定长热定型对聚苯硫醚熔喷非织造布性能的影响*

, 罗新

1. 武汉纺织大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430073；2. 四川省纺织科学研究院，四川 成都 610072；3. 应城市天润产业用布有限公司，湖北 应城 432400

定长热定型对聚苯硫醚熔喷非织造布性能的影响*

熊思维1严珺宝1赵正辉1覃俊2许静1王桦1,2陆宏3王罗新1

1. 武汉纺织大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430073；2. 四川省纺织科学研究院，四川 成都 610072；3. 应城市天润产业用布有限公司，湖北 应城 432400

采用不同温度和时间，对实验室制备的聚苯硫醚(PPS)熔喷非织造布进行定长热定型处理，并对处理前后的PPS熔喷非织造布的尺寸稳定性、微观形貌和拉伸性能进行表征。结果表明：采用不同的热定型条件，均能获得尺寸稳定性良好的PPS熔喷非织造布；热定型后，PPS熔喷非织造布的微观形貌不发生明显变化，纤维玻璃化温度提高，拉伸强度增大，断裂伸长率下降。

聚苯硫醚，熔喷非织造布，尺寸稳定性，结晶度，玻璃化温度，拉伸性能

聚苯硫醚(PPS)作为一种高性能聚合物材料，具有力学强度高、耐高温、耐化学药品、热稳定性好等特性，其纤维材料主要用于高温滤料、特种防护等领域[1-2]。当前，采用熔喷法制备PPS超细纤维备受关注[3]。PPS熔喷超细纤维具有制备成本低和加工过程无污染的优点，其在滤料中的应用可进一步提高过滤精度，有望实现高温烟尘的超净排放，对于解决工业PM2.5污染问题具有重要意义。此外，PPS熔喷超细纤维还可用于制备吸油材料、绝缘纸、合成革基布、化工过滤材料等。因此，PPS熔喷超细纤维的相关性能研究对于其应用至关重要[4]。

在合成纤维的制备工艺中，牵伸和热定型是极为重要的提高纤维性能的两道工艺。在熔喷法制备PPS超细纤维的过程中，树脂从喷丝孔挤出后受热风牵伸，直接落在网帘上成网，完成PPS熔喷超细纤维的成型。热风牵伸使得PPS熔喷超细纤维存在残余应力，纤维在实际使用过程中可能会存在尺寸不稳定的问题，因此需对其进行热定型处理。在现有文献中，有关纤维热定型处理的报道很多。熔喷法得到的纤维多为非织造布形式，它由无数纤维无规则地黏合或缠结而成，与单根或单束纤维相比，其结构较为复杂，其热定型过程并不能与单根或单束纤维相提并论，因此，探究PPS熔喷非织造布的热定型工艺具有实际意义。

在前期研究基础上，武汉纺织大学成功制备出PPS熔喷非织造布，并研究了热压条件对PPS熔喷非织造布性能的影响。本文以实验室自制的PPS熔喷非织造布为原料，在不同条件下对其进行定长热定型处理，并通过扫描电镜(SEM)分析、X射线衍射(XRD)法和示差扫描量热(DSC)法及力学性能测试，探索热定型前后PPS熔喷非织造布的物理性能和结构的变化，以期得到PPS熔喷非织造布的最佳定长热定型条件，为PPS熔喷非织造布的实际应用提供理论指导。

1 试验

1.1原料

PPS切片，熔点 285 ℃，由德阳科吉高新材料有限责任公司提供，使用前于140 ℃真空烘箱中干燥24 h。

1.2PPS熔喷非织造布的制备

采用实验室定制的熔喷试验机制备PPS熔喷非织造布，如图1所示[5]。首先，将经过真空干燥的PPS切片由螺杆加热、熔融、塑化，形成熔体并通过喷丝孔；然后，由喷丝板输出的PPS初生丝在高速热空气的牵伸作用下，沉积于接收器上形成纤网，纤网中的超细纤维通过热黏合形成非织造布；最后，收卷得到PPS熔喷非织造布。

图1 熔喷工艺示意

1.3PPS熔喷非织造布的定长热定型

将制得的PPS熔喷非织造布，分别在不同温度和时间下进行定长热定型：

120 ℃，定型时间2.00， 6.00， 10.00， 14.00， 18.00， 20.00 min；

150 ℃，定型时间2.00， 3.00， 4.00， 5.00， 6.00， 7.00 min；

180 ℃，定型时间1.00， 2.00， 3.00， 4.00， 5.00， 6.00 min；

200 ℃，定型时间0.50， 1.00， 2.00， 3.00， 4.00， 5.00 min；

220 ℃，定型时间0.17， 0.50， 1.00， 2.00， 3.00， 4.00 min。

然后，将定长热定型后的PPS熔喷非织造布裁剪成20 mm×20 mm的样品，在220 ℃下恒温放置30.00 min(简称“恒温处理”)，以其不发生收缩为标准，确定不同温度下的定型时间，以期探索出最佳的定长热定型工艺。

1.4测试

1.4.1 热收缩率

观察恒温处理前后PPS熔喷非织造布样品的尺寸变化，计算样品的热收缩率(G)：

(1)

式中：S0为PPS熔喷非织造布样品恒温处理前的面积，cm2；

S1为PPS熔喷非织造布样品恒温处理后的面积，cm2。

1.4.2 形貌观察

采用日本电子株式会社的JSM-6510LV扫描电子显微镜，观察定长热定型前后PPS熔喷非织造布的微观形貌。

1.4.3 DSC分析

采用德国Netzsch公司的DSC 204F1差示扫描量热仪，对定长热定型前后的PPS熔喷非织造布进行DSC分析。温度范围为50～300 ℃，升温速率10 ℃/min。

1.4.4 拉伸性能

将定长热定型前后的PPS熔喷非织造布裁剪成150 mm×15 mm的样条，按照GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长》的规定，对PPS熔喷非织造布的拉伸强度和断裂伸长率进行测试。

2 结果与讨论

2.1PPS熔喷非织造布的微观形貌

定长热定型前后的PPS熔喷非织造布的微观形貌观察结果如图2所示。

(a) 定长热定型前

(b) 定长热定型后

从图2可以观察到，PPS熔喷非织造布中的纤维较细(其直径平均约5 μm)，纤维之间无规则地堆叠在一起，形成三维网状结构，定长热定型前后PPS熔喷非织造布的微观形貌基本一致。

2.2PPS熔喷非织造布的热收缩性

PPS熔喷非织造布中的纤维经热风牵伸后，纤维中的分子链发生取向，但这种取向结构并不稳定，在较高温度下高分子链会发生解取向，最终会使PPS熔喷非织造布出现明显收缩，影响制品的实际应用。采用定长热定型，能促使PPS熔喷非织造布中的纤维趋向热力学平衡态，确保PPS熔喷非织造布能在较高温度下保持良好的尺寸稳定性[6]。由于PPS熔喷非织造布的工作温度通常在190 ℃以上，因此，本文将定长热定型后PPS熔喷非织造布在220 ℃下恒温放置30.00 min，然后计算其热收缩率，结果如图3所示。

图3 定长热定型后PPS熔喷非织造布的热收缩率

从图3可以看出，定长热定型温度越高，定长热定型后的PPS熔喷非织造布在220 ℃下放置30.00 min不发生热收缩所需的定型时间越短：定型温度为120 ℃时，定型时间需18.00 min；定型温度提高到150 ℃时，定型时间需6.00 min；定型温度为220 ℃时，定型时间只需3.00 min。

本文采用的定型温度高于PPS的玻璃化转变温度(Tg=88 ℃)，其分子链段开始运动，消除了内应力，因此PPS熔喷非织造布达到热稳定状态[7-9]。当采用较低的定型温度时，PPS分子链段的运动较为缓慢，因此PPS熔喷非织造布达到动力学平衡所需的时间较长。定型温度越高，PPS分子链段越容易发生重排、结晶和解取向。当定型温度为150 ℃时，定型时间比定型温度为120 ℃时大幅度减少，在220 ℃定型温度下只需定型3.00 min。由此可以判定，对PPS熔喷非织造布，采用较高的定型温度，可以有效提高定长热定型的效率。

2.3PPS熔喷非织造布的DSC分析

图4为定长热定型前后PPS熔喷非织造布的DSC曲线，其中定长热定型温度和时间分别为150 ℃、6.00 min。可以看到，定长热定型前后PPS熔喷非织造布的DSC曲线上，283 ℃左右都有一个明显的吸热峰，这是PPS的熔融峰(Tm)，但没有冷结晶峰(Tc)。其原因可能是PPS属于易结晶聚合物，它的分子链非常规整，在PPS熔喷非织造布的成型过程中，受到热风牵伸作用，非织造布中的纤维已具有一定结晶度，热定型后纤维结晶度会进一步提高。因此，在本文采用的DSC测试条件下，未能观察到结晶峰。

此外，从图4还可以看到，定长热定型前的PPS熔喷非织造布的Tg约88 ℃，定长热定型后的PPS熔喷非织造布的Tg有明显的提高，约109 ℃。其原因可能是，经过定长热定型后，PPS熔喷非织造布的纤维结晶度提高，无定形区的链段运动受限，运动阻力增大。

图4 定长热定型前后PPS熔喷非织造布的DSC曲线

2.4PPS熔喷非织造布的拉伸性能

经过定长热定型后，PPS熔喷非织造布的结晶度和Tg都有所提高，这会影响PPS熔喷非织造布的力学性能。图5所示为定长热定型前后PPS熔喷非织造布的拉伸性能。

图5 定长热定型前后PPS熔喷非织造布的拉伸性能

从图5可以看出，与定长热定型前相比，定长热定型后的PPS熔喷非织造布的拉伸断裂强度有一定的提高，断裂伸长率则明显下降。比如，定长热定型前的PPS熔喷非织造布的拉伸断裂强度为29.4 MPa，断裂伸长率为15.1%；120 ℃下定型16.00 min后，PPS熔喷非织造布的拉伸断裂强度提高到34.0 MPa左右，断裂伸长率下降到9.0%。在其他定长热定型条件下，PPS熔喷非织造布的拉伸性能均表现出类似结果。

另一方面，在图5给出的定长热定型条件下，热定型后的PPS熔喷非织造布基本不发生热收缩，且拉伸断裂强度和断裂伸长率的变化较小，这可能是因为在这些热定型条件下得到的PPS熔喷非织造布中，纤维结晶度较为接近。

本文对定长热定型前后PPS熔喷非织造布的拉伸断裂口形貌进行观察，结果如图6所示，其处理条件为220 ℃、3.00 min。另外，图6还给出了定长热定型前后PPS熔喷非织造布的应力-应变曲线。可以看到，定长热定型前的PPS熔喷非织造布的断裂口出现较多纤维，其应力-应变曲线呈现韧性断裂特征，这是由于定长热定型前的PPS熔喷非织造布中纤维的非晶区较多，分子链容易滑移，表现出较大的拉伸形变。定长热定型后的PPS熔喷非织造布的断裂口呈锯齿状，且有少许纤维，相对于定长热定型前的样品而言，其应力-应变曲线呈现脆性断裂特征，这是定长热定型提高了纤维结晶度的结果。很明显，对PPS熔喷非织造布进行定长热定型，其性能变化主要受纤维结晶状况的影响。有关PPS熔喷非织造布定长热定型过程中的结晶度变化和结晶动力学的研究工作，本课题组会进行后续报道。

图6 定长热定型前后PPS熔喷非织造布的应力-应变曲线

3 结论

(1) 采用合适的定长热定型工艺，能有效地控制PPS熔喷非织造布的尺寸稳定性，使其在220 ℃的高温下放置30.00 min能保持不收缩。

(2) 经定长热定型后，PPS熔喷非织造布的熔点变化不明显，但玻璃化温度明显提高。

(3) 定长热定型能有效提高PPS熔喷非织造布的拉伸断裂强度，但断裂伸长率明显下降，当定长热定型温度为220 ℃和定型时间为3 min时，PPS熔喷非织造布的拉伸强度可达到34.5 MPa。

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Effect of heat-setting at constant length on the properties of polyphenylene sulfide meltblown non-woven fabrics

XiongSiwei1,YanJunbao1,ZhaoZhenghui1,QinJun2,XuJing1,WangHua1,2,LuHong3,WangLuoxin1

1. School of Materials Science and Engineering, University of Wuhan Textile, Wuhan 430200, China;2. Sichuan Textile Science Research Institute ,Chengdu 610072, China; 3. Tianrun Industrial Cloth Co., Ltd., Yingcheng 432400,China

The polyphenylene sulfide(PPS) meltblown non-woven fabrics made by lab were heat-treated at constant length under different temperature and time. The size stability, micromorphology and tensile properties of the PPS meltblown non-woven fabrics before and after being finished were characterized. The results showed that the PPS meltblown non-woven fabrics obtained had good size stability under different heat-treating conditions. After being heat-treated, the micromorphology of the PPS meltblown non-woven fabrics did not change significantly, the fiber’s glass temperature increased, the fabrics’ tensile strength were improved and the elongation at break was reduced.

polyphenylene sulfide, meltblown non-woven fabric, size stability, crystallinity, glass temperature, tensile property

*国家科技支撑计划(2015BAE01B04)

2016-12-26

熊思维，男，1993年生，在读硕士研究生，主要研究方向为高性能纤维

王罗新，wanglx@wtu.edu.cn

TQ342.7

A

1004-7093(2017)10-0008-05