热塑性聚氨酯熔喷非织造布的制备及表征

闫新 宋会芬 石素宇 赵铁男 黄守龙

摘要：介绍了热塑性聚氨酯熔喷非织造布的加工研制过程，并对TPU熔喷非织造布的纤维结构、过滤性能、透气性能和力学性能进行测试与表征，重点讨论了牵伸热风的风温和风压对熔喷TPU纤维结构及非织造布性能的影响。结果表明：TPU可在215～225 ℃进行熔喷法非织造布生产，纤维分布均匀。当牵伸热空气的风压增大时，纤维细度变小;当牵伸热风风温升高时，非织造布中纤维的黏合更加紧密。纤维结构的变化显著影响TPU熔喷布的力学性能、过滤性能和透气性能。

关键词：热塑性聚氨酯;熔喷非织造布;工艺参数;过滤性能;透气性能

中图分类号：TS176.2

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）01-0006-05

近年来，随着工业的飞速发展，生产过程中不可避免地产生了一些粉尘和有毒气体，这些物质的存在严重影响了空气的质量，破坏了生态系统，对人们的身体健康产生了不良影响。随着国家对环境保护的日益重视，如何处理这些污染物，净化空气资源已经成为当前亟待解决的问题。研究并开发高性能、低成本、环保的各种新型过滤材料是一条实际可行的路线。Wang等[1]利用静电纺丝技术制备了聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）/聚乙二醇（PEG）多孔膜，研究了膜对粉煤灰溶液和气溶胶粒子的过滤性能，研究表明纤维膜对粉煤灰粒子和气溶胶微粒的过滤效率分别高达96.7%和98%。李志生[2]报道了一种具有除臭功能的非织造过滤材料的制备技术，这种过滤材料借助化学反应除去像氨、甲醇、硫化氢等恶臭味气体，显著高于活性炭的吸附效果。

熔喷法非织造布是由超细短纤组成，纤维呈交错状态均匀分布，故其纵横向强力差异小，织物孔径较小，具有较高的比表面积，又因其生产效率高、生产成本低，所以熔喷法非织造布被广泛用于过滤行业[3—4]。李学伟等[5]采用水热合成法制备了生物质石墨烯炭分子筛，将其加入纺黏非织造布，制备了生物质石墨烯纺黏非织造布，过滤效率比普通纺黏非织造布的过滤效率提高31%。德国FirmaCarl公司[6]将滤纸与熔喷复合材料的熔喷层一侧又合了一层点黏合的热轧纺粘布，大大提高了复合滤料的强度和耐磨损性。

热塑性聚氨酯（TPU）是分子中含有-NH-COO-基团的线性共聚物，聚氨酯独特的链结构和聚集态结构赋予其优异的物理性能和加工性能（如弹性好、强度高、韧性好、耐磨、耐低温性及耐油特性等），被广泛应用于工农业生产的各个方面[7—9]。此外，基于聚氨酯优异的物理性能，很多科研人员也开展了相关的功能化研究。张军瑞等[10]基于聚氨酯优良的物理性能制备了透明的含氟聚氨酯涂层，这种涂层具有较低的表面能、优异的耐候性，可以应用于航空和军事等领域。Yadav等[11]研究了功能化石墨烯纳米片增强的热塑性聚氨酯复合体系，研究发现功能化石墨烯的加入令复合体系在力学性能、热稳定性以及形状记忆方面均有明显地提高。Yao等[12]设计并实现了一种新型的弹性聚氨酯/石墨烯壓电材料的制备。将热塑性聚氨酯应用于熔喷技术，可开发具有优异的韧性、伸展性的弹性熔喷非织造布，不仅可以广泛应用于过滤行业，也可以用于制造弹性腰带，手套，医疗用绷带等，进一步拓展了熔喷非织造布的应用领域。然而，有关熔喷TPU非织造布的研究鲜有报道。

基于此，本文以TPU为原料，通过熔喷技术制备TPU非织造布，并考察了牵伸热风的风温和牵伸热风的风压对熔喷TPU非织造布的形态结构、强力、过滤性能和透气性能的影响。

1实验

1.1实验原料

热塑性聚氨酯（TPU），型号B80A，粒料，巴斯夫股份公司，德国。

1.2样品制备

1.2.1TPU切片的纺前干燥

聚合物切片在纺丝前未进行干燥处理或切片内水分干燥不彻底，容易在熔融纺丝过程中形成气泡丝，并造成毛丝和断头，从而使熔喷非织造布的表面光滑度及手感下降，织物强力、弹性及伸长率等也会受到很大影响[13]。另外，切片中水分含量过高时，聚合物的软化点较低，在螺杆挤出机中容易形成环结阻料，不利于纺丝。

因此，本实验采用DHG型电热恒温（鼓风）干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）对TPU聚合物切片进行干燥。干燥箱内风压为0.09 MPa，风温为95 ℃，干燥时间为4 h。

1.2.2TPU熔融指数的测试

熔融指数（MI）是表征聚合物熔体流动性能的一个重要指标，是指在规定温度和负荷条件下，熔体在一定时间内流过标准毛细管的重量，用g/10 min来表示。其值越大，表明熔体的流动性能越好。在不同温度下，聚合物的熔融指数会有所不同。一般情况下，温度越高，熔融指数越大，聚合物的流动性越好，更有利于熔喷工艺[14]。

为了确定熔喷纺丝的最佳熔体温度，采用RL—Z1B1熔体流动速率仪（上海斯尔达科学仪器有限公司）测定TPU在不同温度下的熔融指数。按照标准GB/T 3682—2000《热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定》测试：负荷为4 675 g，毛细孔直径为2.095 mm。

由表1可得，从185 ℃开始，随着温度的逐渐升高，TPU的熔融指数逐渐增大，流动性变好。在熔体温度为215 ℃时，熔融指数最高（91.89 g/10 min）。因此，熔喷TPU的最佳温度范围为215～225 ℃。

1.2.3熔喷TPU非织造布

采用FCN—2型熔喷实验机（淄博临淄方辰有限公司）进行熔喷TPU非织造布实验，喷丝板孔径0.25 mm。本研究共进行两组TPU切片的熔喷纺丝试验。首先通过a组实验，尝试确定成功纺丝的工艺参数。然后采用控制变量的方法，进行b组熔喷纺丝实验，主要考察牵伸热风的风温及风压对熔喷TPU非织造布结构及性能的影响。表2为a组纺丝工艺参数。

1.2.4扫描电子显微镜（SEM）测试

为了观察不同工艺条件下熔喷TPU纤维的形态结构，采用Quanta 250型（捷克FEI公司，美国）扫描电子显微镜对TPU非织造布的表面进行SEM观察。在测试前，样品表面进行喷金处理。

1.2.7透气性能测试

过滤材料的透气性影响滤材的过滤性能，透气性采用规定试验面积、压差条件下，气体垂直通过试样的速率表示[16]。采用YG461Z型全自动透气性能测试仪（莱州市电子仪器有限公司），按照GB/T 5453—1997《织物透气性的测定》标准测试TPU熔喷非织造布的透气性能。实验压差为200 Pa，试样面积为20 cm2。为减小实验误差，对于每种样品测试6次，求取平均值，可测得不同熔喷工艺条件下TPU非织造布的气流速率。

2结果与讨论

2.1熔喷TPU非织造布的形态结构

2.1.1a组工艺下熔喷TPU非织造布的形态结构

图1（a）、图1（b）分别为a组工艺条件下熔喷TPU非织造布放大80倍和200倍的SEM图。由图1可知，熔喷TPU非织造布均匀成网，纤维平均直径约18 μm，非织造布厚度约0.6 mm，平方米质量170 g/m2。熔喷TPU非织造布表面质量良好，几乎未形成融滴粒子，且非织造布具有良好的弹性。

2.1.2牵伸热空气的风压和风温对纤维直径的影响

图2为不同牵伸热空气的风压和风温条件下熔喷TPU非织造布的形态结构。从图2中可以看出，风温不变时，随着风压的提高，熔体细流受到的牵伸力增大，纤维沿轴向拉伸效果较好，纤维直径逐渐变细;风压不变时，随着风温的提高，熔体黏度下降，流动性能提高，也有利于熔喷纤维直径的减小。

2.2熔喷TPU非织造布的力学性能

表4为不同风温和风压条件下熔喷TPU非织造布的顶破强力。由表4可得，随着牵伸热空气风压的增大，TPU熔喷非织造布的顶破强力逐渐增大。牵伸热空气的风压越大，纺丝线上的熔体细流所受到的牵伸力也越大，熔体细流的牵伸及取向越好，有利于纤维强力的提升。同时，纤维直径减小，熔喷纤维网的面覆盖率增加，纤网中纤维间的接触面积增加，摩擦力增大，故顶破强力也随之增加。除了单丝强力增大外，风压的增大，也会改善聚氨酯熔喷非织造纤网中纤维之间的黏合效果，使聚氨酯熔喷非织造材料的顶破强力增大。

此外，随着牵伸热空气的风温的升高，TPU熔喷非织造材料的顶破强力也逐渐增加。主要由于随着热风温度的提高，落在接收帘上的TPU纤维来不及冷却，纤维间的黏合效果增强，布的强力也随之增大。综合考虑，牵伸热风的风温为240 ℃时，风压为3.5 MPa时，熔喷TPU非织造材料的顶破强力最高。

表5为不同风温和风压条件下熔喷TPU非织造布的断裂强力。由表5可得，随着牵伸热空气的风压的增大和牵伸热空气风温的升高，TPU熔喷非织造布的断裂强力提高，其原因与顶破强力相同。

2.3熔噴TPU非织造布的过滤性能

表6为熔喷TPU非织造布的过滤性能测试结果。从表6中可以看出，牵伸风压和风温的提高都会提高熔喷TPU的过滤效率和滤阻。由SEM结果可知，熔喷TPU纤维的直径随风压增大和风温提高而减小，纤维的比表面积增大，吸附面积增大，所以过滤效率提高。同时纤维的面覆盖率增加，纤维网孔隙减小，阻力也相应加大[17]。

2.4熔喷TPU非织造布的透气性能

表7为熔喷TPU非织造布的透气性能测试结果。当固定风温时，风压越大，TPU熔喷非织造材料的透气率越小。因为风压越大，熔体细流所受牵伸力越大，TPU熔喷非织造材料内的纤维越细，比表面积越大，纤网的孔隙率也越小，故透气率减小[18]。而固定风压时，风温越高，TPU熔喷非织造

3结语

本文介绍了热塑性聚氨酯（TPU）熔喷非织造布的加工研制过程，通过熔融指数（MI）测试确立了熔喷TPU非织造布的纺丝温度范围为215～225 ℃。重点讨论了牵伸热风的风压和风温对熔喷TPU非织造布微观形态结构及性能的影响。风温不变时，熔喷TPU非织造布的纤维随牵伸风压的增大而变细，风压不变时，提高牵伸气流的风温，纤网中纤维之间的黏合作用加强。微结构的变化显著影响熔喷TPU非织造布的力学性能、透气性能和过滤性能。固定风温时，随牵伸热风风压增大，TPU熔喷非织造材料的断裂强力及顶破强力增加，过滤效率提高，但其透气性有所下降;固定风压时，随牵伸热风风温升高，TPU熔喷非织造材料的断裂强力、顶破强力、过滤效率和透气性与风压增大时呈相同的变化趋势。

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