（纺织工程专业论文）耐久型拒水PPPE低熔点热粘合复合纤维的制备及性能研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合 纤维的制备及性能研究 专业：堑堡王猩研究生：塑堂垂指导教师：壁垂 p p p e 低熔点热粘合复合纤维是把两种聚合物原料聚丙烯( p p ) 、聚乙烯( p e ) 从双螺杼挤压机挤出，然后将两种熔体按照一定的组分配比和粘度要求分别输入同 一皮芯型复合组件中，通过同一喷丝孔喷出而形成的复合纤维。该复合纤维在后处 理过程中通过施加拒水油剂赋予纤维耐久的拒水性能，得到耐久型拒水p p p e 低熔 点热粘合复合纤维。由该纤维生产的无纺布，除具有一般p p p e 热粘合复合纤维的 优点外，特别具有柔软的手感和透气又不透水的蘸好性能，在卫生材料领域，如小 孩尿布“尿不湿”、妇女卫生用品等方面得到越来越广泛的应用。 本课题简要论述了皮芯型复合纤维的纺丝技术原理，重点从三个方面对本课题 展开研究。一是运用高分子理论，描绘出具有低熔点、高粘结性能和良好的可纺性 能的单烯烃p e 大分子结构i 二是利用化纤油剂理论，配制耐久型拒水油剂、表面活 性剂，通过适当的上油工艺，赋予纤维良好的拒水、透气性能；三是介绍了耐久型 拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维纺丝成型工艺技术，并对该纤维的耐久型拒水性 能、低熔点热粘合性能及其它物理力学性能、形态结构等通过数理统计、曲线拟合、 生物显微成像系统观察等方法进行了分析研究。文章最后介绍了耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维的产品开发。 本课题通过以上研究，主要得出以下结论： 1 运用高分子理论，通过原料的优化选择，发现熔融指数为1 5 2 5 ，分子量 为7 1 2 万的高密度p e 原料可以满足复合纺丝及低熔点热粘合的要求。其 中由分子量1 2 万左右的p e 切片所得复合纤维强度稍低，延伸度较高，更适 合于非织布的使用，其与熔融指数为2 0 3 0 ，分子量为1 4 1 6 万的p p 具 有良好的复合纺丝性能。 2 通过合理的拒水油剂选择及油剂的配方设计可以赋予纤维优良的耐久型拒 水性能。 3 在纤维的纺丝后拉伸工艺控制过程中，随着拉伸倍数的提高，复合纤维大分 子链沿纤维轴线方向取向度不断提高，同时取向诱导结晶，使纤维密度、强 第1 页 摘要 度增加，断裂伸长率下降，沸水收缩率增加，显示了良好的规律性。 4 由该耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维生产的无纺布具有无味无毒、 手感柔软蓬松、富有弹性、透气不透水等一系列特点，特别适于卫生材料领 域的使用。 答辩日期：指导教师签字 关键词：p p p e 热粘合纤维复合纺丝低熔点可纺性耐久型拒水拒水油剂 卫生材料 第2 页 a b s t r a c t s p i n n a b s t r a c t n gt e c h n o l o g yo fd u r a b l ew a t e r - 卡e p e l l e n tp p p e c o r e s h e a t hc o m p o s l t ef i b e r n ds t u d y0 ni t sb e h a v l 0 r b ye x t r u d i n gt w op o l y m e rm a t e r i a l sp o l y p r o p y l e n e ( p p ) a n dp o l y e t h y l e n e ( p e ) f r o mad o u b l es c r e we x t r u d e r ，w ec a ng e tt h e i rr e s p e c t i v em e l t t h e nt h et w o m e l tw h i c hh a v ec e r t a i np r o p o r t i o na n dv i s c o s i t ya r er e s p e c t i v e l yp u ti n t o ac o r e s h e a t h c o m p o s i t es p i n n i n gp a c k a n dp p p el o w m e l t i n gp o i n t h e a t 。a d h e s i v ec o r e 。s h e a t hc o m p o s i t ef i b e rw a sg o tb ye x t r u d i n gt h et w om e l t f r o mt h es a m ed i e - s p i n n i n gn o z z l e t h i sk i n do fc o m p o s i t ef i b e rw i l lg e ta w a t e r r e p e l l e n tp r o p e r t yb yu s i n gw a t e r p r o o ff i n i s h i n g o i l d u r i n g t h e f i n i s h i n gp r o c e s s n o n w o v e nf a b r i c sg o tb yt h ef i b e re s p e c i a l l yh a v eav e r y s o f th a n dt o u c ha n dg o o db r e a t h a b l ew a t e r r e p e l l e n tp r o p e r t y ，s ot h e ya r e w i d e l yu s e di nh y g i e n i ct e x t i l em a t e r i a l ss u c ha sn a p k i nf o rb a b i e s ，s a n i t a r y n a p k i nf o rw o m e n t h i s p a p e r d i s c u s s e dt h e s p i n n i n gt e c h n o l o g y o ft h ec o r e s h e a t h c o m p o s i t ef i b e rb r i e f l y t h et h e s i sw a ss t u d i e do nt h r e ea s p e c t se m p h a s i s ： u s i n gp o l y m e rt h e o r yt oh a v ed e s c r i b e dt h em o l e c u l es t r u c t u r eo fp ew h i c h m a k ei th a v ei o wm e l t i n gp o i n t ，h i g hc o h e s i v e n e s sa n dg o o ds p i n n a b i l i t y ； u s i n go i lt h e o r yt om a k ew a t e r r e p e l l e n tf i n i s h i n go i la n dg i v et h ec o m p o s i t e f i b e rw a t e r p r o o f ，g o o db r e a t h a b l ew a t e r r e p e l l e n tp r o p e r t i e sb yp r o p e r o i l g i v i n gp r o c e s s ：h a v i n g i n t r o d u c e dt h e s p i n n i n gt e c h n i q u e o fp p p e h e a t a d h e s i v ec o r e s h e a t hc o m p o s i t ef i b e ra n da n a l y z e di t sp r o p e r t i e sb y m e t h o d so fd a t a p r o c e s s i n g ， f i t p o l y n o m i a l a n d o b s e r v i n gt h r o u g h m i c r o s c o p e e t c m a i nc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w na sf o l l o w sf r o mt h es t u d y ( 1 ) i nt h i sp a p e r ，s o m eb r a n d so fp ec h i p sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d 7 a b s t r a c t f o rt h e i rm o l e c u l a r w e i g h t ，h e a tb e h a v i o r ，m e l tr h e o l o g ya n ds p i n n a b i l i t i e s t h er e s u l ti n d f c a t e dt h a tp ew i t hm e l ti n d e xo f1 5 2 5 。m wo f7 1 2 x i 0 4a n d p pw i t hm e l ti n d e xo f2 0 3 0 ，m wo f1 4 1 6 x l o c o u l db eu s e df o rt h ec o m p o s i t e s p i n n i n ga n dt h en e e do fh e a t c o h e s i v e n e s s ( 2 ) b yc h o o s i n g t h e w a t e r p r o o ff i n i s h i n go i la n d d e s i g n i n g t h e c o o r d i n a t i o no fo i l sf o rt h es p i n n i n gp r o p e r l y ，t h ep p p el o wm e l t i n gp o i n t h e a t a d h e s i v ec o r e s h e a t hc o m p o s i t ef i b e rc o u l db ee n d u r e d p e r f e c t l yd u r a b l e w a t e r r e p e l l e n tp r o p e r t y ( 3 ) b y m e a n so fs o n i cv e l o c i t ym e t h o da n dd e n s i t ym e t h o da n ds oo n ，t h e p a p e ri n d i c a t e dt h a tt h em o l e c u l a r so ft h ec o m p o s i t ef i b e rw o u l dh a v eh i g h e r o r i e n t a t i o na st h e d r a w i n gr a t i oi n c r e a s e d ，a n da tt h es a m et i m e ，t h e o r i e n t a t i o ni n d u c e dt h ec r y s t a 工i i z a t i o no fm o l e c u l a r s t h e d e n s i t y t h e b r e a k i n gs t r e n g t ha n dt h es h r i n k a g ei nb o i l i n gw a t e ro ft h ef i b e ri n c r e a s e d a n dt h eb r e a k i n ge x t e n s i o nd e c r e a s e da st h ed r a w i n gr a t i ow a si n c r e a s i n g ( 4 ) n o n w o v e nf a b r i c sg o tb yt h ef i b e re s p e c i a l l yh a v eav e r ys o f th a n d t o u c ha n dg o o db r e a t h a b l e w a t e r r e p e l l e n tp r o p e r t i e sb e s i d e si t sg o o d e l a s t i cp e r f o r m a n c ea n dn o n t o x i c i t y ，s ot h e ya r ew i d e l yu s e di n h y g i e n i c t e x t i l em a t e r i a l ss u c ha s n a p k i nf o rb a b i e s ，s a n i t a r yn a p k i nf o rw o m e n s u ns h i y u a n ( t e x til e e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x u ey u a n i i a b s t r a c t k e yw o r d s ：p p p eh e a t a d h e a s i v e f i b e r ，c o n s t i t u e n ts p i n n i n g ，l o wm e l t i n g p o i n t ，s p i n n a b i l i t y ，d u r a b l e w a t e r r e p e l l e n t ，w a t e r p r o o f f i n i s h i n go i l ，h y g i e n i et e x t i l em a t e r i a l s l l i 第一章绪论 第一章绪论 1 1p p p e 低熔点热粘合复合纤维发展简介 从6 0 年代开始，热粘合粉末用于热粘合纺材制作以来，热粘合聚合物在纺织工 业中的应用已有4 0 多年的历史。自8 0 年代起，热粘合纤维，尤其是短纤维，产 量在不断增长，其中大多数是用于热粘合法生产非织造布。热粘合纤维根据原料及 构成的不同，可分为易粘纤维、热熔粘合纤维、双组分纤维三种“，具体见表卜1 ： 表卜1 热粘合纤维种类 其中，易粘纤维、热熔粘合纤维都是由单一组分聚合物纺制而成，在热熔粘合 时纤维形状会消失，形成块状结构影响手感。而高熔点和低熔点两种高聚物组分构 成的热粘合复合纤维，如p e t c o p e t 、p p p e 热粘合复合纤维等，能克服此缺点。其 第一章绪论 中，p p p e 低熔点热粘合复合纤维发展最快t 3 j 。 最早的p p p e 低熔点热粘合复合纤维是由日本窒素公司( c h i s s o ) 开发成功的， 即e s 纤维，于1 9 7 7 年开始工业化”1 。近几年，随着双组分复合纺丝技术的进步和 优质p p 、p e 两种组分聚合物原料的不断开发，p p p e 低熔点熟粘合复合纤维得到了 极大的发展，日本窒素公司、尤尼吉卡公司，丹麦d n n a k l o n 公司等大公司纷纷推出 了各种型号的p p p e 低熔点热粘合复合纤维，具体规格见表1 - 2 、卜3 。 表卜2 日本窒素公司e s 纤维产品规格 表卜3 丹麦d a n a k l o n 公司的产品规格 p p p e 低熔点热粘合复合纤维是p p 、p e 两种组分通过双螺杆挤压机挤出，采用 复合纺丝的方法制成的，两种成份构成的截面形式有“皮芯型”、“并列型”，主 2 第一章绪论 要以“皮芯型”为主。p p p e 低熔点热粘合复合纤维是一种最理想的热粘合纤维， 组分p p 熔点一般为1 7 0 左右，组分p e 熔点一般为1 3 0 左右，当纤维被加热到 1 3 0 。c 左右时，表层p e 被熔融而互相粘结，芯层p p 保持纤维状态，给热粘合时的纤 维提供必要的强力和模量支撑。在非制造布加工中，当梳理后的纤维网通过热轧式 或热风贯通式进行热粘合时，低熔点组分p e 在纤维的交叉点上形成熔融粘着，而冷 却后，非交叉点上的纤维仍保持原来的状态，是一种“点状粘合”而不是“区粘合” 的形式”。，因而产品具有蓬松性、柔软性、高强度及良好的透气性等优点。 p p p e 低熔点热粘合复合纤维是生产薄型和膨松型非织造布的重要原料，从非 织造布的粘合工艺来看，由于它采用纤维自身的热粘合性能，取代了传统使用的化 学粘合荆，具有无毒、无污染、能量消耗低、设备投资少、生产速度高等优点，因 此p p p e 低熔点热粘合复合纤维近几年取得了广泛的发展。 随着我国城乡人民生活水平的提高，p p p e 低熔点热粘合复合纤维突出的优点和 品质已逐步被人们所认识并接受，在工业、土木工程、卫生材料、医疗手术、农业 园艺、地毯等各个领域具有非常广泛的用途和市场”。，发展前景是不可估量的。 1 2 本文研究的主要内容 当今化纤业向着功能性、舒适性的方向发展“，各大公司纷纷通过不同的工 艺手段赋予纤维特殊的服用性能，如抗菌，耐久型亲水等。顺应化学纤维的这种发 展趋势，本文致力于耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合短纤维的开发技术。耐久 型拒水p p p e 低熔点熟粘合复合短纤维是一种不但具有良好的低熔点热粘合性能， 而且还具有耐久性拒水性能的皮芯型短纤维，它在纤维的纺丝及后处理工艺过程中 通过施加拒水油剂赋予纤维以拒水性能。由该纤维生产的无纺布，除具有一般p p p e 热粘合复合纤维的优点外，特别具有柔软的手感和透气又不透水的良好性能，在卫 生材料领域，如小孩尿布“尿不湿”、妇女卫生用品等方面得到越来越广泛的应用。 耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合短纤维不但要具有优良的低熔点热粘合性 能，更重要的是顺应无纺布产业的发展趋势，赋予了其良好的拒水透气性能，顺应 了其在卫生材料领域越来越广泛的需求。生产该纤维主要面i 临以下主要技术： ( 1 ) 在原料选择上，利用聚合物高分子理论，描绘出具有低熔点、高粘结性能和 良好的可纺性能的单烯烃p e 分子结构图，以便生产理想的低熔点复合纤维。 ( 2 ) 配制耐久型拒水油剂、表面活性剂，通过适当的上油工艺，赋予纤维良好的 拒水透气性能。 ( 3 ) 耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合短纤维纺丝成型工艺技术。 第一章绪论 1 3 国内外发展现状及本文研究工作的意义和价值 随着非织造布业工业的高速发展，医疗卫生用品材料也发生了显著的变化，非 织造布在医疗卫生领域的应用份额逐步增长。一些发达国家的非织造布在其市场的 占有率已达到6 0 一8 0 。据报道。世界用即弃卫生产品的市场中，妇女卫生巾8 5 0 亿片，婴儿尿布6 0 0 亿片，成人失禁尿布6 0 亿片。所使用的复合纤维的总量在4 5 万吨以上，其中婴儿尿布需非织造布的用量约3 5 万吨，成人尿布约7 万吨，妇女卫 生巾为3 万吨。 医疗卫生用品材料在国内也有巨大的市场凹3 d o 1 1 2 。目前我国已建立起4 0 0 余 家卫生巾生产厂，拥有上千条卫生巾生产线，卫生巾在城市的普及率达7 0 ，其中 沿海及大城市的普及率达8 0 - 9 0 ，但在广阔的农村，妇女卫生巾的使用率还很低。 我国现有2 亿多生理卫生期妇女，4 0 0 0 多万婴儿及1 亿左右6 0 岁以上的老人，这 个庞大的人口背景，为非织造布在卫生材料方面的普及和发展提供了巨大的市场， 这一庞大的市场为耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合短纤维的开发、生产提供了 极好契机。 在这一良好的发展机遇下，国内的开发、生产厂家还远远满足不了目前的市场 需求。目前国内有嘉兴慧丰化纤厂、湖f l l ) l l 大纺织( 集团) 股份有限公司、吉林省 辽源市亚信纤维制造有限公司等公司进行p p p e 低熔点热粘合复合纤维的开发生 产，日本智索聚丙烯纤维股份有限公司、日本伊藤忠( i t o c h u ) 商事股份有限公司 共同投资的广卅i 艺爱丝纤维有限公司也正处于蓬勃发展的时期，生产技术已经比较 稳定，但总的说来，目前国内e s 纤维生产的数量和质量还有巨大的提升空间，还远 远不能适应市场越来越广泛的需要。 在目前这种情况下，开发研究耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合短纤维顺应 了产业用纺织品的发展要求。此种纤维不但具有优于常规p p p e 低熔点热粘合复合 短纤维的热熔粘合性能，更是赋予了其良好的拒水性能，使用其生产的无纺布具有 拒水透气的优良性能，满足了人们医疗卫生用品及在土木工程当中的应用需要，具 有良好的经济效益和社会效益。 4 第二章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维纺丝原料的优化 第二章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维 纺丝原料的优化 复合纤维纺丝的原料要求，即组分选择必须满足一定的原则，即纺丝成型方法 相同的原则，聚合物要有良好相容性的原则及聚合物的粘度要求原则l 1 2 j 。 ( 1 ) 纤维成型方法相同 可以用来加工复合纤维的聚合物有很多，但将它们组合的一条重要原则是两种 组分必须有同样的纺丝方法，如两种组分都可湿纺，或都可熔纺。例如聚酯是用熔 融法纺丝的，聚丙烯腈是用湿法或干法纺丝的，显然不能选择这两种聚合物进行复 合纺丝。一般说来，复合纤维大多是熔融法纺丝成型，如聚酯共聚酰胺，聚酯聚 乙烯等。p p p e 热粘合复合纤维两种组分p p 、p e 都可以采用熔融法进行纺丝，满足 纺丝成型方法相同的原则。 ( 2 ) 聚合物的相容性 在制造复合纤维进行聚合物组分的选择时还必须考虑两种聚合物相容性的问 蹶。因为不论制造并列型还是皮芯型复合纤维，两种聚合物组分必须要有良好的相 容性，否则它们会发生剥离，变成两根单组分纤维或中抽套筒式纤维，达不到复合 的目的。p p p e 热粘舍复合纤维的两种组分p p 、p e 同为烯烃类高聚物，具有良好的 相容性。 ( 3 ) 聚合物的粘度 双组分纤维的两种聚合物，它们的粘度有一定的要求。其中一条基本原则是应 满足在纺丝条件下，两种熔体粘度比较接近。若两种聚合物的熔体粘度相差较大， 在喷丝孔中的流动状态就不稳定，这会带来两个问题，一是并列型或偏心型复合纤 维熔体细流挤出喷丝孔时产生出口弯角，严重时会造成粘附板面( 爬板现象) ，影响 正常纺丝，二是使纤维横截面形状不稳定。为了使两种聚合物熔体粘度接近，对两 种聚合物的分子量应进行选择，同时通过调整纺丝工艺或掺入添加剂进行控制。 对p p p e 低熔点热粘合复合纤维来讲，两种组分p p 、p e 除要满足以上必须的原 则之外，还要满足纤维的低熔点热粘合的要求。 芯组分p p 分子链为螺旋形构型，排列规整易结晶，熔点受分子量影响较小，在 1 6 5 1 7 5 之间。通过对p p 各种切片的分子量及分子量分布、热性能、熔体流变性 能和可纺性的研究，发现熔融指数为2 0 3 0 ，分子量为1 4 1 6 万的聚丙烯具有良 第二章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维纺丝原料的优化 好的复合纺丝性能1 盯1 5 3m 3 。 对皮层p e 来说，因其处于纤维的外层，不但要具有低熔点熔融的特性，使得相 互接触的纤维发生“点状粘合”，而且还要和芯层p p 粘结牢固，在使用过程中确保 两者不发生剥离。因此，p p p e 低熔点热粘合复合纤维大分子链的设计主要是利用 聚合物高分子理论，描绘出具有低熔点、高粘结性能和良好的可纺性能的单烯烃p e 分子结构图，以便生产理想的低熔点复合纤维。因此，我们必须从高聚物的熔点、 粘结性和可纺性的设计入手，进行p e 分子链结构的设计。 2 1 低熔点。陛能的设计 2 1 1 链结构对p e 熔点的影响 聚合物的熔融过程，从热力学上来说它是一个平衡过程，因而可用式( 2 一1 ) 所 示热力学函数关系。来描述。 r ：垒l ( 2 1 ) 1 m 2 i 丁 “ 式中：日体系在熔融过程中发生的热焓变化； s 体系在熔融过程中发生的热熵变化； 乙聚合物的熔点。 通过上式所展示的热力学原理可知，在熔融过程中使脯减小或使a s 增大。可 以降低聚合物的熔点。日主要受高聚物大分子间或链段闻的相互作用力影响，减 小大分子间或链段间的相互作用力可以减小日；s 主要取决于高分子链段的柔性 程度，降低高分子链内旋转的阻力，提高分子链的柔性，使聚合物在熔融过程中的 构象变化较大，即龉较大，也可使熔点降低。 分析p e 的分子结构可以知道，组成p e 分子的结构单元是对称性较强的 - c h 2 一c h 2 1 主链上没有其他基团，也没有极性强的极性分子链取代基，在其主 链碳原予上仅连有两个氢原予。根据影响聚合物熔点理论的分析，可增加s 降低 熔点。在主链上引入绕状结构的第二单体来形成共聚物，如p e 和丙烯酸乙酯 ( c m ：c h c o o c 配一c h 2 ) 的共聚物，由于引入单体的分子链自由内旋转能力比 p e 更大，分子链比p e 更柔软，所以可以使s 增大，熔点降低。对于由多数a 链节 和少数b 链节形成的共聚物，其中单体a 的克分子数为z 。，第二单体b 的克分子数 第二章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘台复合纤维纺丝原料的优化 为z 。，则第二单体b 对的影响可用式( 2 2 ) 表示 乙：石星等j (2-2)-rl 谶m nx a t ： 憎。 式中，e 共聚物的熔点( k ) 0 。均聚物的熔点( k ) r 气态常数 由式( 2 2 ) 可知，由于第二单体x 。的存在，z 减少，共聚物已下降。 2 1 2 密度对p e 熔点的影响 按密度分，聚乙烯分三种类型：低密度聚乙烯( l d p e ) ，中密度聚乙烯( m d p e ) 及高密度聚乙烯( h d p e ) 。l d p e 和m d p e 分子量较小，支化度高，密度小，结晶性差， 不适于纤维用。高密度聚乙烯支链少，密度大，结晶度高，适于熔融纺丝法进行短 纤维、长丝的生产，断裂强度( 3 7 c n d t e x ) 、伸长( 1 0 1 5 ) 适中同时又具有适 宜的熔融温度( 1 3 0 左右) 。如表2 一l ，三种不同密度聚乙烯的性能比较。 表2 1三种不周密度p e 性能比较 2 1 3 分子量对p e 熔点的影响 一般说来，在一种聚合物的同系物中，熔点随分子量而增加而升高，直到临界 分子量时，即可忽略分子链“末端”的影晌时，此后则与分子量无关，如图2 一l 所 示，( - c h 2 一) 。聚合度n 与熔点的关系。 第二章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维纺丝原料的优化 熔 点 日c h 2 归中n 的数目 r 图2 - 1 ( 一c 一l 聚合度n 与熔点的关系 对p e 来说，在到达临界分子量以前，聚乙烯的熔融温度瓦随着分子量的增加 而提高，但同时随着分子量的增加，由于较长的分子链阻碍了结晶，使无定形区增 大，密度也会减小，使得所制聚乙烯纤维的断裂强度和屈服强度下降。因此，p e 的 分子量和密度是影响其熔点的相互关联的两个因素。表2 2 是不同分子量、不同熔 融指数p e 的熔点。 表2 - 2 不同分子量、不同熔融指数p e 的熔点 综合以上分析，p e 单烯烃高分子链低熔点性能的设计，主要应从三个方面加以 考虑。不考虑p e 的密度和分予量对熔点的影响，可以通过与丙烯酸乙酯共聚来改善 p e 的熔点，其影响规律如2 1 1 节所述。但实际上，p e 的分子量和密度对其熔点的 影响是主要的，因此，低熔点p e 高分子链的设计主要是从分子蜃和密度两个方面加 以选择。 2 2 粘结性能的设计 p p p e 低熔点热粘合复合纤维除熔点低外，还必须具有良好的粘结性能。而粘结 第二章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维纺丝原料的优化 强度取决于粘结力、粘结剂、被粘结物尺寸、力学性质和破坏条件。据有关研究， 低熔点热粘合复合纤维粘结后所受破坏主要是受拉伸力而产生的剪切破坏及撕裂而 产生的t 型剥离破坏，其相应强度为拉伸剪切强度和剥离强度。因此，从剪切强度 和剥离强度的大小能看出粘结性能的好坏。 a 剪切强度可用胡克( h o o k e ) 模型( 式2 - 3 ) 来表示： f _ 占g ：x g h 式中：f 剪切强度 e 临界应变( 破坏点的应变) g 剪切弹性模量 x 粘结剂达到破坏点的形变 h 发生变性的材料长度 b 剥离强度用卡爱波尔( k a e l b l e ) 的剥离强度式来描述( 式2 - 4 ) ： d ；鉴：! q ：! 1 2 y ( 1 一c o s 缈) 式中：p 剥离强度 。剥离角度 y 粘结材料的弹性模量 o 。粘结材料内部的最大应力 a 粘结材料的厚度 b 粘结材料的宽度 k 常数 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 从上述两个公式可知，粘结材料的剪切强度随粘结材料的弹性模量增大而提高， 但剥离强度却随粘结材料弹性模量增大而下降，随粘结材料厚度的增加而增大- 因 此，在设计低熔点粘结纤维的组成时，须先考虑低熔点组份的弹性模量对提高剪切 强度和剥离强度的影响，并且粘结材料的厚度必须从皮芯断面形态的结构及比例加 以考虑。 粘结性能还取决粘结材料的分子链结构，如分子链有极性基团，就可以明显提 高粘结性能。丽引入带有极性基团之第二单体的共聚物则为更佳原料。如表2 - 3 ， 各低熔点组分p e 的粘结强度( t 性剥离强度) 。 第二章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维纺丝原料的优化 表2 3 各低熔点组分p e 的粘结强度( t 性剥离强度) 2 3 可纺性的设计 当原料满足上述低熔点和粘结性能后，其可纺性是能否制取低熔点复合纤维的 关键。实验表明，可纺性主要依赖于高聚物的分子结构，其次是熔点的流动速率 ( m f r ) 。众所周知，可纺性与分子链的结构有关，高分子链为线性结构的聚合物可 纺性最好，表现为粘流活化能低，非牛顿指数较高，粘弹性较小，熔体流变性能好 等。反之，具有支链结构的单烯烃纺丝困难。为解决低熔点、可粘结性和可纺性三 者矛盾，通常把具有熔点低和粘结性能好，而分子链结构线性好或具有少量短支链 的单烯烃作为复合纺丝的最佳原料。 2 3 1 表观粘度和非牛顿指数对熔体流变性能的影晌 聚合物的可纺性是指挤出熔体细流在单轴拉伸应力作用下，稳定地发生不可逆 伸长形变的能力。但作为纺丝熔体，仅具有可纺性是不够的，它必须在纺丝条件下 具有足够的热稳定性和化学稳定性，在形成丝条后容易转化成固态，且固化的丝条 经过适当的处理后，具有必要的物理力学性质。所以，可纺性是作为成纤高聚物的 必要条件，但不是充分条件。 聚古物p e 具有较高的结晶度，其晶区是由斜方晶系构成的，其分子链具有锯齿 形构象，属于假塑性非牛顿流体。假塑性非牛顿流体的流动性能通常采用高聚物流 体的表观粘度来评价。聚合物熔体的表观粘度用熔体所受的剪切应力和剪切速率之 比来表示，表观粘度不完全反映熔体不可逆形变的难易程度，仅对其流动性的好坏 作一个大致性的相对比较，表观粘度大，则熔体的流动性差；表观粘度随剪切速率 增加降低快，说明熔体稳定性差。非牛顿流体的表观粘度公式如式( 2 5 ) 所示： 叩。= k 矽。1k 尹”7 式中， 熔体的表观粘度； k 稠度系数，是一种材料常数 ( 2 - 5 ) 第二章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维纺丝原料的优化 矿溥一剪切速率； n 一非牛顿指数 在流动曲线上，表观粘度即为在某一剪切速率篾下与原点相连直线的斜率， 见图2 3 ，由图可以看出，假塑性流体的表观粘度随剪切速率的增加而减小，故又 称为切力变稀流体。 y 图2 - 3 表观粘度随剪切速率变化示意图 非牛顿指数表示该熔体和牛顿流体的偏离程度，对于假塑性熔体，n 值小于1 ， l q 值越大，熔体越接近于牛顿流体，其流动性就越好。 2 3 2p e 的可纺性设计 由以上表观粘度和非牛顿指数对熔体流变性能的影响理论，p e 可纺性问题主要 是其表观粘度大小要适宜，熔体的稳定性要好。因此，需要使选用的p e 非牛顿指数 n 大一些，随剪切速率增大，表观粘度降小。表2 4 为不同分予量的聚乙烯的可纺 性比较。 表2 - 4 不同分子量的聚乙烯的可纺性比较 熔熔指数 l i ( g l o m i n ) 4 1 9 2 1 5 3 71 8 2 7 2 3 5 第二章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维纺丝原料的优化 将l # 、2 # 、3 # 、4 # 四种分子量的p e 分别和熔融指数m i 为2 7 i g l o c m ，粘均分 子量为1 4 8 0 x1 0 的p p 复合纺丝，纺丝情况及纤维性能如表2 - 5 所示。 表2 5 四种分子量的p e 分别和p p 复合纺丝情况及纤维性能 由表2 4 ，2 5 可以看出，2 # 、3 # 两种p e 原料熔体稳定性好，与熔融指数 l i 为 2 7 i g l o e m ，粘均分子量为1 4 8 0 x1 0 4 的p p 复合纺丝，所得p p p e 皮芯复合纤维的 强力、拉伸情况都很好。从纤维性能分析，2 # 与p p 的复合丝显示了较高的强度和较 低的伸长。而3 。与p p 复合丝的强度稍低，伸长较高，较适于无纺布使用。4 # 低密度 p e 由于大分子规整性差，不如高密度p e ，因此纤维的强伸度差。分子量为2 万左右 的i # p e ，由于其熔熔指数过高，纺丝情况较差，所得纤维性能也较差，不宜用来纺 丝。 通过以上分析可知，熔融指数为1 5 2 5 ，分子量为7 1 2 万的高密度p e 原料 可以满足复合纺丝的要求。其中分子量1 2 万左右的p e 切片所得复合纤维强度稍低， 延伸度较高，更适合于非织布的使用，其与熔融指数为2 0 3 0 ，分子量为1 4 1 6 万的p p 具有良好的复合纺丝性能。 第三章耐久型拒水油剂及其表面活性剂的选择和配置 第三章耐久型拒水油剂及其表面活性剂 的选择和配制 p p p e 热粘合复合纤维的拒水油剂主要由拒水剂以及抗静电剂、平滑剂等其它 表面活性剂组成。其拒水功能的获得是通过在纤维表面施加拒水油剂，使拒水油剂 的憎水基团伸向纤维的外面形成一层疏水膜，从而减少或消除对水的吸附性，如图 3 1 所示。此时，和纤维接触的水滴会以水珠状落下，而不会润湿纤维。拒水油剂 的选择要使其与纤维间有大于与水间的作用力，不足以从纤维表面失去而溶于水中， 使得纤维经过反复冲洗后，仍具有食好的拒水性能，即其要具有拒水耐久性。 憎水基团 复合纤维 图3 - 1 ：拒水原理示意图 3 。1 拒水剂简贪 拒水剂按其化学结构的不同主要分为吡啶类拒水剂、羟甲基类拒水剂、有机硅 类拒水剂及有机氟类拒水剂柏3 2 “，具体介绍如下。 ( 1 ) 吡啶类拒水剂 吡啶衍生物作为拒水剂，首先由英国i c l 公司于1 9 3 7 年以v e l a np f 为商品牌号 推荐于世，在四、五十年代享有很高的声誉 2 2 3 2 3 ov e l a np f 的化学名称是硬脂酸 酰胺亚甲基吡啶氯化物，其分子式如图3 - 2 所示。近年来，由于整理时会放出有毒 气体( 指吡啶) 的关系，它的应用己显著减少滢3 。 ( 2 ) 羟甲基类拒水剂 图3 - 2 ：v e l a np f 分子式 第三章耐久型拒水油剂及其表面活性剂的选择和配置 烃甲基类拒水剂中最简单的是羟甲基硬脂酸酰胺( c 、，h 3 ；c o n h c h ：o h ) ，其商品牌号 是v e l a nn w 。由于它是水分散液，贮存不够稳定，所以实际上应用较多的是醚化多 羟甲基三聚氰胺与硬脂酸、十八醇和三乙醇胺以不同克分子比进行改性的两种组分 a 、b ，与石蜡拼混的拒水剂( 简称羟甲基三嗪型拒水剂p h o b o t e xf t c ) 剐滔1 2 “， 其中两种改性组分的结构示意式如图3 - 3 。 组分a ： _ 斜蛊 f 鬟舛盖盘0 毪一 l史3 印q 皿 一 这类拒水剂由于拼混石蜡，所以其抗渗水性较吡啶类拒水剂为好，在整理过 程中无难闻的气体和腐蚀性气体逸出，可用于纤维紊纤维织物、合纤织物的拒水整 理。此外，它可与有机硅类拒水剂、拒油剂拼用。 ( 3 ) 有机硅类拒水剂 本课题选用有机硅类拒水剂。 有机硅类拒水剂对合成纤维具有较好的耐久性拒水效果。其以硅氧烷链为憎水 基，聚氧乙烯链、羧基、酮基或其它极性基团为亲水基构成的表面活性荆。硅氧烷 链的憎水性非常大，所以不长的硅氧烷链的拒水卉司就具有良好的拒水性。有机硅类 的拒水剂分子式如图3 4 所示( 其中，为一胃或一c h 3 ) o g 阢c h , ( c 瓯b 积。鼍苹一。争。擎一( i 吗) ，( o c 2 z - & ) 。1 2 r ac 5 吼 一 i 图3 4 有机硅类的拒水剂分子式 第三章耐久型拒水油剂及其表面活性剂的选择和配置 聚甲基含氢硅氧烷经热处理后，能使螺旋状结构的硅氧烷分子打开，促使较多 硅氧烷链与纤维表面接触，并在其上缩聚产生铆接作用交联成膜 ，由于硅氧烷 链夹角为1 0 9 。2 8 ，使得交联膜大分子结构非常柔软，能够较容易地和纤维同步拉伸。 并且这种交联膜还具有透气不透水的特点，所以经过有机硅拒水油剂处理后，纤维 具有柔软，透气不透水的耐久拒水特点。可以知道，含氢硅氧基的存在是有机硅类 拒水剂具有耐久性拒水效果的主要因素，同时也说明了在整理工艺中热处理的重要 性。 为了使有机硅类拒水剂整理织物有良好的手感，通常是将两种不同结构的聚硅 氧烷混用，一种是有反应基团的聚甲基含氢硅氧烷，另一种为聚二甲基硅烷n 们阻钉 3 0 3 m “。两者的比例，视含氢量的不同可为4 0 6 0 6 0 4 0 。两者分子式如图3 - 5 、 3 6 所示。 c 。h 3 瞄 ， l 。 ( c h 3 ) 。盛d 早一砂一乎一c h 3 i - 1 g 日3 图3 - 5 聚甲基含氢硅氧烷 c 麓ls h ， i i 。 ( 且研c 缟) 3 盛d 譬一c 珍一s , - c h , ( o h ) 吗c h 3 此外，有机硅类拒水剂中的含氢硅氧烷乳液的稳定性对应用有重要意义。为此 应在较低温度条件下保存，其乳液的颗粒要在卜2 微米，介质的p h 值应在4 - 6 之间， 而且乳化技术对稳定性也有一定关系。所以，这类商品的贮存期为3 个月到一年。 近年来，应用较多的还有有机氟类拒水剂等。 3 2 拒水油剂中其它表面活性剂的选择和配制 选择了良好的耐久型拒水剂，还必须选配其它表面活性剂。复合纤维除具有拒 水性能外，还必须具有良好的抗静电性、平滑性和抱合性l 2 1j j 从而保证纤维具有良 好的梳理性能和成网性能，以适合无纺布用户的需要。 3 2 1 抗静电剂的选择 第三章耐久型拒水油剂及其表面活性剂的选择和配置 众所周知，纤维在梳理中必须与金属、陶瓷和橡皮产生摩擦，从而使纤维表面 带有静电而影响生产，因此，必须选择具有抗静电性能的表面活性剂配制的油剂来 消除静电。而能够在纤维表面吸附配向的表面活性剂即可起抗静电作用。抗静电剂 有阳离子型、阴离子型、两性型和非离子型，目前采用较多的抗静电剂是烷基磷酸 酯盐，其抗静电原理为：烷基磷酸酯盐与一个水分子形成氢缔含分子，如此表面活 性剂在纤维表面形成极性中心而成为连续的薄层水膜，从而降低了纤维的表面电阻， 以达到抗静电的性能。如图3 7 所示。 _ 3 43 63 8 40 4 24 4 4 64 8 5 052 xa x i st i t l e ( 拉伸倍数) 图4 - 7 ( a ) 复合纤维比强度、取向因子、沸水缩率随拉伸倍数变化规律 1 8 0 1 6 0 业 寰1 4 0 碟 豁1 2 0 ￥ 乞1 0 0 _ 8 0 6 0 xa x i st i t l e ( 拉伸倍数) 图4 7 ( b ) 复合纤维断裂伸长随拉伸倍数变化规律 复合纤维断裂比强度、取向因子、沸水缩率及断裂伸长率随拉伸倍数的变化规 律如图4 7 ( a ) 、( b ) 所示。可以看出，随着拉伸倍数的增加，大分子链沿纤维轴 线方向取向度不断提高，同时取向诱导结晶，使纤维密度、强度增加，断裂伸长率 下降，沸水收缩率增加，显示了良好的规律性。本课题采用的拉伸倍数为4 倍，当 拉伸倍数为4 倍时，所得纤维手感柔软，强力、伸长适中，具有优良的物理力学性 能。 4 3 5 2 卷曲 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 第四章耐久型拒水p p p e 低熔点热粘合复合纤维纺丝技术原理及其生产t 艺 前道机器送来的湿的平直状态的p p p e 复合纤维，在上下卷曲压力辊及调节装 置机械压力的作用下，受阻卷曲，加工成纵向卷曲状的纤维，赋予其优良的抱合力， 并有利于后道工序的加工。机械卷曲的原理图及$ 6 5 5 型卷曲机如4 8 ( a ) 、( b ) 所 示。 图4 8 ( a ) 卷曲原理图图4 - 8 ( b ) $ 6 5 5 型卷曲机示意图 4 4p p p e 皮芯型复合纤维的冷却成形分析 p p i p e 低熔点热粘合复合纤维的冷却成型较为复杂，因为皮层p e 和芯层p p 它 们的熔点、热传导率、晶体结构及结晶速度均不同。因此，使两组分都能达到均匀 冷却且使纤维具有良好的拉伸性能是比较困难的。由于p e 分子链规整且柔软，能以 能量最小及最稳定的锯齿状切入晶格，因而极易结晶，最大结晶度可达9 5 ，而p p 分子链为螺旋形结构，虽然排列规整，也易结晶，但比p e 结晶差，最大结晶度为 8 0