熔喷无纺布性能

减粘裂化新工艺改善熔喷无纺布性能减粘裂化新工艺改善熔喷无纺布性能作者：M.Roth,J.Leukel,D.M焞ler,J.R.Pauquet汽巴精细化工公司H.G.Geus莱芬豪舍公司熔喷无纺布的质量和性能取决于聚丙烯原料（熔融指数）的正确选择和加工条件的优化。目前，熔喷厂家主要采用的是高融指的聚丙烯原料，但缺乏必要的灵活性以适应不同的市场需求，同时还存在着高成本的压力。在这种情况下，使用低融指的纺粘级聚丙烯原料（MFI=20～50），再配合使用“断链技术”的塑料添加剂，可以生产出高品质的熔喷无纺布，为熔喷厂家提供了更灵活的操作空间。通过加入IRGATECCR76添加剂，在熔喷纺丝过程中使得树脂发生可控性的降解，得到相对分子量分布较窄的无纺布产品，从而提高产品的物理性能和有效降低生产以及仓储成本。汽巴精细化工公司精心研制成功的新型添加剂Ciba?IRGATECCR76（注：由于公司内部编号为EB43-76，故图片数据以该编号标注）不含任何过氧化物，是新一代的自由基生成剂，它完全避免了目前工艺中使用过氧化物的缺点，即使在传统加工温度的条件下，聚合物也能够产生有效的降解，并最终将聚合物相对分子量分布控制在比较窄的范围内。与现有技术生产的产品相比，采用新型添加剂加工的熔喷产品及其纺熔复合产品（例如SMS）在静水压高度和机械性能上有很大改善。对产品进行的测试表明，采用新型添加剂得到的纺熔产品具有独特性能，极大增加了无纺布纤维原料选择的多样性，特别是纺粘和纺熔复合非织造布废料都可以经过转换变成熔喷级原料使用，本文中所有实验均在德国莱芬豪舍熔喷和SMS生采用新型添加剂得到的纺熔产品具有独特性能，极大增加了无纺布纤维原料选择的多样性（图片由汽巴精化公司提供）产线上完成。图1:两种不同PP熔喷产品的静水压高度测试结果对比图2:两种不同PP熔喷产品的透气性能测试结果对比高品质无纺布产品主要取决于加工设备和采用原料的一致连续性，两项技术的良好结合是获得优质产品的保证，本文以下部分对新型添加剂的应用及与商业级熔喷产品对比情况进行了详细介绍。、图3:两种不同PP熔喷产品的拉伸强力和断裂伸长率测试结果对比图4:两种不同PP熔喷产品的长效热稳定性如何改善熔喷产品质量最早期的熔喷工艺是由VanVente先生在1946年发明的，产品主要应用领域有：过滤，对纤网均匀度要求较高；隔离，对纤网的连续一致性要求较高，网面不能有破洞或没有牵伸好的团块出现；保暖，对纤网的蓬松性要求高。网面有破洞或出现没有牵伸的团块将降低纤网的整体质量，熔喷产品中通常所说的“shot”就是指没有经过牵伸的小块薄膜，在出现“shot”的区域水渗透速度要比其它区域快的多，这种疵点可以通过测量静水压高度进行检查。因此，如何进一步提高纺熔产品的静水压高度是产品设计开发的一个追求目标，一方面可通过对生产过程控制的改进，如对设备参数以及生产步骤的优化，避免纤网中纤维出现团块；另一方面从改变切片质量入手，为此，汽巴精细化工公司对无纺布使用的PP树脂以及PP终端产品方面做了很多研究工作，并取得了初步成效。测试结果图5:两种不同SMS产品的静水压高度测试结果图6:两个商业级规格熔喷布MB3和MB4的MWD测试结果（高温GPC）新型树脂改进剂——Ciba?IRGATECCR76一般PP熔喷非织造布采用的原料是高熔融指数(MFI400g/10min.)和相对分子量分布较窄的树脂，可以生产出纤网匀度好、纤维细和轻质的产品，这是获得具有良好阻隔性能产品，如静水压或透气性的最基本要求。目前市场上的熔喷级PP切片是通过添加烷基化的过氧化物，在挤出加工时，在超过PP熔点的温度下，过氧化物经热分解而产生可导致减粘裂化作用的自由基，把高相对分子质量的PP降解变成低相对分子质量的树脂，从而生产出设定目标的产品。此类过氧化物对工作环境污染严重，对工人的身体造成伤害；技术上来讲，过氧化物的断链效图7:纺粘级PP树脂(MFI25)与添加1.5%CR76熔喷非织造布MWD测试结果（高温GPC）果不易控制，波动严重，降解后的树脂分子量变化不均匀，最终导致无纺布产品质量的不均匀性。同时，由于过氧化物本身的不稳定性，导致经过氧化物改性后的聚丙烯原料仓储期有限制，一般在半年左右，随着时间的延长，原料的熔融指数会发生一定程度的变化。汽巴精化研制的一种新型添加剂Ciba?IRGATECCR76，是新一代的自由基生成剂，完全克服了目前过氧化物工艺的缺点，环保、高效，对熔融指数的可控性，通过优化工艺，可以用最佳的添加量较准确地提高纺粘聚丙烯原料的熔融指数，以生产出更佳品质的熔喷无纺布。实验数据表明，无纺布的静水压和机械强度、纤维柔软度都得到了很大的改善。1.良好的阻隔性能添加IRGATECCR76之后，用纺粘级PP就可以生产熔喷图8:两种不同PP熔喷产品的电镜照片对比（面密度25g/m2,阻隔性能分别见前页的图1和图2）非织造布，其产品在阻隔性能上有很明显的改进。图1和图2是商业级熔喷PP树脂为原料和标准纺粘级(MFI25)树脂添加三种不同比例EB43-76生产的熔喷非织造布的比较。从图中可以看出，用2.1%的添加剂能够把静水压从450mm增加到超过800mm；用较低的添加量如0.9%生产非织造布的静水压与目前工艺产品相似，而透气性则显示出反向效果，在实验中值得注意的是，当EB43-76用量为0.9%时，与正常生产的熔喷非织造布相比，采用添加剂的熔喷产品在透气性和静水压两项指标上都有增加。2.增强的机械性能用MFI为25的PP树脂添加IRGATECCR76生产出来的熔喷非织造布，其杰出的阻隔性能表明纤网不但具有增强的机械性能，且纤维分布更加均匀。图3是不同熔喷产品的拉伸性能测试结果，与采用MFI1800的PP树脂生产出来的熔喷非织造布相比，添加0.9%的CR76可以把25g/m2的熔喷产品强度提高一倍，断裂伸长率提高了400%；添加了1.5%的CR76可将断裂伸长率提高一倍，拉伸强度提高到400%，显然，将CR76用于一般PP树脂来改善非织造布机械性能的灵活性是成品设计中提高品质的关键。3.改善的热稳定性能熔喷非织造布的长效热稳定性是非常重要的，尤其是在工程应用上（如过滤材料）。如图4所示，对添加CR76树脂生产的熔喷非织造布和商业级熔喷产品，在温度为90℃烘箱中测试老化性能，结果表明改进后的熔喷布耐老化稳定性明显改善，该试验结果也显示出与拉伸强度及断裂伸长率测试结果相一致的趋势。SMS复合非织造布的优异特性在大部分的SMS复合非织造布中，熔喷层比纺粘层薄。由于熔喷层由超细纤维组成，因此在纺粘层能提供足够应用强度的基础上，改善中间熔喷层的静水压就足以改变复合非织造布的阻隔性能。图5用17g/m2的卫材（7/3/7g/m2）来探讨阻隔性能，熔喷层是以纺粘树脂添加1.5%的CR76生产，虽然熔喷层的面密度只有3g/m2，当使用CR76为树脂改性剂时，SMS的阻隔能力可增加20%以上。图9:两种不同纺粘非织造布的机械性能对比熔喷树脂的分子特性——凝胶色谱分析法(GPC)在纤维加工中，重均相对分子质量(Mw)和分子量分布MWD(Mw/Mn)是对PP树脂加工影响最大的分子特性，而树脂的质量是生产高品质非织造布决定性因素。MWD宽的树脂，同时存在相对分子质量较高和较低的链段，在加工时可以形成凝胶并容易在布面上产生硬块或破洞等瑕疵，为了改善加工性能，要求树脂原料有稳定的熔融粘度(MFI)和窄的MWD，添加剂CR76的最大优点在于其可控反应能力，生成具有窄分子量分布的PP树脂，比熔喷级PP树脂均匀度高的多，在理论上与茂聚丙烯（m-PP）的MWD相等。图6是两个商业级规格熔喷布MB3和MB4的GPC分子量分布，比较有特色的是出现了双峰的MWD以及大量分子质量图10:两种不同纺粘非织造布的机械性能与轧辊温度之间的关系较高和较低的链段，甚至还有低聚物出现，这种低聚物片断的形成是纺丝过程中纤维出现断裂、布面出现团块疵点、产品机械和阻隔性能下降的主要原因。图7是纺粘级PP树脂(MFI25)与添加CR76熔喷布的GPC比较，图中表明加入CR76后，在降解树脂时并没有形成大量的低分子链段，这种单峰窄的MWD的形成证明CR76具有高可控性的减粘裂化能力，同时不会有任何其他副反应发生。电镜分析微观性能从上述分析结果得知，添加CR76后，熔喷非织造布在宏观性能上有显著改善，包括阻隔性能、机械强度和热稳定性，为了探寻在微观性能上产生的变化，我们专门拍摄了电镜图（SEM），图8是商业级（MFI1800）和纺粘级树脂(MFI25)添加1.5%CR76生产的熔喷非织造布电镜图（静水压数据见图1）。从图中可看到，商业级熔喷非织造布中有僵硬纤维出现（在高分辨率下可看到纤维断裂，图中画圈的地方），还有一些薄膜状区域，而纺粘级树脂在加入CR76后纤维变得更加细小和柔软，薄膜状区域也很少出现。与现有熔喷技术相比，添加CR76后，纤维的长度增加了，表明改进后的纺粘级PP熔喷非织造布具有更好的微观性能。图11:三种不同非织造布的静水压测试结果性能得到改进的纺粘非织造布纺粘级PP树脂MFI在25～35范围内，是广泛用于生产纺粘非织造布的标准材料，由于较高的商业级MFI很难得到，因而CR76的研制成功为改善纺粘非织造布性能提供了良好机遇（如柔软的手感）。图9是两种纺粘非织造布的机械性能差异对比，一种是商业级的纺粘非织造布（聚合物1），另一种是MFI改进型纺粘非织造布（添加0.5%CR76，MFI为60，轧辊温度为145℃）。从图中可以看出，MFI改进型纺粘非织造布在拉伸强力和断裂伸长率都高于对比产品，主要原因是在给定温度下，产品在轧点处产生了更好的粘结。图10是在不同轧辊温度下两种纺粘非织造布的机械性能，对比的第一种产品是商业级的纺粘非织造布（聚合物2），第二种是MFI改进型纺粘非织造布（0.5%CR76,MFI=45)，在各种轧辊温度下，后者都比前者表现出了更好的拉伸强度和断裂伸长率，此外，产生粘合温度范围的拓宽为改善纺粘产品的加工性能提供了更大的优势。回收料的再利用性和环保优势从前面的大量实验可以得到结论：采用CR76改进纺粘级PP生产的熔喷非织造布在宏观和微观性能上都有很大改善。更进一步的研究包括使用回收级的PP原料，因为在大部分情况下，纺丝时产生的PP纤维废料是不能或只有少量可用于二次纤维加工的。图11是以三种不同PP级树脂为原料的熔喷非织造布静水压测试结果，三种材料分别是两种添加CR76的纺粘非织造布（新料和回收料），第三种是商业级熔喷树脂制造的非织造布，图中数据显示，前二者具有极好的阻隔性能，表明可选用低MFI的回收料生产高端的熔喷树脂，对于回料的价值再创性和环境保护是非常有益的。使用安全性我们为了进一步探讨IRGATECCR76在卫材领域使用的安全性，就PP熔喷非织造布对皮肤过敏性及毒性进行了测试，结果表明含2.25%CR76的非织造布经过B焗ler试验后证实，该添加剂没有任何导致皮肤过敏/发炎的可能，含2.1%CR76的熔喷非织造布经过MEMElutionL929毒性测试后也证实了不会产生毒性（结果为0，属最好结果）此外，IRGATECCR76产品外观呈粒状，在欧盟指令(1999/45/EC)未将其归于有毒一类，不需要特殊的防护和储存。结论IRGATECCR76是一种用于生产PP非织造布的独特改性剂，能够有效改善熔喷、纺粘非织造布及SMS复合非织造布的性能，可为生产商带来的主要优点如下：增强熔喷及SMS复合非织造布的阻隔性能；改进熔喷非织造布的机械性能；有更宽的粘合温度范围，可改善纺粘非织造布的机械性能；由于原料选择的多样性，可极大降低生产成本；产品形态便于使用，安全性好（无过氧化物、无毒性、对皮肤无刺激）。常规PP树脂在纺丝加工时的可控性降解使非织造布生产商能以更低成本改善目前产品品质，此外，IRGATECCR76还具有创造新一代非织造布的可能性。另一方面，产品在操作、使用和贮存方面同样具有很好的安全性，因而也成为广泛应用的基本条件，从工程应用材料到卫生用品等。采用新添加