陳海英，張才前，蘇張蕓，施晨艷

(紹興文理學(xué)院元培學(xué)院，浙江 紹興 312000)

玻璃纖維增強(qiáng)PP熔噴無紡布復(fù)合面料的開發(fā)

陳海英，張才前，蘇張蕓，施晨艷

(紹興文理學(xué)院元培學(xué)院，浙江 紹興 312000)

使用OP- 450GS開邊式粘合機(jī)，采用玻璃纖維長絲在不同粘合溫度、粘合機(jī)壓力、粘合速度條件下與聚丙烯(PP)熔噴無紡布進(jìn)行復(fù)合，制備了玻璃纖維增強(qiáng)PP無紡布復(fù)合面料，以改善PP熔噴無紡布面料的力學(xué)性能及其耐久性。結(jié)果表明：最佳復(fù)合工藝為粘合溫度130 ℃、粘合速度9 cm/s、粘合機(jī)壓力1.5 MPa、玻璃纖維卷繞密度200根/m；在較佳復(fù)合工藝條件下，復(fù)合面料的縱向斷裂強(qiáng)力為452.48 N，頂破強(qiáng)力為86.35 N，厚度為0.336 mm；復(fù)合面料的界面結(jié)合力大于PP熔噴無紡布中纖維之間的結(jié)合力，玻璃纖維顯著增強(qiáng)了復(fù)合面料的力學(xué)性能。

聚丙烯纖維 熔噴無紡布 玻璃纖維 增強(qiáng) 粘合 復(fù)合面料 斷裂強(qiáng)力

聚丙烯(PP)增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法可分為釜內(nèi)聚合法[1]和機(jī)械共混法[2]。釜內(nèi)聚合法是指在反應(yīng)器中將均聚PP與烯烴或其他單體、催化劑等進(jìn)行共聚，生成丙烯烯烴共聚物或其他共聚物的過程。該方法可賦予復(fù)合材料良好的低溫性能，但是對復(fù)合材料機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、功能性方面提升效果不佳。相比釜內(nèi)聚合法，機(jī)械共混法對復(fù)合條件要求低，也可有效地提升PP材料的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性。在PP中加入玻璃粉體或短切纖維[3]、陶瓷粉[4-7]、木粉、竹粉等[8]，通過擠出機(jī)充分混合進(jìn)行熔融共混改性[9]即可制得PP增強(qiáng)復(fù)合材料，且制備的復(fù)合產(chǎn)品綜合了各組分的性能，有效提高了復(fù)合材料的韌性和強(qiáng)度以及相關(guān)的功能，可極大拓展PP纖維的應(yīng)用。

玻璃纖維長度、含量、分布狀態(tài)及界面結(jié)合方式對PP材料增強(qiáng)機(jī)制有所不同。黃蓉等[10]將玻璃纖維與PP長絲通過針織橫機(jī)制成織物預(yù)制件,并通過熱壓成型制得復(fù)合材料；劉雙雙等[11]以玄武巖纖維、玻璃纖維為增強(qiáng)纖維,PP纖維為基體纖維,利用包纏技術(shù)制得復(fù)合線,織造平紋組織預(yù)制件,采用直接熱壓成型工藝制備PP纖維基增強(qiáng)機(jī)織復(fù)合材料,并對復(fù)合材料的成型工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；邵帥[12]以復(fù)合加工方式制成玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料，得出纖維用量與復(fù)合材料的綜合強(qiáng)度有緊密關(guān)系。以往的研究多是通過紗線、針織或復(fù)合等方法制成各類材料，獲得較好的PP纖維增強(qiáng)產(chǎn)品。作者在前述研究基礎(chǔ)上，利用高強(qiáng)度玻璃纖維長絲為增強(qiáng)體，通過熱定型工藝與PP熔噴無紡布復(fù)合，開發(fā)出新型PP復(fù)合面料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器設(shè)備

PP熔噴無紡布：面密度50 g/m2，紹興聚能新材料科技有限公司產(chǎn)；玻璃纖維長絲：直徑8 μm，3 000根/股，杭州泰克斯太爾復(fù)合材料有限公司產(chǎn)。

OP- 450GS粘合機(jī)：臺灣寶宇機(jī)械股份有限公司制；YG003A型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)、YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀、YG(B)026H型電子織物強(qiáng)力機(jī)：溫州大榮紡織儀器有限公司制。

1.2 復(fù)合方法

PP無紡布熔點(diǎn)低，加熱后可發(fā)生軟化及部分熔融，溫度降低后，PP材料凝固，可形成復(fù)合材料。將玻璃纖維長絲以一定密度以整經(jīng)工藝卷繞到織布軸上，然后將織布軸與PP熔噴無紡布以相同速度退繞到OP- 450GS面料粘合機(jī)傳送帶上，調(diào)節(jié)OP- 450GS面料粘合機(jī)的工藝參數(shù)，包括粘合時間、粘合溫度、粘合壓力及璃纖維長絲在織布軸上的卷繞密度，確定最優(yōu)復(fù)合工藝，制備多款PP纖維復(fù)合面料。

1.3 分析與測試

界面結(jié)合力：設(shè)計(jì)微球抽拔實(shí)驗(yàn)測試玻璃纖維與PP纖維面料界面結(jié)合力。實(shí)驗(yàn)制樣時，從PP熔噴無紡布中扯出纖維，在玻璃纖維單纖維上打結(jié)，置于鼓風(fēng)烘箱中加熱至PP纖維熔融，在玻璃纖維表面形成規(guī)整的圓形微球。采用YG003A型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)測試玻璃纖維從微球中抽拔強(qiáng)力，用細(xì)鉗口卡住PP微球，氣動夾加持伸出微球的玻璃纖維一端，拉伸氣動夾，將玻璃纖維從微球中拉出，測試其界面張力。

力學(xué)性能：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.3—2010《紡織品非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，采用YG026H型織物強(qiáng)力機(jī)測試復(fù)合面料拉伸性能，每個試樣測試5次，取平均值；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19976—2005《紡織品頂破強(qiáng)力的測定(鋼球法)》，采用YG(B)026H型電子織物強(qiáng)力機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)大氣中測試各復(fù)合面料頂破性能，每個試樣測試5次，取平均值；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 98009—2011《電子單纖維強(qiáng)力儀》，采用YG003A型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)測試玻璃纖維強(qiáng)度，每個試樣測試50次，取其平均值。

厚度：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，采用YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀測試復(fù)合材料厚度，選擇5個不同位置的測試點(diǎn)進(jìn)行測試，取平均值，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為(20±2)℃，相對濕度(65±5)%。

剝離強(qiáng)度：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 01085—2000《熱熔粘合襯布剝離強(qiáng)力測試方法》，采用YG(B) 026H型電子織物強(qiáng)力機(jī)對面料剝離強(qiáng)力進(jìn)行測試，各試樣測試5次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 粘合溫度

在保證無紡布基本外觀性能基礎(chǔ)上，粘合溫度可選擇略高的溫度，以提升產(chǎn)品粘合性能。對粘合溫度單因素分析時，先固定粘合機(jī)壓力1.5 MPa，粘合速度5 cm/s，玻璃纖維長絲卷繞密度100根/m，粘合溫度從140 ℃開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每一次減5 ℃，直至產(chǎn)品無法粘合為止。實(shí)驗(yàn)時復(fù)合面料上下層為PP熔噴無紡布，中間為玻璃纖維長絲，在不同溫度下，各復(fù)合面料外觀照片如圖1所示。

圖1 不同粘合溫度下復(fù)合面料外觀照片F(xiàn)ig.1 Appearance images of composite fabric at different bonding temperatures

由圖1可知，復(fù)合面料粘合溫度選擇140 ℃與135 ℃時，面料表面發(fā)生熔融，部分脆裂，說明粘合溫度過高，粘合溫度在125，130 ℃時，復(fù)合面料沒有明顯熔融現(xiàn)象，說明在這個溫度范圍內(nèi)，粘合溫度對復(fù)合面料表面影響不大，但在粘合溫度為125 ℃時，復(fù)合面料中間玻璃纖維出現(xiàn)粘結(jié)不好的情況，部分纖維滑出，說明粘合溫度過低，因此最佳粘合溫度為130 ℃。

2.2 粘合速度

粘合速度對復(fù)合面料性能影響較大，粘合速度過大，面料粘合受熱和受壓時間過短，面料粘合效果不好，易出現(xiàn)復(fù)合面料各層分離現(xiàn)象；粘合速度過小，面料粘合時間長，受熱和受壓時間長，特別是受壓時間長，導(dǎo)致復(fù)合面料厚度偏小，影響PP熔噴面料的孔隙率及使用效果。因此選擇合適的粘合速度，保證面料較好復(fù)合效果的前提下，復(fù)合面料厚度越大越好。由表1可知：隨著面料粘合速度增大，面料厚度也越來越大，保證面料較好的復(fù)合效果前提下，復(fù)合面料粘合速度越大越好；在粘合速度大于等于10 cm/s時，復(fù)合面料剝離強(qiáng)力都小于150 N/m，在粘合速度小于10 cm/s時，復(fù)合面料剝離強(qiáng)力都大于175 N/m，且粘合速度對其剝離強(qiáng)力影響規(guī)律不顯著，呈上下波動趨勢，即當(dāng)粘合速度小于10 cm/s時，減小粘合速度不會顯著提升復(fù)合面料的剝離強(qiáng)度。因此在保證面料剝離強(qiáng)力大于175 N/m時，可選擇厚度略大的面料復(fù)合工藝，即當(dāng)粘合速度為8 cm/s或9 cm/s時，復(fù)合面料厚度大于0.33 mm，可認(rèn)為此時為最佳粘合速度。

表1 粘合速度對復(fù)合面料厚度及剝離強(qiáng)力的影響

注：固定粘合機(jī)粘合溫度130 ℃，壓力1.5 MPa，玻璃纖維卷繞密度100根/m。

2.3 粘合機(jī)壓力

OP- 450GS面料粘合機(jī)壓力有3檔，分別是0.5，1.0，1.5 MPa。固定粘合機(jī)粘合溫度130 ℃，玻璃纖維卷繞密度100根/m，粘合速度9 cm/s，在不同壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到各復(fù)合面料的性能。由表2可知，隨著壓力增大，面料厚度越來越小，剝離強(qiáng)力越來越大，當(dāng)壓力為1.0 MPa和1.5 MPa時，面料剝離強(qiáng)力超過150 N/m，可認(rèn)為這兩個檔位的壓力是適合的。

表2 壓力對復(fù)合面料厚度及剝離強(qiáng)力的影響

2.4 工藝優(yōu)選

目前未確定的影響面料復(fù)合效果的因素有粘合速度、粘合機(jī)壓力和玻璃纖維卷繞密度，玻璃纖維卷繞密度初定為200根/m和100根/m，為了獲得最佳工藝參數(shù)，在粘合溫度130 ℃條件下，對3個未確定因素設(shè)計(jì)2水平正交實(shí)驗(yàn)，即L4(32)正交實(shí)驗(yàn)，同時增加不添加玻璃纖維的空白樣作為對比，正交實(shí)驗(yàn)見表3，不同復(fù)合工藝條件下制備的復(fù)合面料的性能見表4。

表3 正交實(shí)驗(yàn)

表4 復(fù)合面料性能

由表4可知，各復(fù)合面料的斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力呈現(xiàn)比較一致的變化趨勢，即從大到小排序?yàn)?#，3#，1#，4#，5#，主要原因是5#復(fù)合面料中沒有添加玻璃纖維，斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力最小，玻璃纖維添加量較少的1#和4#力學(xué)性能居中，2#和3#玻璃纖維添加量最多，力學(xué)性能最好。因此玻璃纖維添加量是影響復(fù)合面料的斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力最主要因素，2#和3#面料斷裂強(qiáng)力超過450 N，基本達(dá)到常規(guī)機(jī)織面料的力學(xué)性能，因此可選擇卷繞密度200根/m作為最佳工藝。由厚度因素看，各面料厚度都大于0.33 mm，5#面料厚度最小，主要原因是沒有添加玻璃纖維，影響了復(fù)合產(chǎn)品總厚度；2#面料厚度僅略小于3#面料，但總體力學(xué)性能較3#面料好，因此可認(rèn)為2#面料的工藝最佳。即最佳復(fù)合工藝為粘合溫度130 ℃、粘合速度9 cm/s、粘合機(jī)壓力1.5 MPa、玻璃纖維卷繞密度200根/m。

2.5 復(fù)合面料界面結(jié)合力

采用YG003A型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)分別測試玻璃纖維長絲和PP纖維強(qiáng)度，得到玻璃纖維長絲平均強(qiáng)度為23 136.5 MPa，PP纖維平均強(qiáng)度為233.7 MPa。對玻璃纖維單絲抽拔強(qiáng)度進(jìn)行測試，得到其平均強(qiáng)度為32.6 MPa。將兩根PP纖維打結(jié)后，測得其平均強(qiáng)度為0.127 MPa，該數(shù)值可認(rèn)為是PP纖維之間的纖維抽拔強(qiáng)度，遠(yuǎn)小于玻璃纖維單絲從PP纖維中抽拔強(qiáng)度32.6 MPa。復(fù)合材料界面結(jié)合力雖然遠(yuǎn)小于玻璃纖維長絲及PP纖維的強(qiáng)度，但大于PP熔噴無紡布中的纖維之間的結(jié)合力[8]，即玻璃纖維長絲對PP復(fù)合面料力學(xué)性能提升較顯著。

3 結(jié)論

a. 復(fù)合面料界面結(jié)合力大于PP熔噴無紡布中的纖維之間的結(jié)合力，玻璃纖維對復(fù)合面料力學(xué)性能提升較顯著。

b. 復(fù)合面料粘合溫度為125～130 ℃時，復(fù)合面料表面沒有明顯的熔融現(xiàn)象，可保持復(fù)合面料穩(wěn)定的物理機(jī)械性能。

c. 隨著粘合速度增大，復(fù)合面料厚度越來越大，粘合速度對其剝離強(qiáng)力影響呈波動趨勢。

d. 隨著粘合壓力增大，面料厚度越來越小，剝離強(qiáng)力越來越大。

[1] Wei Q F, Mather R R, Fotheringham A F, et al. Evaluation of nonwoven polypropylene oil sorbents inmarine oil-spill recovery[J].Mar Pollut Bull, 2003,46(6):780-783.

[2] 李紹寧,張迎東 ,崔莉,等.應(yīng)用兩步接枝法制備新型改性聚丙烯基吸油材料[J].功能材料,2014, 45(18): 18036-18041.

Li Shaoning, Zhang Yingdong, Cui Li, et al. A novel sorbent prepared by two-step grafting of acrylic acid and methyl methacrylate monomer onto a polypropylene matrix[J]. J Func Mater, 2014, 45(18): 18036-18041.

[3] 李智佳，任慶龍，夏英,等.蘆葦/玄武巖纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的研究[J].合成纖維工業(yè),2016,39(6):39-42.

Li Zhijia, Ren Qinglong, Xia Ying,et al.Mechanical properties of reed/basalt fiber-reinforced PP/EVA composite[J].Chin Syn Fiber Ind,2016,39(6):39-42.

[4] Li Mei, Li Gu, Jiang Juan, et al. Ultraviolet resistance and antimicrobial properties of ZnO in the polypropylene materials: A review[J]. J Mater Sci Tech, 2015, 31(4):331-339.

[5] Zang Zhigang,Tang Xiaosheng.Enhanced fluorescence imaging performance of hydrophobic colloidal ZnO nanoparticles by a facile method[J].J Alloys Compounds,2015,619(1):98-101.

[6] Colmenares J C, Kuna E, S Jakubiak,et al.Polypropylene nonwoven filter with nanosized ZnO rods: Promising hybrid photocatalyst for water purification[J]. Appl Catal B-Environ,2015,170(7): 273-282.

[7] Ariffin S N,Lim H N, Jumeri F A,et al. Modification of polypropylene filter with metal oxide and reduced graphene oxide for water treatment[J].Ceram Int,2014,40(5): 6927-6936.

[8] 郭蘊(yùn)琦.竹原纖維/丙綸緯編針織復(fù)合材料的制備及拉伸性能研究[D].上海:東華大學(xué),2011.

Guo Yunqi. Preparation and tensile properties of weft-knitted composites with bamboo and polypropylene fiber[D].Shanghai: Donghua University,2011.

[9] Maniks J, Grigorjeva L, Zabels R, et al. Swift heavy ion induced modifications of luminescence and mechanical properties of polypropylene/ZnO nanocomposites[J]. Nucl Instrum Methphys Res B, 2014,326(5): 154-157.

[10] 黃蓉,龍海如. 玻璃纖維丙綸混并紗緯編針織復(fù)合材料拉伸性能的研究[J].東華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006, 32(2):79-82,88.

Huang Rong,Long Hairu.A Study on the tensile properties of weft-knitted structural composites from glass fiber and PP commingled yarns[J].J Donghua Univ(Natur Sci Edit),2006,32(2):79-82,88.

[11] 劉雙雙,田偉,祝成炎.玄武巖/玻纖/丙綸復(fù)合材料的研制及其結(jié)構(gòu)和性能[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報,2014,31(6):631-635.

Liu Shuangshuang, Tian Wei, Zhu Chengyan.Manufacture of BF/GF/PP composites and the structure and performance[J].J Zhejiang Inst Sci Tech, 2014,31(6):631-635.

[12] 邵帥. 丙綸和玻纖織布增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的研究[D].長春:長春理工大學(xué),2014.

Shao Shuai. Study on polypropylene fiber and glass fiber reinforced polypropylene composite material[D]. Changchun:Changchun University of Science and Technology,2014.

Development of glass fiber reinforced PP melt blown nonwoven composite fabric

Chen Haiying, Zhang Caiqian, Su Zhangyun, Shi Chenyan

(YuanpeiCollegeofShaoxingUniversity,Shaoxin312000)

A glass filament was laminated with polypropylene (PP) melt blown nonwoven to produce a glass fiber reinforced polypropylene (PP) nonwoven composite fabric under different bonding temperature, pressure and speed on an OP-450GS side-open style bonding machine in order to improve the mechanical properties and durability of PP melt blown nonwoven fabric. The results showed that the composited fabric could be produced with the longitudinal breaking strength of 452.48 N, bursting strength of 86.35 N and thickness 0.336 mm under the optimal laminating process conditions of bonding temperature 130 ℃, speed 9 cm/s and pressure 1.5 MPa and winding density 200 glass fiber per meter; and the composite fabric possessed the interface binding force higher than PP melt blown nonwoven, which indicated that the glass filament considerably enhanced the mechanical properties of the composite fabric.

polypropylene fiber; melt blown nonwoven; glass fiber; reinforcement; bonding; composite fabric; breaking strength

2016- 09-17； 修改稿收到日期：2016-12-18。

陳海英(1990—)，女，講師，從事紡織品設(shè)計(jì)及檢測方向教學(xué)及科研工作。E-mail：362524244@qq.com。

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2015R428005)；浙江省科技廳國際合作項(xiàng)目(2015C34014)。

TQ342+.85

A

1001- 0041(2017)01- 0025- 04