“剂量与浓度”配比完美

　　对于聚丙烯熔喷非织造布的亲水改性，目前采用的一些方法都存在一些问题，如后整理方法会使聚丙烯熔喷非织造布的耐久性下降，并且随着时间的延长，亲水性物质会从纤维上脱落下来而无法获得持久的亲水性。与其他亲水改性的方法相比，共辐照亲水改性有很多优点：自由基利用率高、工艺简单、单体对高分子材料有辐射保护作用。最为重要的是经过辐照亲水改性后，非织造布可获得持久的亲水性，同时其常规性能基本上不受影响。

　　实验操作得出关键数据
　　原料与仪器

　　原料：18cm×25cm，52g/m2的聚丙烯熔喷布，去离子水、硫酸铜。

　　仪器：北京金盛鑫检测仪器有限公司的JYSP-180接触角测定仪；日本株式会社日立高新科技那珂事业所的TM-1000扫描电镜；上海市精密科学仪器有限公司的FA2004B电子天平；江苏无锡爱邦辐射技术有限公司的GJ-15地那米型电子加速器。

　　试样的制备

　　剪去聚丙烯熔喷布装于塑料袋中，鼓氮气10min除去其中的氧气并密封。取去离子水、丙烯酸（AA）、硫酸铜配置丙烯酸溶液，丙烯酸溶液共分为4个浓度梯度，分别为2%、4%、6%、8%，每份丙烯酸溶液中均加入质量分数为3‰的阻聚剂（硫酸铜），将聚丙烯熔喷布浸入改性液中浸泡，通氮气除去其中的氧气后密封，并移入60Co-γ射线源室。分10、20、30、40、50kGy五个辐照剂量进行辐照。辐照完成后，将材料移出射线源室。

　　采用扫描电子显微镜（SEM）观察聚丙烯熔喷非织造布试样辐照接枝前后的表面形貌，进而对比接枝前后试样表面形貌的变化。参照标准：GB/T16594-2008微米级长度的扫描电镜测量方法通则。

　　一是开机。将仪器插上电源，打开电脑，双击桌面上的JYSP-180应用程序进入主界面，这时可以看到摄像头拍摄的载物台上的图像。二是加入样品。将微量注射器固定在载物台上方，裁取一小块儿样品放置在注射器正下方。放置样品时，要使样品表面产生的图像尽量平整，并在一条水平线上，不产生起伏不平的图像。缓慢旋转注射器上方的旋钮抽取液体，使一滴水滴滴在样品表面上。这时可以从图像中看到进样器下端出现一个小液滴。三是调焦。调整摄像头焦距及摄像头的高度，直至在图像中出现一个清晰的小水滴。四是量角法。点击测量，选择三点法。进入三点法主界面，然后用鼠标左键顺次点击液滴的顶端和液滴的左、右两端与试样的交点，记录所得到的接触角。五是保存图像。点击界面左上角的文件按钮，再点击保存图像按钮将图像保存在文件夹中。

　　断裂强力是在规定的条件下进行的拉伸试验的过程中，试样被拉伸至断裂时所测得的最大强力。由于熔喷非织造布其纤维的无规杂乱排序使其纵横向强力比基本上相同，因此本测试试验不分纵横向测试。

　　数据分析确定最佳工艺

　　通过对辐照接枝前后的聚丙烯熔喷非织造布用扫描电镜进行扫描，得到其表面形态的照片如下：

　　（a)未接枝聚丙烯熔喷布（b）接枝后聚丙烯熔喷布

　　由图2可以看出，接枝前的纤维表面光滑，直径均匀，接枝后的纤维表面粗糙、遍布凹坑、鼓泡和颗粒状突起，且比较均匀地散布在纤维表面；随着接枝率的增大，粒状突起增多。这说明了通过辐照的方式丙烯酸与聚丙烯大分子发生了接枝反应，在丙纶的表面接枝上了由改性单体丙烯酸组成的聚合物颗粒，达到了对聚丙烯的接枝改性。

　　材料表面亲水性一般采用接触角进行表征，接触角越小，材料表面亲水性越强。对试样的接触角测量所得结果如表1所示。

　　对所得数据分别以丙烯酸浓度和辐照剂量为横坐标对接触角进行作图，可以分别得到丙烯酸浓度梯度和辐照剂量梯度对接触角的影响如下图所示。

　　由图3可以看出，对于每一个恒定的辐照剂量，在丙烯酸浓度为2%~8%之间时，随着单体丙烯酸浓度的增加，PP接枝物的接触角逐渐降低，体系中接枝单体的含量相对不足，辐照所产生的PP大分子活性自由基，大部分在断链中消耗，因此当丙烯酸的用量增加时，PP分子链的断链减少，而接入的极性基团数量增加，表现出接触角随之变小。但是接触角减小的幅度并不大，这说明经过接枝改性后，聚丙烯熔喷布的亲水性得到改善，但是改善的效果不是很理想，可能是由于丙烯酸的浓度比较低的缘故。

　　图4接触角随辐照剂量的变化

　　接触角测量中所得到的照片如下图所示：

　　（a）原试样的接触角（b）改性后试样的接触角

　　图5试样接枝前后接触角的对比

　　由图4可以看出，对于每个恒定的丙烯酸浓度，在辐照剂量为10kGy到50kGy之间时，随着辐照时间的增大，加快了PP大分子产生自由基的速率，自由基的浓度增大，引发接枝聚合反应，使得接枝率上升，亲水性得到改善，接触角随着减小，并且变动幅度基本上恒定，虽然接触角的测量表明聚丙烯熔喷非织造布经过辐照接枝后亲水性得到改善，但是改善的幅度不大，可能是与辐照剂量比较小有关。

　　试验结果发现，在辐照剂量不变时，丙烯酸浓度在2%到8%之间变化时，随着丙烯酸浓度的增大，接触角随着减小，保水率和透湿性随着增大；在丙烯酸浓度不变时，辐照剂量在10kGy到50kGy之间时，随着辐照剂量的增大，接触角随着减小，保水率和透湿性随着增大。

　　断裂强力是非织造布力学性能的重要指标，通过断裂强力的测试，可以得到聚丙烯熔喷布在辐照接枝改性前后断裂强力的变化，据此可以对比接枝改性前后力学性能的变化，测试实验所得到的数据如下表所示：

　　对所得数据分别以丙烯酸浓度和辐照剂量为横坐标对断裂强力进行作图，可以分别得到断裂强力随丙烯酸浓度梯度和辐照剂量梯度的变化如下图所示。

　　由表2可知，经过辐照接枝改性，聚丙烯熔喷布的断裂强力并没有改变，各个试样基本上与原样的断裂强力相同，只是值在稍微上下波动，但是波动的区间很小，这是很正常的。而由图6及图7可以看出，在丙烯酸浓度为2%到8%之间、辐照剂量为10kGy到50kGy之间时，断裂强力并不随丙烯酸浓度与辐照剂量特征变化，只是在某一个值附近上下波动。在测试试样中发现，非织造布的断裂并不是被拉断，而是发生层与层之间的滑移，由于熔喷布的断裂强力本身就小，并且所选的试样并没有经过固网工序。可以看出丙烯酸浓度与辐照剂量对试样的断裂强力没有明显的影响。

　　测试试验中所得到试样的拉伸断裂强力图如下图所示：

　　试验结果发现，在丙烯酸浓度为2%到8%之间、辐照剂量在10kGy到50kGy之间时，随着丙烯酸浓度和辐照剂量的增大，厚度和透气性略有增大，但并没有与之呈现出明显的变化趋势；断裂强力基本上没有变化，这也正好符合亲水改性但不影响其他性能的要求。
　　作者：孙进桃（毕业于天津工业大学非织造材料与工程专业；现为广东五邑大学纺织服装学院研究生）
　　□指导老师：夏磊（天津工业大学纺织学部讲师）