【威达美TM,丙烯基弹性体在吸水性卫生产品中的应用】丙烯丁烯弹性体

　　本文介绍了含威达美TM 丙烯基弹性分散相的等规聚丙烯纺熔非织造布的开发。该特殊结构是为纸尿裤立体防漏隔边等应用设计的一种SMMS非织造布。在该产品中,每一纺粘层都是由等规聚丙烯(84%,wt%,下同)与VistamaxxTM 6202丙烯基弹性体(16%)的混合物制成。每一熔喷层都由高熔融指数的聚丙烯构成,可添加 10% 的威达美TM 2320丙烯基弹性体进行改性。本研究对该非织造布的拉伸强度、伸长率、静水压(HH)和柔软度等进行了评价。研究结果表明,与未改性非织造布相比,两层S层均用威达美TM 丙烯基弹性体改性的SMMS非织造布柔软度得到提高,且静水压阻隔性能仍能满足要求。这种柔软度所提供的性能既适用于纸尿裤防漏护围,也可推广至医疗防护服及其它应用。
　　This paper describes the development of spunmelt nonwovens containing VistamaxxTM propylene-based elastomer as a minor component in isotactic polypropylene. The specific construction is an SMMS nonwoven designed for applications such as leg barrier in diapers in which each spunbond layer is a blend of isotactic polypropylene at approximately 84 weight percent and VistamaxxTM 6202 propylene-based elastomer at approximately 16 weight percent. Each meltblown layer of the SMMS fabric comprises high melt flow rate PP, optionally modified with VistamaxxTM 2320 propylene-based elastomer at approximately 15 weight percent. Fabric properties that include tensile strength, elongation, hydrohead (HH) and Handle-O-Meter were evaluated. The study indicates that in comparison to unmodified fabrics, SMMS nonwovens in which both S layers are modified with VistamaxxTM propylene-based elastomer show enhanced softness as demonstrated by reduction in Handle-O-Meter values and maintain acceptable hydrohead properties. The softness attribute provides unique performance features that can be applied in leg cuffs and can be extended to medical gowns and other applications.
　　
　　1前言
　　
　　VistamaxxTM(威达美TM)丙烯基弹性体是采用茂金属催化剂合成的聚烯烃共聚物,这种弹性体含有等规丙烯结晶。威达美TM 丙烯基弹性体中的丙烯结晶度可通过改变共聚单体的含量加以控制,结晶度随着共聚单体含量的增加而下降。威达美TM 丙烯基弹性体与PP相容,可以 10% ～ 30% 的比例作为分散相添加到PP中,以改变PP非织造布的性能。因为弹性体以分散相存在,所以这类组成被归类为威达美TM 丙烯基弹性体的少量共混物。含威达美TM 丙烯基弹性体的纺粘非织造布先前已有介绍,这些非织造布拥有独特的细分市场 ―― 作为纸尿裤面层及背衬、妇女卫生用品和成人失禁用品中的柔软非织造布。由于其质地柔软、垂悬性和手感好等特点,在这些应用中较传统PP非织造布更受市场青睐。
　　具有纺粘和熔喷聚丙烯层的低克重(15 g/m2)复合非织造布,通常用于生产纸尿裤的防漏护围。这种非织造布有两层PP纺粘层(每个S层通常为 6 g/m2)和两层PP熔喷层(每层通常为 1.5 g/m2)的SMMS结构;纺粘层提供强度,熔喷层提供阻隔性(静水压)。如今用户对防漏护围柔软性能的要求越来越高,继而希望从市场中寻求这些柔软的非织造布。而在婴儿纸尿裤的应用中,柔软的非织造布会让婴儿有更加舒服的皮肤触感。
　　用威达美TM丙烯基弹性体对PP纺粘层改性,可将柔软的特点融入PP基SMMS非织造布中。由于该弹性体与PP相容性良好,其颗粒可以亚微米级的粒度分散于PP基材中。原子力显微镜研究显示,该弹性体主要在PP的无定形区域中结晶,因而阻碍了等规PP(iPP)结晶的长大。在这类共混物中,由于iPP晶粒本身较小,加上弹性体的加入降低了总结晶度,所以弯曲模量较未改性的iPP要低。含有威达美TM 丙烯基弹性体分散相的非织造布与未加入弹性体的非织造布相比,柔软度测试仪读数减小了 30%,加入弹性体的作用显而易见。
　　SMMS非织造布的表面特点可通过爽滑剂加以改良,其中值得一提的是芥酸酰胺,它普遍用于聚烯烃。爽滑剂是一种化学性质与PP及弹性体均不相容的小分子,所以它被从基材中挤出,迁移到纤维表面。在尿布背衬的柔软非织造布中,爽滑剂的存在会造成手感的差异,这种差异可通过与无爽滑剂非织造布相比摩擦系数(COF)的降低来量化 分析。
　　通过调整威达美TM 丙烯基弹性体的添加比例,可定制合适的SMMS非织造布柔软度测试仪读数和机械性能。弹性体可通过挤出机的辅助给料机在线添加,因此无需增加共混步骤。
　　
　　2由威达美TM 丙烯基弹性体和聚丙烯树脂共混物制成的SMMS柔软非织造布
　　
　　2.1 非织造布结构
　　威达美TM 丙烯基弹性体以自由流动的颗粒形式供应,很容易与PP、添加剂干混,或通过辅助给料机添加。弹性体改性柔软SMMS非织造布配方在 1.1 m REICOFIL® 4多头生产线上生产,以ExxonMobilTM PP3155E3聚丙烯(MFR=36)、AchieveTM 6936G1树脂(MFR=1 550,用于熔喷)、威达美TM 6202丙烯基弹性体(MFR=20)和威达美TM 2320丙烯基弹性体(MFR=200)为原料。
　　表 1 列出了本研究所生产的SMMS柔软非织造布的配方和结构。在纺粘或熔喷PP层中添加威达美TM 丙烯基弹性体的目的是检验S或M层的改性是否会使SMMS非织造布变软。通过适当调整牵引力,每种配方分别采用 1.3 ～ 1.4 D和 1.8 ～ 1.9 D两种不同的纤维尺寸。配方 1 为仅由PP纺粘和熔喷层构成的非织造布对照试样;配方 2 中,只有S层用 16% 的威达美TM 6202丙烯基弹性体改性;配方 3 中,S和M层都经过改性,M层使用威达美TM 2320丙烯基弹性体改性,其中S层的弹性体含量为 16%,M层的弹性体含量为 15%;配方 4 中,只有熔喷层用威达美TM 2320丙烯基弹性体改性,其它各层未改性。
　　
　　2.2非织造布工艺条件
　　表 2 列出了与表 1 所述结构相应的SMMS非织造布工艺条件。纺粘头的产量保持在 200 kg/h,而熔喷头产量保持在 50 kg/h。纺粘工艺条件是ExxonMobilTM PP3155E3聚丙烯所采用的典型条件。纤维尺寸通过改变纺粘箱体压力调整,获得 1.3 ～ 1.4 D纤维所需的箱体压力(风压)为 6 000 Pa,1.8 ～ 1.9 D纤维所需的箱体压力较低,为 4 500 Pa。
　　
　　SMMS非织造布的总克重保持在 15 g/m2。S层每层为 6 g/m2(共 12 g/m2),M层每层为 1.5 g/m2(共 3 g/m2)。当在低克重非织造布中使用AchieveTM 6936G1树脂时,熔喷收集距离(DCD)120 mm及熔体温度 235 ℃是典型工艺的推荐条件。
　　
　　3结果与讨论
　　
　　3.1 机械性能
　　在最大拉伸强度下,试验所得的SMMS非织造布的纵向(MD)和横向(CD)拉伸强度如图 1 所示。所有样品的纤度为 1.3 ～ 1.4 D。由图 1 可见,MD方向的拉伸强度比CD方向高,这主要是由于MD方向的纤维取向度较高。用威达美TM 2320丙烯基弹性体对M层改性时,可保持SMMS非织造布拉伸强度与对照样品相当,而S层的改性却降低了其拉伸强度。因为纺粘层是决定其强度的主要因素,所以用较低结晶度的威达美TM 6202丙烯基弹性体代替部分PP3155E3结晶,会使得拉伸强度有所降低(图 1)。
　　伸长率变化趋势与拉伸强度相反,在纤维取向度较低的CD方向,观察到伸长率较大。图 1 表示了表 1 非织造布结构在最大拉伸强度下的伸长率。由图 1 清楚可见,与不含弹性体的对照样品相比,改性后伸长率的变化极小。
　　
　　较低的拉伸强度加上较高的伸长率,形成了过低的非织造布拉伸模量(拉伸强度/伸长率之比),在纸尿裤生产线中可能造成布面的颈缩现象。尤其在设备开卷张力控制较差的时候,会使得纸尿裤生产出现问题。在弹性体改性非织造布中,由于较高的纵向取向度,拉伸模量没有明显降低,以往的经验也显示非织造布在开卷时将没有产生颈缩问题。
　　3.2 柔软度性能
　　非织造布的柔软度采用Thwing � Albert 211 � 5型柔软度测试仪测量。柔软度或“手感”性能是非织造布表面摩擦力与柔韧性的综合结果。在柔软度测试仪上,当非织造布样品被压过一条平行狭缝(缝宽为 5、10、20 mm和 0.25" 不等,按照非织造布的柔软度选择)时,对设备中叶片所遇到的阻力(单位为g)进行定量。柔软度测试仪的读数越小,表示柔软度或悬垂性越好。
　　图 2 表示了与表 1 结构相应的非织造布(克重为 15 g/m2)的柔软度测试仪读数。当纤维纤度为 1.4 D时,不含威达美TM 6202丙烯基弹性体的对照PP非织造布的柔软度测试仪读数为 14 g。M层改性非织造布的柔软度测试仪读数与未改性样品相当。当纤维纤度为 1.4 D时,用弹性体对S层改性使柔软度测试仪的读数降低到 9.8 g,相当于比对照样品降低 30% 以上。此处数据表明,单对M层改性不能提高柔软度或悬垂性,这可能是因为M层(克重为 3 g/m2)相对于S层较薄,而且被夹在两层S层之间所以改性效果不明显。因此用弹性体对S层进行改性是一种可减小柔软度测试仪读数并调节非织造布柔软性和悬垂性的有效方法。
　　
　　3.3 抗渗水性
　　对于防漏护围,非织造布的抗渗水性(静水压)是一个关键要求。必须确保改性后的复合非织造布在提高柔软度的同时也能保证基本的阻隔性能。
　　图 3 表明了用威达美TM 6202丙烯基弹性体改性的SMMS非织造布的静水压数据。由图 3 可见,未改性非织造布拥有最高的静水压。M层的改性导致静水压低于对照样品,这是因为熔喷PP的 15% 被结晶能力更小的弹性体替代了,从而导致纤维成形过程中成纤的均一性变化进而造成阻隔效果的降低。但如图 2 所示,对M层改性没能提高非织造布的柔软度。S层的改性会造成静水压的略微降低,但对于克重为 15 g/m2的非织造布而言,其阻隔能力(静水压值)仍足以满足一般防漏护围产品规格的要求(图 3 中以虚线标出)。当S层和M层同时被改性时,由于总弹性体含量的增加,静水压进一步降低。
　　
　　从对照样品和S层改性非织造布可以看到,S层纤维直径的减小有利于提高非织造布的阻隔能力。由图 3 可见,对于S层改性非织造布,当纤维纤度减小到 1.4 D时,静水压从160 mm增加到了 190 mm。对于只有M层改性的非织造布,S层的纤维尺寸似乎对抗渗水性没有影响。
　　图 4 表示了S层弹性体含量对表 1 所列各非织造布阻隔能力(静水压)的影响。图 4 分别表示了 1.4 D和 1.8 D非织造布的静水压数值。虚线是结合两组数据绘制的最佳拟合趋势线(R2 = 0.75)。由图 4 可见,静水压与总弹性体含量之间似乎存在某种合理的关联,静水压随着弹性体含量的增加而减小。根据这条趋势线可以规定S层的弹性体含量,以满足生产商要求的静水压性能。
　　
　　3.4 防漏护围SMMS非织造布的比较
　　图 5 为一张雷达图,比较了SMMS非织造布的性能,其中最理想的性能沿辐射状延伸在外。两种非织造布的纤维纤度均为 1.8 D。所比较的SMMS非织造布分别为未改性的对照非织造布和S层改性非织造布。由图 5 可见,S层改性非织造布具有较小的柔软度测试仪读数,即较好的柔软度,同时可满足在卫生产品应用中的静水压要求。
　　
　　
　　4结论
　　
　　通过在线共混将威达美TM 6202丙烯基弹性体加入纺粘层中,生产防漏护围用SMMS非织造布,可达到柔软度、拉伸性能和抗渗水性的有效组合。
　　在本研究所检验的各种弹性体改性方案中,最有效的方法是对SMMS非织造布中的纺粘层进行改性。