吳麗麗，靳向煜

(東華大學 a. 紡織學院；b. 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

近年來，非織造布技術已經明顯向混雜化、復合化方向發(fā)展。雙組分紡黏非織造技術因其為復合工藝，能彌補單一工藝的不足，已成為非織造領域重要的發(fā)展方向之一[1]。

目前，聚丙烯非織造布的雙組分紡黏生產工藝中大量使用聚丙烯切片，研究聚丙烯熔體的流變行可為其加工成型提供參考。文獻[2]表明，流動性較好且熔融指數(shù)較高的聚丙烯，其熔體表觀黏度受溫度的影響較小。而文獻[3-5]表明，聚合物的流動性越好，其黏度越易受溫度影響，反之，流動性差的聚合物，溫度對其黏度的影響較小。這就需要進一步研究并驗證聚丙烯熔體的表觀黏度和溫度之間的關系，可為實際生產提供正確指導。

在紡黏非織造技術中，采用機械牽伸工藝紡絲時，黏度較低的切片在固化成型前的解取向較明顯，得到的纖維取向度較低，且取向度隨黏度的增大而增大。而采用氣流牽伸工藝紡絲時，氣流牽伸力小于機械牽伸力，纖維在成型過程中的解取向程度未知，需要對其進行研究。

本文使用負壓氣流牽伸紡黏工藝，對不同黏度的聚丙烯熔體的流動性能進行研究，并采用不同黏度的聚丙烯切片生產皮芯型紡黏纖維，研究氣流牽伸工藝條件下聚丙烯切片的黏度對纖維力學性能和結構的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗工藝及方法

本文研究采用雙組分負壓氣流牽伸紡絲成網(wǎng)工藝，如圖1所示。該工藝是將兩種高分子聚合物分別由兩個獨立的料斗輸送到兩臺螺桿擠出機進行加熱熔融，兩種熔體通過各自的熔體過濾器、計量泵后進入同一紡絲模頭的熔體分配系統(tǒng)，最終到達紡絲組件。兩種熔體在紡絲組件的出口處復合形成雙組分熔體細流，離開噴絲板后的熔體細流在冷卻空氣中冷凝，同時被拉伸氣流裹夾并以一定速度拉伸變細，形成連續(xù)的雙組分固體長絲，再通過氣流作用進行分絲，最終形成非織造纖維網(wǎng)[6]。

本文主要對皮芯型復合纖維進行研究，使用東華大學參與設計的一套小型雙組分紡黏試驗線。具體工藝參數(shù)：幅寬為300 mm，噴絲板孔數(shù)為1 943，孔徑為0.6 mm，螺桿直徑為35 mm，長徑比為36/1。

采用熔體流動速率儀測試聚丙烯原料的流動性能，在規(guī)定砝碼的負荷重力和時間間隔下，分別測定不同溫度條件下，通過一定直徑小孔的被測物質量。

1.2 原料及設備

試驗所用聚丙烯切片的規(guī)格見表1。

試驗所用設備：DHUS 300型紡黏雙組分無紡試驗機；XD-1型纖維細度儀(東華利浦儀器研究中心)；LLY-06EDC型電子單纖維強力儀(萊州市電子儀器有限公司)；D/max-2550VB+/PC型 18 kW轉靶X射線衍射儀；TM 3000型臺式掃描電子顯微鏡(SEM)；HS-XNR-400A型熔體流動速率測定儀(上海和晟儀器科技有限公司)。

表1 聚丙烯規(guī)格

2 結果與討論

2.1 聚丙烯熔體表觀黏度與反應溫度、切變速率之間的關系

4種不同黏度的聚丙烯熔體的表觀黏度與反應溫度之間的關系如圖2所示。由圖2可知，隨著溫度的不斷升高，熔體的表觀黏度不斷減小，并且黏度較大的聚丙烯熔體的表觀黏度減小的幅度更大，相同溫度下，黏度越小的聚丙烯熔體的表觀黏度越小。由此可見，黏度越小的聚丙烯熔體具有更好的流動性，且流動性受溫度變化的影響較小，有較好的可紡性。因此可通過控制反應溫度來獲得所需表觀黏度的聚丙烯熔體。

不同黏度的聚丙烯熔體表觀黏度與切變速率之間的關系如圖3所示。由圖3可以看出，隨著切變速率的增大，熔體的表觀黏度不斷減小。這表明聚丙烯熔體是一種假塑性流體，表現(xiàn)出明顯的剪切變稀現(xiàn)象[7]。一般來說，一定結構的聚合物，其平均相對分子質量越高，分子鏈較長的分子相對較多，形成的纏結結構也越多，從而黏度越高，加工流動性能越差。

在較低的切變速率下，聚丙烯熔體的表觀黏度隨切變速率的增加而下降較快；而在較高的切變速率下，聚丙烯熔體的表觀黏度幾乎不隨切變速率的改變而變化。這是因為：當切變速率較低時，聚丙烯大分子鏈之間的纏結較多，聚丙烯熔體不易流動，較為黏稠；隨切變速率的升高，分子鏈之間的纏結變少，分子鏈的滑移變快，熔體的表觀黏度下降較快；當切變速率較高時，聚丙烯分子鏈之間的纏結基本打開，切變速率的改變對表觀黏度的影響不大[8]。

2.2 雙組分皮芯型纖維的力學性能和結構分析

從理論上講，具有一定結構的聚合物，其黏度大，平均相對分子質量大，聚合物的斷裂強度、硬度等性能也會有所提高，由其制得的纖維的強度也會相應增大。

在研究由不同黏度的聚丙烯切片生產的皮芯型復合纖維時發(fā)現(xiàn)，兩種熔體黏度相差較大時無法進行正常紡絲，如本文使用的聚丙烯切片A在試驗時無法從螺桿擠出機中熔融擠出得到其他3種切片材料組合的皮芯型復合纖維。同時相對于機械牽伸工藝，在相同條件下，本文所采用的負壓氣流牽伸工藝的牽伸力較小，難以牽伸皮層黏度較大的纖維，無法得到理想的纖維。此外，為控制單一變量以進行合理的分析比較，本文選擇聚丙烯切片D作為皮層，皮層/芯層采用的3種組合分別為D/B、 D/C、 D/D。

2.2.1 力學性能分析

將D/B、 D/C、 D/D這3種組合在相同紡黏工藝下制成雙組分皮芯型紡黏纖維，并對纖維的直徑、強力進行測試與分析，結果如表2所示。

表2 不同芯層黏度的雙組分皮芯型紡黏纖維的力學性能

由表2可知，在保持其他條件基本不變的情況下，黏度越小的聚丙烯切片制成的纖維越細。這是因為黏度越小的聚丙烯流動性越強，在牽伸時更容易拉長變細。隨著纖維直徑的減小，其斷裂強度逐漸減小，斷裂伸長率也相應減小。

研究發(fā)現(xiàn)，相比黏度較小的聚丙烯切片，黏度較大的聚丙烯切片在紡黏生產中需要更高的氣流牽伸速度，可以通過增大側吹風速度或網(wǎng)下吸風速度來提高氣流的牽伸速度，也可通過調整負壓牽伸風道窄縫的長寬比來使生產順利進行。

2.2.2 結晶度和取向度分析

不同黏度的聚丙烯切片在相同的紡黏工藝條件下制得的皮芯型紡黏纖維的結晶度和取向度分別如圖4和5所示。由圖4可以看出，制得的皮芯型紡黏纖維為半結晶物質。圖4(a)～4(c)中均呈現(xiàn)幾個明銳的衍射峰，D/B、 D/C、 D/D 3種復合纖維的非晶峰依次減小，表明晶相在試樣中的比例越來越大，結晶度依次增高，三者的結晶度依次為39.50%、 41.67%、47.77%。衍射峰半高寬的寬度越窄，取向度越高。由圖5可以看出，D/B、 D/C、 D/D 3種復合纖維的衍射峰半高寬寬度依次減小，即這三者的取向度依次增大。

由圖4和5可知，在紡黏工藝其他條件基本不變的情況下，由黏度越小的聚丙烯切片制成的雙組分皮芯型紡黏纖維，結晶度和取向度越大，D/D復合纖維的取向度可達85%，相比機械牽伸工藝下制得的聚丙烯纖維，其解取向程度不顯著。這是因為黏度越小的聚丙烯熔體在生產過程中流動性越好，更容易被拉伸，纖維原有結晶形態(tài)會發(fā)生改變，大分子取向發(fā)生重排，同時，負壓氣流牽伸力比機械牽伸力小，纖維不易發(fā)生解取向，因此結晶度和取向度會隨之增大。

2.2.3 表觀形貌分析

在相同的紡黏工藝條件下，由不同黏度的聚丙烯切片制得的雙組分皮芯型紡黏纖維的SEM圖如圖6所示。由圖6可知，由不同黏度的聚丙烯熔體制成的雙組分皮芯型紡黏纖維大部分不呈皮芯型結構，觀察不到明顯的分層現(xiàn)象。盡管D/B和D/C皮層和芯層聚丙烯熔融指數(shù)不同，但是它們極性相同，均屬于烯烴類，具有部分相容性，因此兩組分聚合物呈亞微觀的相分離狀態(tài)，即材料在外觀上是均勻的，故觀察不到明顯的分層現(xiàn)象。而D/D皮層和芯層纖維的聚丙烯原料完全一樣，相當于純PP纖維，完全相容，因此觀察不到皮芯分層現(xiàn)象。

3 結 語

本文研究了不同黏度聚丙烯熔體的表觀黏度與切變速率、溫度之間的關系，比較了在相同紡黏工藝條件下以不同黏度的聚丙烯熔體制得的皮芯型紡黏纖維的力學性能和結構，得出以下結論：

(1) 隨著溫度的升高，聚丙烯熔體的表觀黏度減小，熔體黏度越大則表觀黏度減小越快。隨著切變速率的增大，熔體的表觀黏度不斷減小。

(2) 相同紡黏工藝條件下，低黏度的聚丙烯熔體制得的皮芯型纖維更細，斷裂強度更小。與機械牽伸工藝相比，聚丙烯復合纖維的解取向程度改變不明顯，并且黏度越低的聚丙烯復合纖維取向度和結晶度越大。

(3) 由不同黏度的聚丙烯熔體制得的雙組分皮芯型紡黏纖維的結構存在差異。皮層和芯層采用不同黏度聚丙烯制得的皮芯型紡黏纖維，僅部分纖維截面會呈現(xiàn)皮芯型結構。