二氧化硅氣凝膠/聚丙烯熔噴非織造材料的制備及性能研究

歐璐 韓建 朱斐超 于斌 趙亮亮

的二氧化硅（SiO2）氣凝膠/聚丙烯（PP）熔噴非織造材料，采用掃描電鏡、X射線衍射儀、萬能材料試驗(yàn)機(jī)、透氣量儀及濾料試驗(yàn)系統(tǒng)測試分析該非織造材料的結(jié)構(gòu)形貌、結(jié)晶性能、晶型結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、透氣性、過濾性能等性能，結(jié)果表明：通過SiO2氣凝膠改性的熔噴非織造材料的纖維直徑增大，纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)疏松；其熔噴材料結(jié)晶度提高，但晶型較改性前并未改變；其透氣率增高，SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的過濾效率相比單一PP熔噴非織造材料提高了約50%，但隨著SiO2氣凝膠添加量增加，其拉伸力學(xué)性能有所下降。

關(guān)鍵詞：SiO2氣凝膠；聚丙烯；熔噴；非織造；過濾

中圖分類號：TB332文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-265X（2018）03-0008-05Study on Preparation and Properties of SiO2 Aerogel/PP Meltblown Nonwovens

OU Lu a， HAN Jiana，b， ZHU Feichaoa， YU Bina，b， ZHAO Lianglianga

（Zhejiang SciTech University a.College of Materials and Textiles，

b.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Industrial Textile Materials， Hangzhou 310018， China）Abstract：The SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens with certain mass ratio of 0/100， 1/100， 2/100 and 3/100 were prepared by meltblown nonwoven technology， and the surface morphology， crystallization properties， crystal structure， mechanical properties， air permeability and filtering property of SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens with different SiO2 aerogel content were studied respectively with SEM， XRD， universal material testing machine， air permeability instrument and filter material test bench. The experimental results show that the fiber diameter of SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens increases and the fibernetwork is loose. The crystallinity of SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens increases with the increase of the SiO2 aerogel content， and the crystal form is not changed. The filtering property of SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens increases by 1.5 times of pure PP nonwoven material， and the air permeability also increases. But the tensile mechanical property decreases with the increase of SiO2 aerogel content.

Key words：SiO2 aerogel； PP； meltblown； nonwoven； air filtration

通信作者：韓建，Email：hanjian8@zstu.edu.cn在空氣過濾領(lǐng)域，熔噴非織造材料對空氣中的微細(xì)粉塵和細(xì)菌等微細(xì)顆粒具有優(yōu)良的捕獲能力[1]，是一種優(yōu)異的纖維過濾材料[2]，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)用防菌口罩、室內(nèi)空調(diào)機(jī)過濾、汽水分離過濾、凈化室過濾等方面[3]。聚丙烯（PP）熔噴非織造材料具有纖維超細(xì)、比表面積大、孔隙小、空隙率高等特點(diǎn)，是目前市場中主要的空氣過濾材料，在一般性過濾中能夠發(fā)揮高效、低阻、節(jié)能的優(yōu)勢，達(dá)到良好的濾除粉塵和細(xì)菌等有害顆粒的目的[4]。納米氣凝膠是目前節(jié)能和環(huán)保應(yīng)用領(lǐng)域新材料中的寵兒[5]，其中SiO2氣凝膠又被稱為“藍(lán)煙”，其組成中96%以上都是氣體，是最輕的固體，有著開放式泡沫結(jié)構(gòu)，比表面積高達(dá)800～1 000 m2/g[6]。這些特殊結(jié)構(gòu)使得氣凝膠在聲學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等方面表現(xiàn)出特殊性質(zhì)[7]。

目前，有研究將馬來酸酐/納米SiO2與PP復(fù)合對PP進(jìn)行增強(qiáng)增韌，以達(dá)到提升強(qiáng)度的效果[8]；也有研究將納米SiO2與PP進(jìn)行復(fù)合改性，發(fā)現(xiàn)納米SiO2對PP中β晶型的產(chǎn)生有誘導(dǎo)作用[910]。SiO2氣凝膠除了具有納米SiO2所含的性能外，還具有高比表面積，高孔隙率等特點(diǎn)，同時，關(guān)于采用熔噴紡絲的方法將SiO2氣凝膠與PP復(fù)合的研究還未發(fā)現(xiàn)，因此，本文通過熔噴法制備了SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料，并對其結(jié)構(gòu)形貌、結(jié)晶性能、力學(xué)性能、透氣性及過濾性能進(jìn)行了研究和表征，以期為SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料在今后空氣過濾方面的應(yīng)用提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料

聚丙烯（PP）（湖南盛錦新材料有限公司），熔噴級，牌號PF800，熔融指數(shù)約800 g/10 min；SiO2氣凝膠（成都艾瑞杰科技有限公司），工業(yè)級，平均粒徑約20 nm。

1.2納米SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料

的制備原料經(jīng)干燥后，采用熔融共混法制備質(zhì)量比分別為1/100、2/100、3/100的SiO2氣凝膠/PP復(fù)合母粒，樣品編號分別記為1#、2#、3#，對照組純PP標(biāo)記為0#。將SiO2氣凝膠/PP復(fù)合母粒通過紡粘熔噴一體中型設(shè)備（HDF100SM，煙臺華大塑料機(jī)械有限公司），經(jīng)螺桿擠出機(jī)加熱熔融、剪切輸送，再經(jīng)計(jì)量泵計(jì)量后，從模頭噴絲孔擠出，通過狹縫式噴絲孔兩側(cè)高溫高速的空氣牽伸后，自粘合成網(wǎng)得到SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料。經(jīng)調(diào)試，優(yōu)化后的熔噴加工工藝如表1所示。

將SiO2氣凝膠分散于環(huán)己烷中，并超聲分散15 min，采用英國馬爾文公司的ZetasizerNano S型納米粒度及分子量分析儀對其進(jìn)行粒徑測試，測試溫度為25 ℃。

采用德國TOPAS公司的PSM165孔徑儀對熔噴非織造材料的孔徑進(jìn)行測試，測試采用冒泡法，材料測試時用TOPAS液浸潤。

采用美國鉑金埃爾默公司DSC 8000型差示掃描量熱儀（DSC）對熔噴非織造材料的熱結(jié)晶行為進(jìn)行分析。測試程序?yàn)椋悍Q取約5 mg試樣，N2保護(hù)，以10 ℃/min的速度由25 ℃升溫至200 ℃，記錄一次升溫曲線。結(jié)晶度采用熱焓法進(jìn)行計(jì)算，如式（1）所示[11]。

X/%=ΔHmΔHo×Wf×100（1）

式中：ΔHm為樣品的升溫熔融熱焓，ΔHo為化學(xué)結(jié)構(gòu)相同、100%結(jié)晶的同類聚合物的熔融熱焓值，純PP百分百結(jié)晶時的熔融熱焓值為209 J/g，Wf為PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

采用D8 DISCOVERY型X射線衍射儀（德國布魯克AXS公司）對熔噴非織造材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，掃描速度為3°/min，掃描范圍10°～35°。

采用Instron3369型萬能材料試驗(yàn)機(jī)（英國英斯特朗公司）對熔噴非織造材料的力學(xué)性能進(jìn)行測試，樣品尺寸為200 mm×50 mm，拉伸速率為100 mm/min，每組試樣做5次，取平均值。

采用YG461E111全自動透氣量儀（寧波紡織儀器廠）對熔噴非織造材料的透氣性能進(jìn)行測試。測試壓差100 Pa，測試面積20 cm2，每個試樣測3次，取平均值。

采用SXL1050型濾料試驗(yàn)臺（蘇州蘇信凈化設(shè)備有限公司）測試熔噴非織造材料的過濾性能，氣溶膠粒子0.3 μm，流速32 L/min，樣品有效過濾面積為100 cm2，每個試樣檢測3次，取平均值。

2結(jié)果與討論

2.1熔噴非織造材料的結(jié)構(gòu)和形貌分析

圖1為SiO2氣凝膠粒子的粒徑分布圖，由圖1可知SiO2氣凝膠的粒徑介于150～450 nm，平均粒徑約為320 nm，相比完全分散的SiO2氣凝膠粒子（粒徑約20 nm）存在部分團(tuán)聚。圖2、圖3為不同質(zhì)量比的SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的表面形貌和孔徑分布圖，可見純PP熔噴纖網(wǎng)中的纖維平均直徑約2～5 μm，纖維網(wǎng)較密，纖維網(wǎng)的平均孔徑最小。而添加SiO2氣凝膠的PP熔噴非織造材料的纖維平均直徑較純PP要大，且隨著SiO2氣凝膠添加量的增加，纖維的平均直徑和熔噴纖網(wǎng)的平均孔徑也逐漸變大，纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)變疏松。這是由于添加了SiO2氣凝膠粒子后，PP熔體的流變性能發(fā)生改變，影響了其在氣流牽伸過程中的牽伸，致使熔體牽伸不充分[12]，故而纖維直徑和孔徑變大；但加入SiO2氣凝膠后的非織造材料的纖維表面變得粗糙，部分SiO2氣凝膠粒子暴露于熔噴纖維的表面，而部分SiO2氣凝膠粒子被PP纖維包埋，較高含量的SiO2氣凝膠在PP中易發(fā)生再次團(tuán)聚，從而對PP的熔噴成纖可紡性產(chǎn)生影響。需要指出的是，暴露于熔噴纖維表面的SiO2氣凝膠對整個材料的過濾和吸附方面的性能具有積極作用。

2.2熔噴非織造材料的結(jié)晶性能

圖4、表2為不同質(zhì)量比的SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的DSC升溫曲線和熱性能參數(shù)，可見純PP熔噴材料的升溫曲線中，僅有PP的熔融峰，熔點(diǎn)約為164.5 ℃，而SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的熔融峰向高溫處逐漸偏移，且隨著SiO2氣凝膠添加量的增大而偏移更明顯，熔點(diǎn)升高了約1～2 ℃；熔融熱焓值也相應(yīng)有所提高，SiO2氣凝膠/PP熔噴材料的結(jié)晶度相比單一PP熔噴材料提高了約5%。這可能是由于SiO2氣凝膠粒子尺寸小、比表面積大，在熔噴非織造擠出紡絲加工過程中，SiO2氣凝膠可吸附分散在其周圍的PP大分子鏈而充當(dāng)PP熔體的結(jié)晶成核劑，從而促進(jìn)PP的結(jié)晶生成，提高了結(jié)晶度。

圖5為不同質(zhì)量比的SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的XRD曲線，可見經(jīng)SiO2氣凝膠粒子填充改性后的非織造材料分別在2θ約等于14.0°、168°、18.5°和21.6°的位置出現(xiàn)明顯的衍射峰，與純PP非織造材料衍射峰的位置一致，即添加SiO2氣凝膠后，XRD曲線沒有出現(xiàn)新的衍射峰，PP的晶型結(jié)構(gòu)并未改變；但衍射峰的強(qiáng)度，特別是2θ約為14.0°處，隨著SiO2氣凝膠添加量的增大而略有減小，說明其晶粒尺寸有所減小[12]。由此可得，SiO2氣凝膠的添加僅改變了PP熔噴纖維的晶粒尺寸，而并沒有改變其晶型。

2.3熔噴非織造材料的拉伸力學(xué)性能

圖6為不同質(zhì)量比的SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖6可見，相比單一PP熔噴非織造材料，SiO2氣凝膠/PP（1/100）熔噴非織造材料斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率均有所提高，這是由于相對含量較低的無機(jī)粒子在纖維中易于分散，起到了增強(qiáng)的效果[11]，但當(dāng)SiO2氣凝膠無機(jī)粒子逐漸增加時，由于SiO2氣凝膠的比表面積大、表面能高、易團(tuán)聚，故纖維中的無機(jī)粒子團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致與聚合物的相容性變差，其在纖維拉伸過程中易形成孔洞縫隙和強(qiáng)度弱點(diǎn)，增強(qiáng)效果難以體現(xiàn)，從而會降低非織造材料的拉伸力學(xué)性能。同時，加入相對過量的SiO2氣凝膠粒子后，從噴絲孔噴出來的熔體黏度增大，纖維直徑增大，纖維的結(jié)晶固化速度加快且部分SiO2氣凝膠粒子附著于纖維表面，導(dǎo)致纖維間的粘結(jié)力降低，且粘結(jié)點(diǎn)減少，從而拉伸力學(xué)性能下降。

2.4熔噴非織造材料的透氣性能和過濾效率

圖7為不同質(zhì)量比的SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的透氣率曲線，由圖7可知，加入SiO2氣凝膠的熔噴非織造材料的透氣性能較純PP有所提高，且隨著SiO2氣凝膠的添加量的增加透氣性提高的更加顯著，這主要是由于添加了SiO2氣凝膠后，PP熔體的流動速率減小，熔體黏度增大，經(jīng)噴絲孔噴出的PP纖維難以得到充分牽伸，纖維直徑增大，纖維間粘結(jié)點(diǎn)減少，材料總體蓬松度有所改善，纖網(wǎng)的孔徑增大，故而透氣率增高。

圖8為不同質(zhì)量比的SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的過濾效率及過濾阻力曲線，由圖8可知，SiO2氣凝膠改性后的熔噴非織造材料的過濾效率均提高至1.5倍，但過濾阻力變化不大。這是由于加入SiO2氣凝膠后纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得疏松，空氣中的顆粒在進(jìn)行無規(guī)則的布朗運(yùn)動時被撞擊到的概率增大；且部分暴露于熔噴纖維表面的SiO2氣凝膠比表面積較大，表面能高，孔隙率也比較高，對粒子有很好的吸附能力，因此SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的過濾性能更佳。但同時發(fā)現(xiàn)，由于SiO2氣凝膠添加過量后，纖維網(wǎng)的直徑更粗且孔隙率更大，因而粒子受到的攔截阻力較小，過濾效率反而有下降趨勢。因此，依循高效低阻的原則，當(dāng)SiO2氣凝膠/PP的質(zhì)量比為2/100時，熔噴非織造材料的性能比較好。

3結(jié)論

SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料的直徑較純PP熔噴材料略有增大，且纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得更疏松，孔徑增大；SiO2氣凝膠的添加不改變PP熔噴纖維的晶型，但提高了PP熔噴纖維的結(jié)晶度；SiO2氣凝膠/PP熔噴非織造材料相比純PP熔噴非織造材料的過濾阻力變化不大，但過濾效率均提高了50%，添加過量的SiO2氣凝膠粒子導(dǎo)致熔噴纖維的可紡性下降，且過濾效率提高并不明顯，甚至有降低趨勢，拉伸力學(xué)性能也有所下降。綜上所述，SiO2氣凝膠/PP（2/100）熔噴非織造材料的綜合性能較佳。

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