超吸水纤维非织造材料导湿因素探讨

葛 彧，丁志荣，初丽辉

(南通大学，江苏 南通 226019)

超吸水纤维非织造材料是以超吸水纤维(SAF)作为吸收体的主要成分，其对液态水有超强的吸收能力，一般应用于婴儿尿不湿、纸尿裤、手术布、医用敷料等[1-3]。研究液体在超吸水纤维非织造材料中的扩散过程，可以更好地了解液体/纤维的相互作用[4]，对于开发性能优异的高吸液非织造产品和现有产品的性能改进有重要的理论意义。

本文利用自制的动态导湿测试装置对非织造材料的导湿性能进行了研究，定量表征了液态水在超吸水纤维非织造材料样品中的扩散，直接分析对比了不同样品的导湿性能，探讨了影响超吸水纤维非织造材料导湿性能的主要因素。

1 实验

1.1 样品的制备

采用SAF及粘胶纤维为原料，分别经过混合、开松、梳理、铺网、预针刺、针刺等工艺流程，主要分析超吸水纤维含量和针刺速度对导湿性能的影响。样品工艺参数见表1。

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表1 样品工艺参数

1.2 实验装置

实验装置如图1所示。装置置于恒定光源下，将10 cm×10 cm的样品放置在样品平台上，利用滴管控制液体流速为3 mL/min(在滴液中加入部分颜料，使得液体在样品上的位置易于观察[5])，高清摄像机记录下导湿过程。样品导湿过程的视频直接传送到电脑上，运用视频编辑软件进行截图，借助MALAB编制程序，对图像进行处理，得到导湿面积-时间曲线。

1.3 图像处理

水扩散面积是需要提取的主要数据，也是描述超吸水纤维非织造材料导湿性能的重要参数。通过图像处理从图像中直接获取水迹的面积见图2，水润湿非织造材料后，润湿区域与未润湿区域的图像在灰度值上发生较为明显的变化[6]，在图像处理时应先用灰度拉伸技术进行灰度增强，使扩散水迹部分与背景区域的对比度增强，然后运用Otsu法选取阈值进行图像二值化[7]，以获得水扩散面积(见图3)。通过程序绘制导湿面积—时间曲线，显示水在样品表面扩散的情况，其峰值表示了水扩散的最大范围，峰值越大意味着导湿性能越好，从而分析水在超吸水纤维非织造材料中导湿的各个阶段的变化规律[8]。

图2 导湿面积原图 图3 二值化后的导湿面积图像

2 实验结果与分析

2.1 针刺速度对导湿性能的影响

在超吸水纤维含量相同的情况下，分析针刺速度对导湿性能的影响。由图4可以观察到，初期样品的导湿面积都快速增长，之后样品导湿面积的上升速度减慢，直至停止。这是因为：起初SAF纤维的超强吸水性能对其非织造材料早期的导湿性能有很大的促进作用；随着SAF纤维的吸水能力逐渐饱和，并由于其强大的锁水能力，使得已被吸收的水分子不容易逃逸出来，抑制了非织造材料的导湿性能。此外，随着针刺速度的增加，样品的导湿面积增加。由公式(1)和(2)可知，较大较多的孔隙，有较高的运输流量和较高的运输速度，水主要沿着非织造材料中比较松散的部分扩散，扩散速度较快[9]。

图4 针刺速度不同的超吸水纤维非织造

图5 SAF含量不同的超吸水纤维非织造

(1)

(2)

式中:Q——流体的体积流量(m3/s)；

t——时间(s)；

η——液体粘度；

θ——固液接触角；

θLG——液气界面张力(N/m)；

r——毛细管当量半径(m)；

V——流体的线速度(m/s)。

针刺超吸水纤维非织造布孔径分布分散程度高，针刺加工形成的微孔较大，大孔径的孔隙多，有很高的孔隙率，微孔为液体传递提供了导湿通道，导致吸液倍率高，存在于纤维间毛细孔隙中吸收的游离液体越多，扩散速度越快[10]。因此，在其他参数相同的情况下，非织造材料的导湿性能与针刺速度呈正相关的关系。

马克思基于对“现实的人”的思考，通过对“现实的人”的本质的揭示，确立了关于人的解放的理论。“现实的人”是马克思人的解放理论的逻辑起点。我们只有通过厘清“现实的人”的科学内涵，才能从整体上把握马克思人的解放理论。

2.2 超吸水纤维含量对导湿性能的影响

从图5可以看到，SAF含量不同的超吸水纤维非织造材料的导湿过程大概可以分为三个阶段。第一阶段，3种样品的导湿曲线几乎重合，这是因为液态水滴开始注入非织造材料时的很短时间内，水滴刚接触三种样品后的初始状态是几乎相同的。第二阶段，三种样品的导湿面积随时间延长均持续上升，在初期SAF含量与导湿性能两者呈负相关的关系，之后曲线分布规律为：4#样品>6#样品>5#样品。从理论上说，SAF含量越高，样品的单位面积吸水性能越好，最后形成导湿的面积也就越小。而实验中却发生了SAF含量20%的样品吸湿面积低于30%的现象。出现这一现象的主要原因是：首先，超吸水纤维非织造布吸收水时，一部分的水分子与SAF内部的离子网格结构及大量亲水性基团迅速结合形成直接吸收水[11]，另一部分水则通过毛细效应被吸收在纤维与纤维之间孔隙内。在水分充足的情况下，这个过程是不间断的，因而三种样品的曲线均保持持续增长。其次，SAF纤维吸水后会溶胀呈凝胶状，吸液能力下降，并使得纤维之间的孔隙结构发生了变化，孔隙变小，毛细管数目减少，毛细管的连续性被破坏，同时这也间接减小了非织造材料中水的体积流量和水的流动速度[12]。故6#样品虽然SAF含量达到30%，却远高于4#和5#样品。但其吸水后形成了大量的凝胶，反而阻碍了它的吸水性能，不及SAF含量20%的5#样品。第三阶段，三条曲线的吸湿面积变化较小，逐渐趋于平衡。由于SAF与水结合得比较稳定，导湿能力下降，水沿其毛细管传输速度逐渐减小甚至趋于不变，水滴的扩散逐渐趋于平衡。此时样品吸水量达到饱和，再继续注入水滴，样品发生回渗现象的可能性增大。对于高吸液非织造材料，饱和时间决定着产品吸液性能的优劣和产品的应用价值。

2.3 厚度对导湿性能的影响(见图6)

从图6可以观察到，超吸水纤维非织造材料的导湿性能与厚度呈负相关关系。在其他结构参数不变的情况下，非织造材料的容水力主要受厚度影响，厚度越大非织造材料的容水能力也就越强，水滴在表面传递相同面积所消耗的水分也就越多，最后形成导湿的面积也就越小[13-16]。此外超吸水纤维具有极强的吸水性能，因此，在其他参数一定的情况下，厚度越大，超吸水纤维非织造材料表现的吸水性就越强，导湿性能也就越差。

图6 厚度不同的超吸水纤维非织造

3 结 论

3.1在其他参数相同的情况下，非织造材料的导湿性能与针刺速度呈正相关关系。

3.2SAF含量是影响超吸水纤维非织造材料导湿性能的重要因素，在初期两者呈负相关关系，但之后由于SAF纤维吸水膨胀，SAF含量过高的超吸水纤维非织造材料的吸水性能下降，导湿面积增大。

3.3控制其他参数一定，超吸水纤维非织造材料的导湿性能与厚度呈负相关关系。

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