相应地发生移动。从图中还可以看出，在相同的剪切速率下熔体粘度随温度的升高而降低，这是由于随着温度的升高，熔体的自由体积增加，链段的活动能力增强，分子间的相互作用力减弱，使高聚物的流动性增大，表现为熔
体粘度下降。
图1 PP 聚合物流变性能图
312 非牛顿指数n
非牛顿指数n 是判断高聚物流体偏离牛顿流体
的程度,n 值的大小具有温度、分子量、分子结构、分子链间的相互作用力以及切变速率的依赖性。同时非牛顿指数n 与高聚物在纺丝加工中的可纺性存在一定的关系。非牛顿流体的表现粘度和剪切速率关
系符合幂次律流体方程[1]
:
R =k C
n -1
,,,,,,,,,,,,,,(1)
取其对数形式:
l g R =lg k -(n -1)lg C ,,,,,,,,(2)
因此，从曲线l g R ~l g C 的斜率可以求出非牛顿指数n 。
表1 本实验PP 聚合物的非牛顿指数
温度/e 270280290300PP
0.43397
0.43247
0.43159
0.43541
从图2可以看出，熔喷PP 聚合物的非牛顿指数
n 是一个和1相比相差很大的数值，但是整体上是随着温度的升高略有升高的。可以说明升高温度能
够提高聚合物的流动性能，使熔体弹性减少，逐渐向牛顿体靠近。这是因为高聚物熔体的流动不仅仅是高分子之间简单的相对滑移结果，还有分子链之间很多缠结点的运动的结果。
图2 PP 聚合物熔体在不同温度下的l g R ~l g C 关系
313 熔喷滤芯PP 聚合物的差动热分析DSC
差动热分析法是测量在保证温差为零时输入到试样和参比物之间的功率$W 随程控温度变化的技术，有热流式和功率补偿式两种。实验用的MET -TLER TOLEDO 是热流式的，实际上与定量型的
饶DTA 相似。
DSC 的工作原理是[2]
：试样和参比物分别装在两个坩锅内，在同一加热器内程控升温。当试样不发生吸热或放热反应时，试样温度与参比物温度相等，两者温差$T =T s -T r =0。当试样内部产生物理或者化学变化而吸收或者放出热量时，试样温度与参比物温度产生差异$T X 0，出现吸热峰或放热峰，该变化完成后$T 又回复到零。在差动分析曲线中，横坐标为测量系统的温度，纵坐标为功率差$W 。当$W 为正时，试样吸热，热焓H 增加;$W 为负时，试样放热，热焓H 减少。
图3 PP 聚合物DSC 曲线图
28  非织造布第17卷第2期
在生产熔喷滤芯的时候加工温度是一个很重要的控制参数，对最终的滤芯的成网性能具有很大的影响，因此测量熔喷用PP 聚合物的热熔性能就很重要。DSC 实验只在20e ~200e 范围内进行。从图中可以看出，切片的吸热开始于157125e ，结束于176136e ，峰值在170139e 的位置，而这也是聚合物的熔点所在。聚合物的熔点对熔喷工艺具有指导作用。
314 熔喷滤芯PP 聚合物的X 射线衍射
按照两相模型，结晶高聚物中通常是同时包含晶区和非晶区两个部分。当X-射线照到纤维样品上时，晶区将产生一系列独立的衍射环或弧，非晶区则产生弥散的连续的晕圈。结晶度是结晶部分的含量。在本实验中用X 射线衍射仪来测定没有经过熔喷的PP 聚合物的结晶度以及经过熔喷以后的纤维的结晶度，比较其结晶度情况的变化，并且对熔喷PP 纤维的X 衍射与纺丝成网PP 纤维进行比较。
由于纤维中晶区与非晶区的重量含量分别与其相应的X -射线衍射强度成比例。采用分峰方法将X -射线衍射强度曲线中的晶区与非晶区的部分分开，由公式(3)计算出样品的结晶度。
X c =I c I 0=I c
I c +I a ,,,,,,,,,,,(3)
式中:X c )))结晶度;
I c )))结晶衍射的强度;I 0)))总的衍射强度;I a )))非晶衍射的强度。
图4 PP 聚合物X 射线衍射图
从图4以及图5中熔喷PP 聚合物和熔喷PP 纤
图5 熔喷PP 纤维X 射线衍射图
维的X 射线衍射图的衍射角2H 和d 值的差异可以分析得出PP 聚合物在熔喷工艺前后的性质是不一样的。从图4、图5可以看出聚合物PP 的峰值很尖锐，而熔喷PP 纤维的峰值很宽、很平缓，可以看出经过熔喷以后的PP 聚合物的结晶度要高，并且通过公式(3)计算可以得到PP 聚合物的结晶度为5714%，经过熔喷以后的PP 纤维的结晶度为6017%。熔喷以后的结晶度要高，其原因是由于在熔喷过程中，从模头挤出的聚合物熔体受到了高速热空气的拉伸，使得聚合物熔体中的大分子取向，应力与取向的作用会影响高聚物的结晶动力学平衡，从而提高了纤维的结晶度[3]
。此外，拉伸温度的提
高也会使得结晶度提高。
4 结语
从以上分别对熔喷滤芯聚合物的流动性能、非牛顿指数、DSC 分析以及X 射线衍射等性能进行分析后可以看出,PP 聚合物熔体的切应力随剪切速率的增大而增大，剪切粘度则随剪切速率的增大而减小，是典型的切力变稀流体，属于假塑性流体。而且其非牛顿指数n 和1相比相差比较大，为典型的非牛顿流体，是适合制作熔喷滤芯的优良材料。参考文献:
[1]何曼君，等.高分子物理[M ].上海：复旦大学出版社,1990,10:
261~264.
[2]陈稀，黄向安.化学纤维实验教程[M ].北京：纺织工业出版社,
1988,12:87~95.
[3]靳向煜，张慧光.熔喷聚丙烯纤维非织造布生产工艺参数与性
能的影响[C ].中国纺织大学非织造工艺技术研究论文集.上海：中国纺织大学出版社,1997:220~224.
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2009年(总第72期)饶剑辉，靳向煜:PP 熔喷过滤滤芯聚合物材料的性能研究

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