两种用木浆纸水刺复合的可冲散非织造材料的性能对比

(东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海，201600)

目前个人护理用湿巾在全球擦拭巾市场中所占份额为65%，在拉丁美洲则高达99%，湿巾已经成为生活中必不可少的一种清洁用品［1］。据调查，个人护理用湿巾市场40%以上属于“绝对需要可冲散性”的范畴。一方面，可冲散性湿巾符合环境友好产品的范畴，无需焚烧处理;另一方面，人们习惯将厕用湿巾随手丢入马桶内，可冲散性湿巾能减少堵塞下水道的可能性。

湿巾基材为非织造材料。添加可分散黏合剂可使非织造材料具有可冲散性，效果显著，然而化学试剂的加入对人体有害。本文采用水刺加固方法将木浆纸分别与黏胶纤维和涤纶短纤维梳理制成的纤维网复合，制得复合非织造材料，并对比分析两者的性能差异，以探索制备对人体无害的可冲散非织造材料的途径。

1 试验部分

1.1 样品制备

分别对黏胶纤维(1.67 dtex×38 mm)和涤纶短纤维(1.33 dtex×51 mm)进行梳理，直接成网，然后与木浆纸复合，通过水刺加固机进行水刺，制成两种不同原料组成的木浆纸水刺复合非织造材料。两种复合非织造材料的面密度均为60 g/m2，复合原料的配比为1∶1(质量比)。两种材料的表面形态扫描电镜(SEM)照片见图1。

图1 两种水刺复合非织造材料的扫描电镜照片

1.2 性能测试

1.2.1 纵横向断裂强力

仪器:HD026N+型电子织物强力仪。

测试方法:干态断裂强力参照纸张测试标准GB/T 24328.3—2009《卫生纸及其制品第3部分:抗张强度、断裂伸长率和抗张能量吸收的测定》;湿态强力测试是将试样弯成环状浸入到蒸馏水或去离子水中5 min，取出后用滤纸轻轻拭去表面的水，在与干态试样相同参数的条件下测试。

1.2.2 吸水率

仪器:FA 2004N电子天平。

测试方法:参照FZ/T 64012.2—2001《水刺法非织造材料第2部分:卫生用卷材》进行测试。

1.2.3 柔软性

仪器:LLY-01型电子硬挺度仪。

测试方法:参照 GB/T 18318—2001《纺织品织物弯曲长度的测定》进行测试。

1.2.4 掉屑率

仪器:3M思高胶辊，FA 2004N电子天平。

测试方法:试样尺寸为5 cm×15 cm，测其质量记作M;样品固定在纸板上，木浆纸一面在上，用新的胶辊在表面上粘取一遍后，质量记作M1;按此方法继续粘取，直至50遍，分别测得 M1、M2、M3、M4、M5、M10、M20和 M50。掉屑率按下式计算［2］:

1.2.5 冲散性测试方法［3］

仪器:SHZ-C往复式恒温振荡器，圆孔筛网(直径分别为 3、4、6、8 mm)，烘箱，哈纳 HI88703型浊度仪。

测试方法:试样尺寸为5 cm×5 cm，测其质量记作M;放在装有300 mL蒸馏水的500 mL塑料广口瓶中，在往复型恒温振荡器上(振幅20 mm)以每分钟往复200次的速度振荡1 h，将振荡后的试样连续通过直径分别为8、6、4、3 mm的圆孔筛网。首先，测量通过圆孔筛网的剩余混合液体的浊度;然后，将每个圆孔筛网上残留的材料转移至表面皿后烘干，直至恒重，放入干燥器冷却后称重，分别记作 M＞8、M6～8、M4～6、M3～4。分散率按下式计算:

2 结果与分析

2.1 力学性能

湿巾基材应具有一定的强度，特别是湿态强度，以使湿巾在加湿后能满足使用要求。图2为涤纶/木浆纸与黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料的干态和湿态的强力—伸长曲线。

图2 两种水刺复合非织造材料的强力—伸长曲线

从图2可以看出，涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料比黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料的强力要高，因为纤维特性是影响非织造材料力学性能的主要因素［4］。涤纶短纤维的强度为3.56 cN/dtex，黏胶纤维的强度为2.71 cN/dtex，因此在复合相同木浆纸的条件下，涤纶/木浆纸复合非织造材料要比黏胶纤维/木浆纸复合非织造材料的强力高。湿态时涤纶/木浆纸复合非织造材料的纵向和横向强力比干态时分别下降了32%和4.8%，而湿态时黏胶纤维/木浆纸复合非织造材料的纵向和横向强力比干态时分别下降了53.4%和44.56%。普通涤纶产品的干、湿强度差异不大，在复合木浆纸后复合材料强力下降的原因主要是木浆纸的湿强降低。木浆纸纤维在湿态条件下分子间的氢键被水破坏［5］，缠结点减少，导致涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料湿强下降。黏胶纤维本身的湿强低，与木浆纸复合后复合材料的湿态强力必然降低，而且比涤纶与木浆纸复合后的材料降低幅度更大。在标准GB/T 20808—2006中，规定湿巾的横向湿抗张强度应≥30 N/m。经测试，两种复合非织造材料的该项指标均符合要求。

2.2 吸水性

吸水率可反映非织造材料对湿巾原液的吸收能力［6］。经测试，涤纶/木浆纸和黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料的吸水率分别为483.17%和702.28%。可以看出，后者的吸水率比前者高出近50%，其主要原因是纤维原料不同。黏胶纤维由纤维素大分子组成，含有亲水基团，而涤纶的分子结构中几乎没有亲水基团，因此黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料的吸水率高，比涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料的吸水性好。标准FZ/T 64012.2—2001《水刺法非织造材料第2部分:卫生用卷材》中规定，面密度为60 g/m2的卫生用非织造材料的吸水率应不小于700%，黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料满足该标准要求。

2.3 柔软性

弯曲长度是评价柔软性的指标之一。表1是两种水刺复合非织造材料的弯曲长度。

表1 两种水刺复合非织造材料的弯曲长度 (单位:cm)

为了比较两种复合非织造材料的弯曲长度是否有显著性差异，拟用秩和检验法在显著性水平а=0.05下进行检验［7］。设涤纶/木浆纸和黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料的横向弯曲长度分别为ξ和η，检验假设:

计算得秩和T=59，小于临界值79，故拒绝H0，认为两种水刺复合非织造材料的横向弯曲长度有显著差异。采用同种方法检验纵向弯曲长度，其结果也是有显著差异。涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料的纵横向弯曲长度均小于黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料，说明涤纶/木浆纸复合非织造材料的柔软性高于黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料。这是因为非织造材料的柔软性主要取决于纤维的抗弯性能以及非织造材料的结构。

纤维的弯曲刚度按下式计算［5］:

式中:Rf——弯曲刚度(N/cm);

E——弹性模量(cN/cm2);

d——纤维直径(cm);

ηf——截面形状系数。

纤维直径d越小，纤维的抗弯刚度Rf越小。涤纶的纤维直径比黏胶纤维小，因而涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料的柔软性比黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料好。

2.4 掉屑率

图3 两种水刺复合非织造材料掉屑趋势

两种复合非织造材料的掉屑趋势见图3。由图3可见:两种复合非织造材料的掉屑趋势相同;粘取次数在20次以内时掉屑量较多，之后曲线较为平缓，说明粘取20次后掉屑量较少;在粘取50次后，黏胶纤维/木浆纸和涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料的掉屑率分别为6.75%和6.27%，两者掉屑率相近。造成木浆纸复合非织造材料掉屑的主要原因是短纤维与长纤维在水刺复合时没有得到充分的缠结，一部分木浆纸短纤维容易浮动［8］。由于两种复合非织造材料采用同种、同质量比的木浆纸复合，加之材料内纤维的缠结主要以长纤维间的缠结为主，短纤维穿插其中，部分浮于表面，因此两者的掉屑情况相似。

2.5 分散性

分散性是可冲散材料最重要的衡量指标。图4示出了两种复合非织造材料及普通卫生纸、普通湿巾基材的分散率与分散后浊度。

图4 四种材料的分散率与浊度

由图4可知，四种材料分散率与浊度结果趋于一致，即均为普通卫生纸最高，普通湿巾基材最低。卫生纸的冲散性好是由于原料全部为木浆纸短纤维，遇水后纤维间的氢键断裂，纤维解缠，材料强度降低，水流的剪切力破坏其结构［9］;普通湿巾基材通常由黏胶纤维与涤纶的混合纤维制成，纤维间缠结紧固，且没有短纤维，因此冲散性最差。对于木浆纸水刺复合非织造材料而言，长纤维满足基本力学性能需求，加入木浆纸短纤维可减少缠结点的数量，提高分散性能。由于涤纶的纤维较细且长度较大，因而缠结点多，解缠较困难，复合后的分散效果没有黏胶纤维好。

两种复合非织造材料分散试验后的尺寸分布如图5所示，可知黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料分散试验后其尺寸分布范围较广，分散程度较高，其中尺寸小于8 mm的部分比涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料要多。

图5 分散试验后两种复合材料的尺寸分布

3 结论

(1)涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料的力学性能优于黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料，且前者湿态强力保留率较高，但两种复合材料的湿态强力均可满足湿巾的要求。

(2)黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料的吸水性高于涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料，前者符合FZ/T 64012.2—2001《水刺法非织造材料第2部分:卫生用卷材》的相关规定。

(3)黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料与涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料的柔软性有显著差异，后者的柔软性较好。

(4)当木浆纸的配比和水刺工艺条件相同时，制得的两种水刺复合非织造材料的掉屑情况相同。

(5)黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料的冲散性能优于涤纶/木浆纸水刺复合非织造材料。

(6)综合比较两种水刺复合非织造材料的性能，黏胶纤维/木浆纸水刺复合非织造材料更适宜作为可冲散湿巾的基材。

［1］ MAGDALENA K.Developing markets hold both poten-tial and challenges for wipes manufacturers［C］//2011年中国湿巾发展论坛.北京:中国造纸协会生活用纸专业委员会，2011:1-3.

［2］ 赵思，焦晓宁，覃俊东.木浆复合水刺非织造布掉屑测试方法初探［J］.产业用纺织品，2008，26(11):36-39.

［3］ FATIH K，DREW C，RITTMANN B.Development of a mathematical model for physical disintegration of flushable consumer products in wastewater systems［J］.Water Environment Research，2009，81(5):459-465.

［4］ 柯勤飞，靳向煜.非织造学［M］.上海:东华大学出版社，2004:17.

［5］ 张静峰，靳向煜，饶剑辉.浆粕及木浆纸水刺非织造布的结构与性能［J］.纺织学报，2005(3):52-55.

［6］ 吴桃桃.湿巾用水刺非织造材料工艺与性能的研究［D］.上海:东华大学，2009.

［7］ 张富丽.非织造布的防辐射性能对比研究［J］.中国安全生产科学技术，2010，6(1):87-90.

［8］ 马殿平，陈喆.木浆复合水刺布的开发与应用［J］.产业用纺织品，1999，17(2):25-27.

［9］ 刘娟.木浆复合水刺手术衣材料生产工艺与性能研究［D］.上海:东华大学，2008.