The 21st Shanghai International Nonwovens Exhibition(SINCE)

第二十一届上海国际非织造材料展览会

2025年 | 中国 · 上海世博展览馆

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碳酸钙改性聚丙烯纺粘非织造布研究

引言

目前国内外已经有很多学者对无机粉体进行了研究,比如:无机粉体的超细化技术,无机粉体的表面改性以及无机粉体对塑料、橡胶等高聚物的改性技术等等。在国内外,人们对CaCO3填充改性PP复合材料[1]作了许多细致的工作,取得了很多成果[2~4]。填充改性的一般方法都是建立在增强CaCO3和PP两者结合的基础上,目前主要有表面涂覆、表面接枝、高能辐射、机械化学等方法。影响填充的主要因素:界面影响、PP基体的影响、CaCO3粒质的影响,这些内容在郭涛等人所写碳酸钙填充改性聚丙烯复合材料的文章中已有详述。

然而,将适当比例的无机粉体应用于纤维中,如纺粘非织造布中,从而引起纺丝工艺以及纤维形态结构和纤维性能变化等的研究还未见有报道,以应用于聚丙烯纤维为例:无机粉体在纤维中的分布形态,CaCO3复合改性PP熔融体的流变性能、结晶性能、热性能、纤维体的取向结构等,这些影响可纺性及产品性能的重要因素的研究,以及结合纺粘法非织工艺技术,生产出满足不同需求的纺粘非织造布的研究等。

所以,深入地、全面地在理论上和生产实践中进行碳酸钙等无机粉体复合改性聚丙烯纺粘非织造布的体系研究、工艺技术研究、应用研究和环境协调性研究等,就越发重要,这个项目的研究和开发,将开创非织造布工业与环境协调发展的探索尝试,诠释碳酸钙等无机粉体改性纺粘法非织造布是现阶段具有研究推广价值和应用前景的环境友好材料[5],挖掘出这种材料的综合性能,不仅仅只是降低成本,更应该是一项有利于节能减排、环境保护、可持续发展的重大的项目工程。下面对这一研究的目的、意义、认识和工作做一简述。

1.碳酸钙等无机粉体改性纺粘法非织造布的意义

无机粉体改性纺粘法非织造布具有经济性、功能性和环境协调性等基本特性,是一种典型的环境友好材料,其优势在于:(一)以无机粉体作为添加材料,减少高分子聚合物的使用量,节约石油资源。(二)节约能源,减少二氧化碳的排放。从开采开始,生产合成树脂,所需要的能耗要数百倍于生产无机粉体。(三)促进产品使用后的光降解、填埋后降解,使其易于被环境消纳。(四)无机矿物回归自然对土壤无害,也不会对地下水造成污染,(五)焚烧处理时,改性材料容易燃烧而且充分,对环境危害小,同时不易粘壁。(六)可回收再利用,改性材料重新加工后对使用性能没有影响。(七)另外,我国无机粉体资源丰富,使用无机粉体具有经济性和安全性并可降低生产成本。

世界上许多国家,特别是一些发达国家,对无机粉体在合成高聚物材料中的应用都非常重视。这中间,以无机粉体改性塑料作为环境友好型的塑料材料是最为典型的代表,产业化进程不断加快。例如,美国在2007年应用于塑料中的碳酸钙的消费量就达到169.6万吨。(见《国外碳酸钙生产概况、应用状况及前景预测》全国碳酸钙协作组)二00三年十一月,中国塑料加工工业协会改性塑料专业委员会正式向业内外发出“高举环境友好塑料材料的旗帜,加快无机粉体改性塑料环境友好材料的研究和产业化步伐”的倡议。

1.1无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的经济性

引言

目前国内外已经有很多学者对无机粉体进行了研究,比如:无机粉体的超细化技术,无机粉体的表面改性以及无机粉体对塑料、橡胶等高聚物的改性技术等等。在国内外,人们对CaCO3填充改性PP复合材料[1]作了许多细致的工作,取得了很多成果[2~4]。填充改性的一般方法都是建立在增强CaCO3和PP两者结合的基础上,目前主要有表面涂覆、表面接枝、高能辐射、机械化学等方法。影响填充的主要因素:界面影响、PP基体的影响、CaCO3粒质的影响,这些内容在郭涛等人所写碳酸钙填充改性聚丙烯复合材料的文章中已有详述。

然而,将适当比例的无机粉体应用于纤维中,如纺粘非织造布中,从而引起纺丝工艺以及纤维形态结构和纤维性能变化等的研究还未见有报道,以应用于聚丙烯纤维为例:无机粉体在纤维中的分布形态,CaCO3复合改性PP熔融体的流变性能、结晶性能、热性能、纤维体的取向结构等,这些影响可纺性及产品性能的重要因素的研究,以及结合纺粘法非织工艺技术,生产出满足不同需求的纺粘非织造布的研究等。

所以,深入地、全面地在理论上和生产实践中进行碳酸钙等无机粉体复合改性聚丙烯纺粘非织造布的体系研究、工艺技术研究、应用研究和环境协调性研究等,就越发重要,这个项目的研究和开发,将开创非织造布工业与环境协调发展的探索尝试,诠释碳酸钙等无机粉体改性纺粘法非织造布是现阶段具有研究推广价值和应用前景的环境友好材料[5],挖掘出这种材料的综合性能,不仅仅只是降低成本,更应该是一项有利于节能减排、环境保护、可持续发展的重大的项目工程。下面对这一研究的目的、意义、认识和工作做一简述。

1.碳酸钙等无机粉体改性纺粘法非织造布的意义

无机粉体改性纺粘法非织造布具有经济性、功能性和环境协调性等基本特性,是一种典型的环境友好材料,其优势在于:(一)以无机粉体作为添加材料,减少高分子聚合物的使用量,节约石油资源。(二)节约能源,减少二氧化碳的排放。从开采开始,生产合成树脂,所需要的能耗要数百倍于生产无机粉体。(三)促进产品使用后的光降解、填埋后降解,使其易于被环境消纳。(四)无机矿物回归自然对土壤无害,也不会对地下水造成污染,(五)焚烧处理时,改性材料容易燃烧而且充分,对环境危害小,同时不易粘壁。(六)可回收再利用,改性材料重新加工后对使用性能没有影响。(七)另外,我国无机粉体资源丰富,使用无机粉体具有经济性和安全性并可降低生产成本。

世界上许多国家,特别是一些发达国家,对无机粉体在合成高聚物材料中的应用都非常重视。这中间,以无机粉体改性塑料作为环境友好型的塑料材料是最为典型的代表,产业化进程不断加快。例如,美国在2007年应用于塑料中的碳酸钙的消费量就达到169.6万吨。(见《国外碳酸钙生产概况、应用状况及前景预测》全国碳酸钙协作组)二00三年十一月,中国塑料加工工业协会改性塑料专业委员会正式向业内外发出“高举环境友好塑料材料的旗帜,加快无机粉体改性塑料环境友好材料的研究和产业化步伐”的倡议。

1.1无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的经济性

目前,环境保护和可持续发展已经成为人类面临的最为重要的问题之一。利用储量丰富,价格低廉,处理工艺相对简单的无机矿物粉体应用于合成树脂,用无机矿物粉体代替了一部分合成树脂,可以显著节省石油资源和能源,减少二氧化碳的排放,又具有环保功能,符合科学发展观可持续发展的要求。从无机粉体改性纺粘非织造布的材料分析,由于我国无机粉体资源丰富、价格便宜。部分无机粉体材料替代有机合成材料后可降低成本。

我国聚丙烯纺粘无纺布的年产量已达70万吨以上,其中用来做环保购物袋的聚丙烯,如果按照10-30%的无机粉体的添加量,则每年可以少用7-21万吨的聚丙烯树脂,每年至少节约成本4.2亿元-12.6亿元,这充分体现了无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的环保性与经济性的统一。

1.2无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的功能性

在国内,纺粘非织造布的发展已十分迅速,但是,和世界上发达国家相比,在技术上还有很大差距。从总体上看产品比较单一,高技术含量的产品比较少,档次比较低,产品的开发能力和品种的多样化与国外相比,差距也相当大,有资料表明:我国2008年进口的非织造布的平均单价为4764.9美元/吨,而出口的非织造布的平均单价为2585.9美元/吨,差距非常大。要提高产品的技术含量和附加值,途径很多,其中很重要的一个途径就是进行功能性非织造布的开发。功能性纤维的开发已经成为一种世界潮流。制备功能性纤维的常用方法是在纤维中添加具有某种特殊功能的无机粉体。

以聚丙烯为例,国内外材料专家和纤维工作者针对PP特性和存在的缺陷,进行了大量的丙纶改性研究【6】,其中人们用各种高聚物【7~12】、有机化合物、无机化合物【13,14】等材料与PP共混、以期对PP改性制得具有特殊功能的改性丙纶,如阻燃、可染、抗静电、远红外等。上世纪80年代,李东明、漆宗能等在研究CaCO3增韧PP复合材料的断裂韧性中,用断裂力学分析能量耗散的途径,在国内首次提出了填充增强、增韧的新途径。黄佳木【15】等人也提出纳米SiO2包覆硅灰石,填充改性聚丙烯,可同时达到增强、增韧的目的。由各种辅助添加剂和无机母粒制成的无机粉体,在一定程度上解决了无机粉体与PP共混体系的相容性、流变性、可纺性等关键问题。

1.3碳酸钙等无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的环境友好性

由于纺粘法非织造布生产流程短、效率高、成本低、性能好等优点,可广泛应用于医用材料、卫生用品、装饰材料、包装材料、土工布、过滤材料等各个领域。同时也大量使用于一次性用品即“用即弃”产品。生产和需求发展的同时,不可避免地也会产生大量固体废弃物,带来巨大的环保问题。例如,限塑令的执行,促使购物袋的强劲发展,也同时给社会带来一个使用后(即使是重复使用)的如何回收和处理的问题。甲型HINI流感全世界的蔓延,使一次性口罩的需求激增[16]。这种一次性用品不可以回收,可以填埋或焚烧处理。

1.3.1无机粉体对纤维废弃物,有促进降解的作用

对于填埋处理的纤维废弃物,土壤中的水与二氧化碳对填埋的高分子材料几乎不起作用,但对塑料制品中的无机矿物粉末有迅速的侵蚀作用,生成物有一定的水溶性,脱离塑料制品后留下微孔,可以大大增加塑料制品的触氧面积,有利于制品的老化和崩解。而在塑料被填埋后,碳酸钙、白云石、滑石粉等无机矿物回归自然时不会给生态环境带来危害。同时无机粉体可加速光降解和聚丙烯的消形,废弃材料达到分裂期和脆裂期的时间可缩短,提高了与环境同化的能力和速度。

1.3.2无机粉体对焚烧处理的纤维废弃物,有促进其充分燃烧和保护焚烧炉的作用。

由于填埋需要占用大量土地,还容易造成有害物的二次污染。因此,在许多地区首选的还是焚烧处理不仅可以回收热能,还可用于发电。废塑料能否及时燃烧和燃烧是否充分是垃圾焚烧处理的关键技术之一,当垃圾焚烧时,塑料中无机粉体改性塑料既有利于塑料袋的充分燃烧又可以有效地吸收HCI、H2S等酸性气体,保护焚烧炉和减少包括二恶英[17]在内的各种有毒、有害物质的数量。

碳酸钙的存在会使聚丙烯无纺布容易焚烧,而且充分。将纯的聚丙烯无纺布和含有碳酸钙粉体的聚丙烯无纺布做热失重(TGA)分析,含有无机粉体的PP非织造布购物袋添从开始分解到分解终止所需要的时间比纯PP非织造布购物袋要少。前者燃烧所需要的活化能比后者燃烧分解需要的活化能小,极容易在短时间内充分燃烧。其原因是当纺粘非织造布无纺布遇热时,会迅速膨胀,由于含有碳酸钙,就会形成无数的微空隙,大大增加了燃烧的接触表面积,使其燃烧得更充分,需要的时间更短。

1.4无机粉体碳酸钙改性聚丙烯纺粘非织造布的应用

无机粉体碳酸钙改性聚丙烯纺粘非织造布主要用于生产环保购物袋,当然,还可以有其他方面的应用。环保购物袋取代塑料袋是时代发展的趋势。因为塑料袋回收价值较低,在使用过程中除了散落而造成视觉的“白色污染”外,由于其本身结构稳定,不易被天然微生物降解,在自然环境中长期不分离,从而对环境造成了潜在的危害。而环保购物袋不仅设计精美,牢固耐用,而且对环境危害小,容易降解,真正达到了“减塑”的目的,在不久的将来,环保购物袋终将达到普及的程度。

2.无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的研究重点

聚丙烯纤维对原料聚丙烯树脂的质量,包括分子量和分子量分布、等规度、熔体的流变性能、结晶性能等,特别是对杂质或灰分的含量有着严格的要求。过高的杂质含量,在熔纺过程中极易导致组件内过滤压力升高,引起漏胶,击穿滤网,缩短组件使用周期等不利后果。因此通常要严格控制聚丙烯树脂中杂质的含量,以保证纺丝的正常进行。

这样,如果在聚丙烯树脂中有意识地添加无机微粒,哪怕极少,也都成了熔纺过程中的杂质,都会对熔体的流变性、结晶形态、可纺性等产生影响。那么解决无机粉体在聚丙烯树脂中的分散性和相容性,则是技术的关键所在。

2.2无机粉体添加比例对非织造布产品质量和性能的影响研究

目前各纺粘非织造布生产厂家中,有的怕影响产品质量、影响企业信誉或坚决不加,或少量添加无机粉体。有的则不顾质量大比例添加,已经造成很不良的影响,这种“走极端”的做法不会被人们所接受的。为了提供科学的依据,考虑到生产厂家的习惯方法和应用实例,可以按照下列不同的比例进行研究:基料(包)+母料(包):7+1(12.5%)、5+1(16.7%)、4+1(20%)、3+1(25%)、2+1(33.3%)、1+1(50%)、5+6(54.5%)等。同时在10g/m2、40 g/m2、70 g/m2、120 g/m2等不同克重的纺粘非织造布中,添加适量比例的无机粉体,对它们进行质量性能分析比较,以此理论研究为基础,在符合产品质量要求、符合行业标准、满足用户需要的前提下,对无机粉体的添加比例进行科学地、合理地选择。

2.3 PP/无机粉体共混体的流变性能的研究

PP/无机粉体共混体相对分子质量的大小对其粘性流动影响极大,相对分子质量的增加能够引起表观粘度的急剧增加和熔体指数大幅下降。纺丝成网所用高聚物应具有适中的相对分子质量,使有可能得到粘度适当的熔体[18]。无机粉体的粒径、添加比例对PP的流变性能会产生一定的影响,也会影响到纺丝的稳定性,因而纺丝工艺温度、熔体压力、纺丝速度,牵伸工艺、分丝与铺网、固结等工艺参数也要做出相应的调整,通过分析熔体温度,剪切速率等因素对PP/无机粉体共混体流变性能的影响,以期得到不同添加比例的无机粉体对pp改性的最佳可纺性温度。

2.4无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布抗老化性能的研究

非织造布在使用和贮存过程中,由于受到各种外界因素的影响,会发生性能逐渐恶化的现象,如变质、发硬、发粘、失去光泽等,甚至会使强度降低和破裂,导致失去使用价值,这种现象称为非织造布的老化。

由于非织造布使用环境不同,对耐老化性能的要求也各不相同。耐老化性能的测试就是利用自然环境或人工创造的自然环境对非织造布的性能的变化进行测定或观察,但很多变化难以量化,一般是测试变化前后强度的变化,从而来评判非织造布的耐老化性能的好坏。本实验将采用大气老化试验(自然曝露试验)法[19]。

2.5无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布热学性能和结晶性能的研究

纺丝成网制造纤维应该采用结晶性高聚物最为适当,根据非织造工艺特点,高聚物性能要求可适当比常规化纤生产放宽。取向对纤维提供强度,而结晶则提供纤维以高模量,建立结构中的网络点,提供弹性回复、耐蠕变性、耐溶剂性,以及足够的耐温性。聚丙烯、聚乙烯、聚甲醛等高聚物,只有当它们具有相当有规律的结构和高结晶度(不低于80%~90%)时,加工性能才会变好。但结晶能力过大也有负面作用,结晶度过高就不易熔融,必须提高熔融温度和纺丝熔体温度,这样高聚物易发生热分解,不利于纺丝成网过程的进行。纺丝成网过程中应尽量避免生成结晶度过高或具有稳定结晶变化的初生纤维[18]。通过DSC分析,研究不同比例的无机粉体对聚丙烯结晶性能的影响。

2.6无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布生产工艺技术的研究

对工艺路线的设计,粉体配比的精度控制和熔体均匀混料技术,纺丝工艺温度、熔体压力、纺丝速度,牵伸工艺、分丝与铺网、固结等工艺技术进行研究。

工艺路线:无机粉体选择(品种与用量)—>粉体表面活化处理—>含有无机粉体材料的聚丙烯复合材料的制备—>聚丙烯复合材料与聚丙烯切片均匀共混—>螺杆挤压机—>熔炼过滤机—>计量泵—>喷丝机—>冷却吹风—>气流牵伸—>分丝—>铺网—>热轧成布—>卷取。根据产品性能和用途,对生产工艺进行改进。

3小结:

通过无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的研究,探索出不同添加比例无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的纺丝工艺,获得PP/无机粉体共混体的流变性能和结晶性能以及无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布的抗老化性能的成果,为实际生产提供可靠的理论依据。从其经济性、功能性和环境协调性等综合性能以及焚烧、填埋和回收再生等几大方面的可行性与优越性,可以说明使用无机粉体改性聚丙烯纺粘非织造布具有重大的意义。无机粉体碳酸钙改性纺粘非织造布在包括环保购物袋在内的各方面用途上的应用不仅具有广阔的市场前景,而且对节约世界石油资源,改善人类环境具有划时代的意义。

来源:互联网

 

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