PP含量及纺丝条件对SEBS_PP共混料性能及可纺性的影响.pdf
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1、研究与开发合成纤维工业,2023,46(4):43CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY 收稿日期:2023-03-02;修改稿收到日期:2023-07-10。作者简介:陈婷(1986),女,工程师,主要从事化工生产管理工作。E-mail:chenting.blsh 。基金项目:国家重点研发项目(2017YFC1104801);四川大学、中国石油化工股份有限公司项目(421098-3)。通信联系人。E-mail:moxj.blsh 。PP 含量及纺丝条件对 SEBS/PP 共混料性能及可纺性的影响陈 婷1,王 栋2,莫笑君1,梁红文1,张爱民2(1.中石化湖南石油化工有限
2、公司,湖南 岳阳 414014;2.四川大学 高分子研究所高分子材料工程国家重点实验室,四川 成都 610065)摘 要:以低相对分子质量苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)和聚丙烯(PP)为原料,制得SEBS/PP 共混料,然后通过熔融纺丝制备非织造布用 SEBS/PP 弹性纤维,研究了 PP 含量及纺丝条件对SEBS/PP 共混料热力学行为、力学性能、流变性能及可纺性的影响。结果表明:SEBS/PP 共混料与 PP 的熔程均在 150170,SEBS 组分没有影响 PP 组分的结晶行为;随着 PP 含量的增大,SEBS/PP 共混料的拉伸强度上升,断裂伸长率下降,经 5 次加载
3、-卸载循环拉伸后残余应变仍小于 50%,具有较好的回弹性能;在温度 170 下,不同 PP 含量 SEBS/PP 共混料的表观黏度相差不大;当纺丝温度为 170,卷绕速度为导丝盘速度的 4 倍,SEBS 与 PP 质量比为 7030 时,纺制的弹性纤维的直径为40 m,拉伸强度为62.20 MPa,断裂伸长率为 320%,具有良好的拉伸性能和回弹性能。关键词:苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物 聚丙烯 熔融纺丝 弹性纤维中图分类号:TQ342+.89 文献标识码:A 文章编号:1001-0041(2023)04-0043-05 现如今,非织造技术因其多样的加工手段、性能可设计性及应用的广泛性
4、已成为制备新材料的优良选择1。熔喷非织造工艺因其加工工艺流程短的特点已成为目前发展最快、最成熟的非织造布技术。其主要过程是将聚合物熔体从喷丝孔中挤出形成细流后,喷丝孔两侧的风道将高压空气加热,并对熔体细流高速拉伸,再将短纤维收集到接收装置上,热黏合后形成非织造布。传统的非织造布多以聚丙烯(PP)等为原料,其弹性较差,断裂伸长率低且回复率差。与之相比,弹性非织造布则可以很好地解决这一问题,并在生物组织工程2、过滤材料3和形状记忆材料4等方面得到了广泛的应用。目前制备弹性非织造布的主要弹性体有聚氨酯5、聚烯烃嵌段共聚物6和 ABA 型三元嵌段共聚物7等,其中以苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(
5、SEBS)为基础的 ABA 型三元共聚物因其耐老化性能强、无毒无味,符合食品医疗卫生标准的优势发展成为弹性非织造布的重要原料。但SEBS 具有较高的熔体黏度,挤出过程中熔体易发生破裂,难以通过熔融纺丝的方式制备成纤维。为了解决这一问题,本研究团队前期通过定向合成具有低相对分子质量、高熔体流动指数的特种SEBS,并与不同种类 PP 共混的方法证明了SEBS/PP 共混料具有制成弹性纤维的潜力8。作者基于前期工作基础,选用与 SEBS 相容性好的 PP(牌号 Y35)制备共混料,研究了 PP 掺杂比例对于共混料热力学行为、力学性能及流变性能的影响,建立了共混料中 PP 含量与熔融热焓的关系,并通过
6、共混料的黏流活化能(E)研究了 PP 含量对共混料黏度的温度敏感性的影响;最后,综合拉伸强度、回弹性能及熔体黏度等因素选择了合适的 SEBS/PP 配比,通过调整熔融纺丝工艺,成功制得直径不同、性能不同的高回弹性的弹性纤维。1 实验1.1 原材料SEBS:牌号 YH-505,熔融指数为每 10 min 15 g,中石化湖南石油化工有限公司产;PP:牌号Y35,熔融指数为每 10 min 13.25 g,中国石油化工股份有限公司洛阳分公司产。1.2 设备及仪器SHJ-20 同 向 双 螺 杆 挤 出 机:螺 杆 直 径20 mm,长径比 321,南京杰恩特机电有限公司制;HPD-63(D)半自动
7、压力成型机:上海西玛伟力橡塑机械有限公司制;熔融法试验纺丝机:北京湃谷精密机械有限公司制;Instron 5567 万能材料试验机:美国 Instron 公司制;BSA124S 型万分之一电子天平:德国 Bsisl 公司制;2002 型毛细管流变仪:德国 Gttfert 公司制;DSC 204 F1 型差式扫描量热仪:德国耐驰公司制;Apreo S HiVoc 扫描电子显微镜(SEM):美国 FEI 公司制。1.3 试样的制备将 SEBS 与 PP 分别按照质量比 7525、7030、6535 混匀后,在双螺杆挤出机上熔融挤出并造粒,然后在 80 下处理 24 h 烘干水分,制得的共混料试样分
8、别标记为 1#、2#及 3#。在熔融法试验纺丝机上,将 2#试样在 170 下熔融挤出并通过 18 孔、0.4 mm 的喷丝板,然后通过导丝盘,并在热辊上进行热拉牵引,最终于卷绕器上收集到弹性纤维。卷绕速度为导丝盘速度的 2、3 及 4 倍下制得的弹性纤维试样分别标记为F1、F2 及 F3。1.4 分析与测试流变性能:采用毛细管流变仪测试,毛细管口膜直径 1 mm、长径比 20/1,测试温度为 160、170,剪切速率()为 101104 s-1。热学性能:采用差式扫描量热(DSC)仪获得共混料试样的 DSC 升温曲线,然后利用式(1)计算试样中 PP 含量(P)。测试条件为测试温度25200
9、,升温速率 10 /min,氮气流速 40 mL/min。P=HH0100%(1)式中:H0为 PP 熔融过程的热焓变,H 为共混料试样的热焓变。力学性能:将共混料试样在压力成型机于180、15 MPa 的条件下压制 10 min 制成 2 mm厚的片材,再制得哑铃型标准 SEBS/PP 共混料样条,然后采用万能材料试验机参照 GB/T 5282009 进行测试,拉伸速率 500 mm/min,标距 40 mm,结果取 5 根样条的平均值。按照 GB/T 3923.12013纺织品织物拉伸性能第一部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)测试纤维试样的力学性能,拉伸速率为 100 mm/min
10、。表观形貌:纤维试样经喷金处理后,采用 SEM进行观察并测量纤维的平均直径。2 结果与讨论2.1 PP 含量对共混料热力学行为的影响在 SEBS/PP 共混料的两个组分中,SEBS 为无定形态,在升温降温的过程中不会发生结晶与熔融的行为;而与之共混的 PP 则等规度极高,具有很好的结晶性能。因此,通过观测共混料在升温过程中的热力学行为,可以很好地印证 SEBS与 PP 的共混效果。从图 1 可以看出:纯 PP 的熔程为 150170,峰值在 165;3 个 SEBS/PP共混料试样与纯 PP 一样表现出相同的熔程与熔点,但熔融峰大小不同,说明与 SEBS 共混后,PP的结晶行为没有受到影响。图
11、 1 PP 及 SEBS/PP 共混料的 DSC 曲线Fig.1 DSC curves of PP and SEBS/PP blends1PP;23#试样;32#试样;41#试样 另外,通过图 1 曲线积分计算得到H0为77.51 J/g,1#、2#及 3#试样的H 分别为 19.51 J/g、22.99 J/g 与 27.98 J/g;因共混料试样中仅有 PP 组分存在结晶熔融行为,而 SEBS 组分不存在结晶熔融行为,由式(1)计算得到 1#、2#、3#试样的 P 分别为 25.17%、29.66%和 36.10%,与共混料制备的配方一致,说明 3 个共混料试样按照设计添加量制备,同样也说
12、明共混料体系中的SEBS 组分不会影响 PP 组分的结晶效果,这也是该种共混料能为制备的纤维提供强度及硬度的原因。2.2 PP 含量对共混料力学性能的影响从图 2 可以看出:与 SEBS/PP 共混料相比,SEBS 具有较大的断裂伸长率,但拉伸强度低于共混料;随着 PP 含量的增大,SEBS/PP 共混料呈现出拉伸强度逐渐上升、断裂伸长率逐渐下降的趋势,但即使是 PP 含量最大的 3#试样,其断裂伸长率也在 200%以上,这证明 PP 确实会因为结晶而增加材料的强度,而与之对应的则是会牺牲部分44 合 成 纤 维 工 业 2023 年第 46 卷材料的断裂伸长率,且 PP 含量越大,效果越明显
13、,呈现较好的相关性。图 2 SEBS 及 SEBS/PP 共混料的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of SEBS and SEBS/PP blends1SEBS;21#试样;32#试样;43#试样 SEBS 及 SEBS/PP 共混料(以 2#试样为例)的多次加载-卸载循环拉伸曲线见图 3。图 3 SEBS 及 2#试样的多次加载-卸载循环拉伸曲线Fig.3 Tensile curves of SEBS and sample 2#with multiple continuous loading-unloading cycles1循环拉伸 1 次;2循环拉伸
14、2 次;3循环拉伸 3 次;4循环拉伸 4 次;5循环拉伸 5 次 从图 3 可以看出:与 SEBS 相似,第 1 次加载-卸载循环后,共混料试样的强度下降明显,且 PP组分含量越大,恢复过程越慢,而后续多次循环过程中该种现象明显减弱,这是因为第 1 次加载过程中,PP 组分的塑性形变无法随着卸载过程而恢复;共混料试样经 5 次循环拉伸后,残余应变仍小于 50%,具有较好的回弹性能,即较少量的 PP 共混对回弹性能的影响是可以接受的,依然符合制备弹性纤维的要求9。2.3 PP 含量及温度对共混料流变性能的影响本团队前期研究表明,选用低相对分子质量SEBS 与纺丝级 PP 共混,可以达到降低熔体
15、黏度的效果,并具有较好的可纺性,但由于熔体强度低,纺丝过程中易出现熔滴现象8。因此为了增加熔体强度,降低了体系中 PP 含量,并测试了SEBS/PP 共混料在 PP 熔点附近,即 160 与170 时表观黏度(a)随 的变化,结果如图 4所示。图 4 SEBS 及 SEBS/PP 共混料在不同温度下的 a-曲线Fig.4 a-curves of SEBS and SEBS/PP blends atdifferent temperaturesSEBS;3#试样;2#试样;1#试样 从图 4 可以看出:在 160、170 下,SEBS54第 4 期 陈 婷等.PP 含量及纺丝条件对 SEBS/PP
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