過濾用高熔融指數(shù)聚對苯二甲酸丁二酯熔噴非織造布的制備

過濾用高熔融指數(shù)聚對苯二甲酸丁二酯熔噴非織造布的制備

采用脫鹽法生產(chǎn)非織布，是一種直接成網(wǎng)技術(shù)，利用高溫和高速加熱氣流的伸展效果制作精細(xì)纖維。本文采用高熔融指數(shù)的PBT作為原料,利用熔噴技術(shù)研制PBT非織造布,并討論工藝參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響。1試驗(yàn)部分1.1原材料PBT切片:TiconaCelanexPBT2008,熔融指數(shù)15.4g/min。1.2非織造成網(wǎng)系統(tǒng)東華大學(xué)非織造研究發(fā)展中心自行設(shè)計(jì)的熔噴非織造成網(wǎng)系統(tǒng)。幅寬1.6m,螺桿Φ65mm,熔噴模頭,外形是矩形,孔數(shù)為600個,產(chǎn)品面密度16～60g/m1.3熔噴非織造布的制備制備工藝流程見圖1。紡絲前接通電源并預(yù)熱,將熔噴設(shè)備的各部件調(diào)節(jié)到試驗(yàn)所需的溫度。當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后,恒溫0.5h,用PBT切片清洗螺桿擠壓機(jī)。重新投入干燥的PBT切片,待切片在螺桿擠壓機(jī)中加熱熔融后,經(jīng)噴絲口擠出。當(dāng)熔體由噴絲口擠出時,受到噴絲口兩側(cè)與熔體擠出方向成一定角度的高壓熱氣流的噴吹。在這種強(qiáng)烈高速的熱氣流作用下,熔體細(xì)流被拉伸成纖維,并在外界冷空氣的作用下冷卻固化,隨著氣流落在接收裝置上,通過自黏合作用形成非織造布。本試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)熔噴加工中的空氣壓力、接收距離、泵供量,來研究工藝參數(shù)的變化對制品結(jié)構(gòu)與性能的影響。設(shè)定了幾種工藝試驗(yàn)方案,見表1。1.4測試設(shè)備和方法1.4.1非織造布尺寸采用日立公司生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡,儀器型號S37004。非織造布按10cm×10cm尺寸取樣。用掃描電鏡將樣品放大200～1000倍拍照。在掃描電鏡照片上隨機(jī)取纖維15根,讀取測量照片上的纖維直徑,換算實(shí)際纖維直徑。1.4.2非織造布尺寸采用梅特勒-托利多儀器有限公司生產(chǎn)的電子天平,儀器型號AL104。采用小試樣測試。將非織造布樣品沿縱向每隔40°取樣一次(因?yàn)榻邮昭b置為圓筒狀),樣品大小為10cm×10cm。用電子天平稱取其質(zhì)量,通過計(jì)算求得試樣面密度平均值和面密度不勻率。1.4.3樣品長度和長度采用長春科新試驗(yàn)儀器公司生產(chǎn)的萬能材料試驗(yàn)機(jī),儀器型號WDW3020。將每種樣品分別沿縱向和橫向剪取5個20cm×3cm的長方形樣條。試驗(yàn)機(jī)上、下夾具之間的夾持長度為10cm,拉伸速度為100mm/min。1.4.4非織造布厚度測試采用美國PMI公司生產(chǎn)的孔徑測試儀,儀器型號CFP-1100-A。剪取5cm×5cm左右大小的非織造布樣品,將其放入樣品槽中,用二甲基硅油將樣品完全浸潤,向計(jì)算機(jī)中輸入樣品厚度進(jìn)行測試。樣品孔隙的最大孔徑、平均孔徑、孔徑分布圖由軟件直接計(jì)算得出。2結(jié)果與討論2.1空氣壓力對非織造布結(jié)構(gòu)與性能的影響在熔噴過程中,設(shè)定接收距離為150mm、泵供量為2.8g/min,調(diào)節(jié)改變噴吹高壓熱氣流的空氣壓力,研究空氣壓力對非織造布結(jié)構(gòu)與性能的影響。2.1.1空氣壓力對非織造布纖維直徑的影響圖2為不同空氣壓力下制取的非織造布樣品的SEM照片。圖3為在不同空氣壓力下制取的非織造布纖維直徑與空氣壓力的關(guān)系圖。由圖2、圖3可知,隨著空氣壓力由0.30MPa增加到0.50MPa,非織造布纖維直徑從7.14μm減小到3.11μm,變化較為顯著。這是因?yàn)樵赑BT熔體拉伸區(qū)域內(nèi),高壓熱氣流是纖維被拉伸的主要動力,熱空氣壓力的增加導(dǎo)致熱氣流流速加快,相應(yīng)對PBT熔體產(chǎn)生的拉力增大。因此,在其它熔噴工藝條件不變的情況下,空氣壓力越大,紡絲線上的PBT熔體受到的拉伸作用越強(qiáng),形成的纖維直徑越細(xì)。2.1.2空氣壓力對非織造布面密度不勻率的影響圖4為非織造布樣品面密度不勻率隨空氣壓力變化的曲線圖。由圖4可知,隨著空氣壓力的增加,PBT非織造布面密度不勻率有先增大后減小的趨勢。這是由于空氣壓力的增加對面密度不勻率有兩種影響效果:一方面使纖維受到的拉伸作用增強(qiáng),纖維直徑減小、直徑分布變窄,形成的PBT非織造布比較均勻,纖網(wǎng)面密度不勻率有減小的趨勢;另一方面,空氣壓力增加使氣流不穩(wěn)定性增大,紊亂的氣體流場使得PBT纖維在纖網(wǎng)上分布不均,導(dǎo)致非織造布面密度不勻率有增加的趨勢。當(dāng)空氣壓力為0.30～0.40MPa時,后一種效果占主導(dǎo)地位;當(dāng)空氣壓力為0.40～0.50MPa時,前一種效果占主導(dǎo)地位。2.1.3pbt熔體拉伸特性圖5為樣品橫向、縱向斷裂強(qiáng)力與空氣壓力的關(guān)系圖。從圖5中可以看出,在其他條件不變的情況下,PBT熔噴非織造布的橫向斷裂強(qiáng)力與縱向斷裂強(qiáng)力均隨著空氣壓力的增大而顯著增加。PBT熔體從噴絲口擠出后,在高速熱氣流的作用下受到拉伸?？諝鈮毫Φ脑龃?導(dǎo)致熱空氣流動速度加快,增強(qiáng)了對纖維的拉伸作用,使PBT大分子沿纖維軸向的取向提高,大分子排列趨于規(guī)則,宏觀上表現(xiàn)為PBT非織造布的斷裂強(qiáng)力增大。由圖5還可看出,在同一空氣壓力的條件下,縱向斷裂強(qiáng)力均大于橫向斷裂強(qiáng)力。這是因?yàn)樵谥苽銹BT熔噴非織造布的過程中,接收器上的PBT纖維沿各個方向分布,其中大部分纖維沿空氣流動方向分布,因此纖維縱向斷裂強(qiáng)力大于橫向斷裂強(qiáng)力。2.1.4空氣壓力對非織造布孔隙直徑的影響表2為不同空氣壓力下非織造布樣品的孔隙平均直徑和最大直徑數(shù)值表。由表2的數(shù)據(jù)可以得出,空氣壓力的增加導(dǎo)致PBT非織造布的孔隙平均直徑和最大直徑都有所減小。這是因?yàn)榭諝鈮毫υ黾雍?熱空氣的流速增大,纖維從噴絲口擠出后受到的拉伸力增加,纖維直徑減小,形成纖網(wǎng)的孔隙直徑相對較小。這有利于對小尺寸顆粒的過濾,能夠提高材料整體的過濾效率。2.2接地距離對非織造布結(jié)構(gòu)和性能的影響設(shè)定空氣壓力為0.50MPa、泵供量為2.8g/min,調(diào)節(jié)改變接收距離,研究接收距離對熔噴非織造布樣品結(jié)構(gòu)與性能的影響。2.2.1接收距離對非織造布纖維直徑的影響圖6為不同接收距離下非織造布樣品的SEM照片。圖7為非織造布樣品纖維直徑與接收距離的關(guān)系圖。從圖6、圖7可以看出,隨著接收距離從90mm增加到150mm,非織造布纖維直徑由4.56μm減小到3.11μm,變化范圍不大,最后基本無變化。這是因?yàn)榻邮站嚯x的增加,使得纖維在高壓熱氣流下被拉伸的時間變長,纖維直徑變小;但當(dāng)接收距離增大到一定程度后,纖維被加速到與氣流同速,二者無相對運(yùn)動,拉伸力消失,故纖維直徑不再變化。2.2.2接收距離對纖維拉伸特性的影響圖8為非織造布樣品面密度不勻率隨接收距離變化的曲線圖。由圖8可知,非織造布纖網(wǎng)面密度不勻率隨接收距離的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)樵诮邮站嚯x變化的過程中,受到兩種因素的共同作用:一方面,聚合物熔體從噴絲孔擠出時,受到冷、熱兩種空氣流場相互影響,使得纖維運(yùn)動的環(huán)境復(fù)雜多變,因此在一定接收距離范圍內(nèi),纖維在纖網(wǎng)上分布不均,纖網(wǎng)面密度不勻率增大;另一方面,接收距離的增加使得氣流對纖維的拉伸作用增強(qiáng),纖維的拉伸更加充分,纖維直徑逐漸變小,變均勻。纖維越細(xì),纖網(wǎng)的分布越均勻。氣流對纖維的拉伸作用使得纖網(wǎng)的面密度不勻率逐漸減小。當(dāng)接收距離在90～130mm時,前一種因素起主導(dǎo)作用;當(dāng)接收距離在130～150mm時,后一種因素起主導(dǎo)作用。2.2.3纖維冷卻固化圖9為非織造布樣品橫向、縱向斷裂強(qiáng)力與接收距離的關(guān)系圖。由圖9可知,隨著接收距離的增加,在一定范圍內(nèi),PBT非織造布的橫向、縱向斷裂強(qiáng)力均有所降低。這是由于隨著接收距離的增大,纖維從噴絲口到接收器之間的飛行距離增加,留給纖維冷卻固化的時間變長,最終纖維冷卻固化程度較高,纖維之間的黏結(jié)性減弱,制得的非織造布柔軟蓬松,結(jié)構(gòu)緊密度下降,從而導(dǎo)致非織造布的橫向、縱向斷裂強(qiáng)力下降。此外,由圖9可以得出,隨著接收距離的增大,非織造布縱向、橫向斷裂強(qiáng)力的差值由7.30N減小到2.77N,即縱向斷裂強(qiáng)力越來越接近橫向斷裂強(qiáng)力,PBT非織造布斷裂強(qiáng)力趨于各向同性。這是因?yàn)殡S著接收距離的增加,纖維在氣流中的運(yùn)動時間變長,可表現(xiàn)出的運(yùn)動狀態(tài)增多,最終形成的纖網(wǎng)較為雜亂,導(dǎo)致PBT非織造布中的纖維分布趨于各向同性。2.2.4非織造布孔隙直徑的變化表3為不同接收距離下非織造布樣品孔隙平均直徑和最大直徑的數(shù)值表。由表3中的數(shù)值分析得出,隨著接收距離的增加,PBT非織造布孔隙的平均直徑和最大直徑均有增大的趨勢。影響非織造布孔隙直徑變化的主要因素是纖網(wǎng)的疏密程度。當(dāng)接收距離較小時,高壓熱氣流的冷卻和擴(kuò)散不夠充分,纖維在高壓熱氣流中的運(yùn)動時間較短,纖維的冷卻固化程度較低,纖維之間的黏結(jié)點(diǎn)增加,纏結(jié)嚴(yán)重,形成纖網(wǎng)后體積密度變大,纖網(wǎng)較密,造成最終產(chǎn)品的孔隙直徑較小,蓬松度較低。隨著接收距離的增大,纖維冷卻固化程度提高,制得的非織造布柔軟蓬松,導(dǎo)致平均孔隙直徑和最大孔隙直徑均有所增大。2.3泵供量對非織造布結(jié)構(gòu)與性能的影響熔噴PBT非織造布加工時,設(shè)定空氣壓力為0.5MPa、接收距離為110mm,調(diào)節(jié)改變泵供量,研究泵供量對非織造布樣品結(jié)構(gòu)與性能的影響。2.3.1泵供量對纖維細(xì)度的影響圖10為不同泵供量下非織造布樣品的SEM照片。圖11為非織造布纖維直徑與泵供量的關(guān)系圖。從圖10中可以看出,隨著泵供量的增加,纖維之間的黏連、并絲現(xiàn)象逐漸加劇。圖11顯示,在其他工藝參數(shù)不變的前提下,隨著泵供量的增加,纖維直徑有逐漸增加的趨勢。這是由于在空氣壓力不變時,總的拉伸作用力不變,單位時間內(nèi)擠出量的增加導(dǎo)致單位質(zhì)量的熔體受到的拉伸作用力相對減弱,纖維直徑變粗。同時,纖維直徑的增加使纖維冷卻固化緩慢,導(dǎo)致纖維在由噴絲口運(yùn)動到接收裝置的過程中易于相互黏連,造成圖10中的“并絲”現(xiàn)象。2.3.2泵供量對纖網(wǎng)密度不勻率的影響圖12為非織造布樣品面密度不勻率隨泵供量變化的曲線圖。由圖12可以看出,PBT非織造布面密度不勻率隨著泵供量的增加而明顯增大。這是因?yàn)殡S著泵供量的增加,熔體與拉伸熱氣流及成型空氣流場的熱交換波動增大,纖維拉伸不充分,直徑增大,粗細(xì)不均情況加劇,造成PBT非織造布面密度不勻率增大。2.3.3橫向斷裂強(qiáng)力圖13為非織造布樣品橫向、縱向斷裂強(qiáng)力與泵供量的關(guān)系圖。由圖13分析可得,隨著泵供量的增加,熔噴PBT非織造布的橫向斷裂強(qiáng)力與縱向斷裂強(qiáng)力均有所增強(qiáng)。這是因?yàn)殡S著泵供量的增加,單位時間內(nèi)熔體從噴絲口擠出量增大。在其他條件不變的情況下,熔體擠出量的增加導(dǎo)致纖維對非織造布強(qiáng)度的貢獻(xiàn)增大,在形成纖網(wǎng)后整體斷裂強(qiáng)力提高。同時,纖維直徑的增加使得纖維冷卻固化的時間變長,纖維易相互黏結(jié),從而提高了PBT非織造布的整體強(qiáng)度。3空氣壓力pbt纖維通過以上分析討論,就過濾材料用高熔融指數(shù)PBT非織造布的制造我們可以得出以下結(jié)論:(1)高熔融指數(shù)PBT熔噴非織造布纖維直徑較細(xì)。在本實(shí)驗(yàn)條件下,PBT纖維直徑集中分布在3～7μm之間。(2)隨著噴吹高壓熱氣流的空氣壓力的增大,PBT纖維的直徑逐漸變細(xì);纖網(wǎng)的面密度不勻率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;PBT非