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【全球通】阐述无纺基TPU复合膜的实验生产制备及性能形态结构

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        声明:此文作者为高风仙张笑源赵少鹏吕建胜白雨。(来源:塑料科技2022年第4期)

摘要

        为了制备高性能热塑性聚氨酯(TPU)复合材料,利用熔喷纺丝技术制备TPU无纺布,并将其与TPU薄膜通过热压成型技术制备“类三明治”结构的无纺基TPU复合膜,探究成型温度对无纺基TPU复合膜的微观结构、热 学性能和力学性能的影响。结果表明:在较高温度(160165170 ℃)下,无纺基TPU复合膜的拉伸强度和弹性模量随成型温度的升高呈现先升高后降低的趋势。当无纺基TPU复合膜的成型温度为165 ℃,复合膜的拉伸强度和弹性模量与TPU膜相比分别增加24%43%,应变能密度和断裂伸长率分别增加31%16%165 ℃热压复合时,TPU无纺布与TPU膜相界面结合良好,有利于熔喷纤维网和聚合物基体间的应力传递,提高 TPU 复合膜的拉伸性能。

关键词

熔喷无纺布;热塑性聚氨酯;成型温度

引言


        本实验通过熔喷纺丝技术制备TPU无纺布,将其作为增强材料与 TPU 膜通过真空热压技术复合,制备高性能TPU复合膜。探究成型温度对无纺基TPU复合膜的力学性能、热学性能和微观结构的影响。

1 实验


1.1 主要原料

    热塑性聚氨酯(TPU),粒料,1185A,德国BASF集团。

1.2 仪器与设备
     真空压膜机,
Y-001,郑州工匠机械设备有限公司;真空烘箱,XMTD-8222,上海精宏实验设备有限公司;熔喷实验生产线,FCN-2,淄博临淄方辰有限公司;热重分析仪
(TG)Q50,美国TA仪器公司;X 射线衍射仪(XRD)D8 ADVANCE,德国 Bruker公司;场发射扫描电子显微镜(SEM)MERLIN Compact,德国蔡司股份公司;电子织物强力仪,YG065,莱州市电子仪器有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 熔喷TPU无纺布
    熔喷纺丝前,将
TPU粒料置于95 ℃真空烘箱干燥12 h。熔喷工艺:螺杆挤出机一区~四区的温度依次为:165197
204209 ℃;机头温度198 ℃;热风温度210 ℃;计量泵温度200℃;风压0.3 MPa;网帘速度0.3 m/min;接收距离25cm

1.3.2 热压成型TPU薄膜
    将
TPU粒料置于尺寸为 0.5 mm×5 cm×5 cm 模具中,采用真空压膜机进行热压成型,上、下模板温度均为190 ℃,预热10 min,热压3 min,热压压力1600kg

1.3.3 制备无纺基TPU复合膜
    将
TPU无纺布置于2TPU薄膜之间,通过真空压膜机热压复合制备“类三明治”结构的无纺基TPU复合膜,厚度约为1mm。为了研究成型温度对复合膜结构和性能的影响,分别在155160165170 ℃下进行热压复合,预热时间5min,热压压力1600kg,热压时间3min。为了便于描述,不同成型温度对应的样品分别标记为x-TPUx为成 型温度。相同工艺下制备厚度为1mm的纯TPU膜。

1.4 性能测试与表征

    TG 分析:N2 气氛,称取 6~8 mg 的样品,升温速率10 ℃/min,测试范围20~700℃

    XRD分析:测试电压40kV,电流40mA,扫描范围5°~40°,扫描速度0.02(°)/s

    SEM分析:测试电压5kV,测试温度25,测试湿度40%。测试前对样品表面喷金处理,喷金时间90s,观察无纺基TPU复合膜的表面、横截面和拉伸断裂面的形态结构。力学性能测试:将样品裁成尺寸为1mm×5mm的样条,按GB/T3923.12013进行测试,在20~25℃下,拉伸速度800mm/min,隔距10mm,预加张力100N。对于每组样品,至少测试5次,取平均值。

2   结果与讨论


2.1 无纺基TPU复合膜的拉伸性能
       图
1为纯TPU膜和无纺基TPU复合膜的应力-应变曲线。为了定量分析力学性能的变化,基于应力-应变曲线 计算材料的拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量和应变能密度,表1为相关结果。
       从表
1可以看出,与TPU膜相比,无纺基TPU复合膜的弹性模量增加;在较高温度(160165
170 ℃)下复合时,无纺基TPU 复合膜的拉伸强度和弹性模量均显著提高,并且随成型温度的升高呈现先升高后降低的趋势。因为较低温度复合时,TPU薄膜塑化不良,熔喷TPU无纺布与TPU膜间的界面结合力较弱,导致TPU复合膜的拉伸强度降低和弹性模量升高。高温复合时(160 ℃165℃),TPU无纺布在复合膜内呈现连续的纤维网结构,且熔喷纤维网络与TPU膜界面结合紧密,促进TPU 无纺布和TPU膜间的应力传递,有利于提高TPU复合膜的拉伸强度和弹性模量。当成型温度为170℃,由于温度过高导致TPU无纺布出现皱缩,熔喷纤维网部分熔 融,破坏TPU无纺布的连续网络结构,导致复合膜的拉伸 强度和弹性模量降低。

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      对应力-应变曲线包围的面积进行积分,得到试样断裂时的应变能密度,应变能密度越高说明材料的韧性越好。无纺基TPU复合膜的应变能密度较TPU膜大,具有较好的断裂韧性,由于TPU无纺布的引入,促进熔喷纤维网络和TPU膜之间的应力传递。此外,无纺基TPU复合膜的断裂伸长率也得到提高,说明复合膜的延展性增强。研究表明,通过热压成型技术制备无纺基TPU复合材料时,选择合适的成型温度是调控复合膜综合性能的关键。因此,无纺基TPU复合膜的最佳成型温度为165℃。此时,与TPU膜相比,165-TPU复合膜的拉伸强度和弹性模量分别增加24%43%165-TPU复合膜的应变能密度和断裂伸长率分别增加31%16%

2.2 无纺基TPU复合膜的热稳定性能
       图
2为纯TPU膜和无纺基TPU复合膜的TG曲线和
DTG曲线。


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      从图2a可以看出,纯TPU膜的热分解主要分为2个阶 段:第1个阶段在 250~350 ℃,为TPU硬段中氨基甲酸酯的分解;第2个阶段在 350~450 ℃,由TPU软段分解生成 小分子气体和大分子挥发物所致,此阶段失重明显,约占总质量的70%。为了清楚分析热稳定性能的变化,将TG曲线进行一阶微分得到DTG曲线,分析TPU复合膜热分解速率的变化。从图 2b 可以看出,第1阶段热分解峰较弱,发生在311℃左右,第2阶段材料分解发生在397 ℃左右,此时材料出现最大分解速率。材料的初始分解温度和最大分解速率温度(Tp)没有明显变化,说明熔喷TPU无纺布的引入并未显著影响复合膜的热稳定性。

2.3 无纺基TPU复合膜的结晶性能
      图3为纯TPU膜和无纺基TPU复合膜的XRD谱图。从图3可以看出,纯TPU膜在15°~28°之间出现一个宽衍射峰,因为TPU分子的非晶相区域存在部分有序排列的结 晶相结构。与纯TPU膜相比,无纺基TPU复合膜的衍射峰位置几乎不变,说明结晶类型不变,但是衍射峰强度略微增大,说明TPU复合膜中形成较多的有序结构。170-TPU复合膜的衍射峰强度明显高于纯TPU膜,由于在热压成型制备TPU复合膜时,TPU无纺布的引入起异相成核的作用,促进膜中TPU聚合物分子链的移动、重排、再结晶。此外,随着成型温度的升高,TPU复合膜中有序结构增多,有利于提高TPU复合膜的拉伸强度和弹性模量。


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2.4 熔喷TPU无纺布的形态结构
        图
4为熔喷TPU无纺布在不同放大倍率下的SEM
照片。


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      从图4可以看出,熔喷TPU无纺布具有多孔结构和连续的三维网络结构。熔喷纤维网中TPU纤维的平均直径约为16μm,熔喷无纺布厚度约为0.2mm,克重约为95g/m2。熔喷TPU无纺布表面质量良好,未形成融滴粒子和串珠状结构,且TPU无纺布具有良好的弹性和柔韧性。

2.5 无纺基TPU复合膜的形态结构
      由于成型温度为
165℃时,无纺基TPU复合膜的综合力学性能最佳,对165-TPU复合膜的表面、横截面与拉伸断裂面进行分析。图5165-TPU复合膜的表面、横截面与拉伸断裂面的SEM照片。

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      从图5a可以看出,TPU复合膜表面光滑、致密均匀,没有出现微孔、裂痕、气泡等缺陷。从5b可以看出,熔喷TPU无纺布在复合膜内连续分布,且与上下两层TPU薄膜结合紧密,呈现“三明治”结构,未出现界面分层现象。连续三维网络的引入有利于促进材料应力传递,提高TPU复合膜的拉伸强度和弹性模量。此外,熔喷TPU无纺布具有优异的弹性和柔韧性,有利于提高无纺基TPU复合膜的断裂韧性和延展性。从图5c可以看出,TPU复合膜的拉伸断裂面较粗糙,呈现韧性断裂,在断裂面处清晰看到纤维 呈拉断状态,说明 TPU无纺布与TPU膜具有较强的界面结合强度,有利于提高无纺基TPU复合膜力学性能。

3 结 论


    (1)通过熔喷纺丝技术制备TPU无纺布,熔喷TPU无纺布均匀成网,具有多孔结构和连续的三维网络结构。熔喷纤维网中TPU纤维的平均直径约为16μm,熔喷无纺布厚度约为0.2mm,克重约95g/m2
    (
2)无纺基TPU复合膜的最佳成型温度为165℃。此时,复合膜的拉伸强度和弹性模量与TPU膜相比分别增加
24%43%,应变能密度和断裂伸长率也分别增加31%16%TPU复合膜的综合性能优异。

    (3165℃热压复合时,TPU无纺布与TPU薄膜相界面结合良好;无纺布的引入促进TPU复合膜形成较多的有序结构。

为方便阅读,本文移除了脚注。如有需要,请参阅《塑料科技》2022年 第4期END


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