口罩用熔喷布老化性能实验与分析
2022-01-13 12:26
自从新型冠状病毒感染的肺炎疫情出现之后，口罩因为可以有效防止病毒入侵，成为人们外出的必备品，但是使用过的口罩如果不能正确处置，就会造成二次污染。随意丢弃在自然环境中的口罩需要几百年才能被降解，这将会对人类生存环境带来长期的影响和危害。为解决废旧口罩带来的隐患，需要对口罩核心材料中的聚丙烯非织造材料老化性能进行研究。嘉兴学院以口罩用聚丙烯纺粘非织造布为原材料，设计了自然老化环境、老化箱老化环境、酸溶液和碱溶液环境四种不同老化试验条件，运用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热(DSC)仪、傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪等现代化分析手段，研究了不同老化条件下的口罩用聚丙烯纺粘非织造布的性能变化，探讨了口罩用聚丙烯纺粘非织造布的老化机理，为废弃口罩材料的处理提供一定的思路。
将口罩用聚丙烯非织造布样品150个分成5组，每组30个，其中1#样品为样品对照组，2#，3#，4#，5#样品为试验组。2#样品在自然环境条件下进行暴露老化试验，3#样品在温度为60℃、相对湿度为70%条件下的老化试验箱中进行老化试验，4#样品浸渍在pH=8.0碱性溶液中进行老化试验，其碱性溶液由去离子水和NaHCO3配制而成，5#样品浸渍在pH=5.0酸性溶液中进行老化试验，其酸性溶液由去离子水和冰乙酸配制而成。在试验过程中，取不同老化环境下的口罩用聚丙烯纺粘非织造布进行外观形貌和FTIR分析并进行力学性能及热力学测试。
二、口罩用聚丙烯纺粘非织造布老化前后的外观形貌的SEM分析
口罩用聚丙烯纺粘非织造布老化前后的外观形貌的SEM照片如图1所示。从图1可以看出，未老化处理的1#对照样品的聚丙烯纺粘非织造布的纤维表面清晰光滑，纤维表面上看不到破损、凹陷等现象，纤维之间随机交错，非织造布纤网成型良好。而2#样品、3#样品、4#样品和5#样品的聚丙烯纺粘非织造布纤维都出现了不同程度的破损，表面产生了不同程度的凹陷老化现象。表明聚丙烯纺粘非织造布在自然条件、老化箱、酸性溶液和碱性溶液环境下的老化程度不同，表现为纤维的破损程度也不同。2#样品纤维表面上的破损点和老化斑点较少。3#样品中的纤维表面出现的破损点和斑点较为密集，说明老化箱环境条件下的聚丙烯纺粘非织造布比在自然环境条件下的聚丙烯纺粘非织造布老化速度快，在较短的时间内老化程度高。而处于碱性溶液、酸性溶液环境下的4#样品和5#样品中的聚丙烯纺粘非织造布中的纤维老化程度最为严重，其聚丙烯纺粘非织造布中都可以看到纤维表面裂痕，且有较大的老化斑块产生，这说明聚丙烯纺粘非织造布在酸性溶液和碱性溶液环境下会加速老化。三、口罩用聚丙烯纺粘非织造布力学性能分析
口罩用聚丙烯纺粘非织造布老化前后的力学性能如图2所示。由图2可知，1#对照样品的断裂强力为46.4 N，断裂伸长率为58.7%，说明未经过老化处理的纺粘非织造布具有良好的力学性能。而2#样品、3#样品、4#样品和5#样品经过老化处理后，其断裂强力和断裂伸长率都出现了明显的变化。2#样品的断裂强力为43.0 N，断裂伸长率为61.5%。与1#样品相比，其断裂强力下降了7.3%，断裂伸长率增加了4.8%，说明在自然老化环境下，聚丙烯纺粘非织造布的力学性能变差。这是由于聚丙烯纺粘非织造布的自然老化主要是由大气中的氧和阳光中的紫外线共同作用引起的，自然老化降低了聚丙烯纺粘非织造布中单纤维强力，但并没有改变材料的整体结构，因此聚丙烯纺粘非织造布的力学性能下降，但下降程度较小。3#样品的断裂强力为42.1 N，断裂伸长率为59.3%，与1#样品对比，其断裂强力下降了9.3%，断裂伸长率增加了1.0%，其老化结果与2#样品相似。聚丙烯纺粘非织造布在碱性溶液和酸性溶液老化处理后，其力学性能出现了不同程度的变化。4#样品在碱性溶液老化处理后，其断裂强力为39.2 N，断裂伸长率为53.7%，断裂强力下降了15.5%，断裂伸长率下降了8.5%；5#样品在酸性溶液老化处理后，其断裂强力为38.3 N，断裂伸长率为41.8%，断裂强力下降了17.5%，断裂伸长率下降了28.8%。这是因为聚丙烯纺粘非织造布纤维较细，当浸入到酸性或碱性溶液中时，周围水分子对聚丙烯纤维有一定的渗透能力，尤其是在酸性条件下，氢离子的渗透能力更强，氢离子会渗透到材料体系内部并积累起来。另外，酸性溶液或碱性溶液都会造成聚丙烯纺粘非织造布体系内的添加剂及其它可溶性物质发生溶解、抽出或迁移，聚丙烯大分子链间的相互作用力降低，导致聚丙烯的断裂强力和断裂伸长率下降。聚丙烯高分子材料是一种半结晶性聚合物，大分子规则的链结构使其具有较高的结晶倾向，结晶性能是决定其加工应用性能的关键因素。口罩用聚丙烯纺粘非织造布老化前后的熔融曲线如图3所示。从图3可看出，未经过老化处理的1#样品的熔点为167.17℃，所有老化处理后的样品熔点均向低温方向偏移，且每个样品的峰宽均增大。其中2#样品、3#样品、4#样品和5#样品的熔点分别为162.45，165.21，163.75℃和162.76℃。聚丙烯熔点温度和吸热峰宽度可反映出纤维受热过程中熔融的难易程度，这与聚丙烯纤维的分子量大小和分布有关。在老化环境下，聚丙烯发生老化降解，导致分子链段断裂，大分子链长变短，分子量变小，分子量分布变大，从而使样品的熔点降低，熔融范围变宽。五、口罩用聚丙烯纺粘非织造布FTIR分析
口罩用聚丙烯纺粘非织造布老化处理前后的FTIR谱图如图4所示。聚丙烯材料在老化过程中发生降解的主要产物为羰基化合物，因此羰基的含量可以作为聚丙烯老化降解程度的重要依据[16–18]。从图4可知，口罩用聚丙烯纺粘非织造布老化后在1 550～1 800 cm-1区域内出现了不同程度的羰基吸收峰，即聚丙烯纺粘非织造布老化后出现了羰基化合物，说明聚丙烯纺粘非织造布发生不同程度的老化降解。羰基吸收峰的大小与聚丙烯纺粘非织造布纤维表面有密切联系，聚丙烯纺粘非织造布为熔融纺丝形成的实心纤维材料，因此光照穿透深度有限且酸性或碱性物质向样品内部的扩散受限。在老化过程中，光照、酸性或碱性溶液浸入材料过程中，首先需要从材料的表面开始。由于在自然环境和老化箱环境中，光照对实心纤维材料的穿透深度有限，2#样品和3#样品老化程度低，羰基吸收峰不明显。而4#样品和5#样品的纤维材料表面裂纹较多，酸性、碱性物质可通过裂纹向纤维内部扩散，加速了其老化作用，因此4#样品、5#样品的老化程度高，羰基吸收峰明显。口罩用聚丙烯纺粘非织造布在酸性、碱性环境下老化降解严重，其纤维表面出现裂痕，加速老化进程，拉伸性能下降，其中，在碱性环境下处理后，口罩用聚丙烯纺粘非织造布的断裂强力下降15.5%，断裂伸长率下降8.5%；在酸性环境下处理后，断裂强力下降17.5%，断裂伸长下降28.8%。另外，差示扫描量热分析结果表明，口罩用聚丙烯纺粘非织造布老化后的熔点向低温方向偏移，且熔融范围变宽。傅里叶变换红外光谱分析结果显示，口罩用聚丙烯纺粘非织造布在1 550～1 800 cm-1区域内出现了不同程度的羰基吸收峰，说明口罩用聚丙烯纺粘非织造布发生不同程度的老化降解。（来源：张宇皓，韩万里，黄从亮，等.口罩用聚丙烯纺粘非织造布的老化性能[J].工程塑料应用，2021，49(12)：108–112.）
