大豆蛋白纤维水刺非织造材料性能研究

苏婷婷 殷保璞 (东华大学纺织学院，上海，201620)

大豆蛋白纤维是中国首先开发并工业化生产的人造纤维［1］，其生产原理是将豆粕水浸分离，提取出球蛋白，通过添加功能性助剂，与腈基或羟基等高聚物接枝、共聚、共混，制成一定浓度的蛋白质纺丝液，改变蛋白质的空间结构，通过湿法纺丝制得大豆蛋白纤维。整个生产过程对环境无污染，纤维本身易生物降解，是一种绿色环保纤维［2］。目前大豆蛋白纤维主要用于服装行业［3］，与棉或者真丝混纺制成高支纱，可加工成内衣、T恤衫和衬衫面料［4］，但有关大豆蛋白纤维在非织造生产上的应用研究较少。本文采用非织造工艺制备了大豆蛋白纤维水刺非织造材料，研究了该材料的基本物理性能和相关的应用性能，并探究了其在卫生领域的应用潜力。

1 试验部分

1.1 大豆蛋白纤维水刺非织造材料的制备

本文以大豆蛋白纤维和黏胶纤维为原料，设计了两种纤维配比，每种配比设计三种面密度，共6个试样，见表1。

表1 试样设计

采用AS181A型梳棉试验机进行梳理成网;采用德国Fleissner公司生产的Aquajet Y500-2型水刺机进行水刺加固，除预水刺外，其余采用正反两道，共4道水刺。水刺工艺参数见表2。工艺路线如下：

纤维原料→开松混合→梳理成网→水刺加固→烘燥→卷绕。

1.2 性能测试及物理量计算方法

1.2.1 纤维性能测试

(1)采用日立TM-3000型台式扫描电子显微镜观察纤维表面形态;

(2)采用傅里叶变换红外-拉曼光谱仪(NEXUS-670)对大豆蛋白纤维原料进行分析;

表2 水刺工艺参数

(3)采用XQ-2纤维强伸度仪测单纤强力;

(4)采用YG362B卷曲弹性仪测纤维的卷曲性能;

(5)采用Y802A型八篮恒温烘箱测纤维的回潮率;

(6)采用BE10N M318全自动显微镜测纤维直径;

(7)纤维密度按下式计算［5］：

式中：d——纤维直径(μm);

γ——纤维密度(g/cm3);

Ndt——纤维线密度(dtex)。

(8)纤维相对弯曲刚度按下式计算［5］：

式中：RBr——相对弯曲刚度(cN·cm2/tex2);

E——纤维弹性模量(cN/tex);

γ——纤维密度(g/cm3)。

由实验测得：大豆蛋白纤维截面形状系数ηf=0.59，黏胶纤维截面形状系数ηf=0.75。1.2.2 水刺非织造材料测试

(1)依据GB/T24218.2—2009方法测定试样厚度;

(2)依据GB/T24218.1—2009方法测定试样面密度;

(3)依据GB/T24218.3—2010，采用 YG028-500型电子强力仪测定试样的强力;

(4)依据GB/T18318.1—2009，采用 LLY-01型电子硬挺度仪测定试样的弯曲性能;

(5)依据GB/T24219—2009，采用 Porometer 3G孔径仪测定试样的孔径;

(6)依据 GB/T12704.1—2009，采用 YG6601型织物透湿仪测定试样的透湿性;

(7)依据GB/T24218.6—2010方法测定试样带液率;

(8)导湿性能：在标准大气下，取0.5 mL定量液体滴入织物，测试液滴沿织物各向扩散一定时间(设定30 min)后达到的最大扩散位移，选用纵向(MD)/横向(CD)/45°三个方向来表征织物的导湿性能［6］;

(9)缠结系数计算公式为：

2 结果与讨论

2.1 大豆蛋白纤维

2.1.1 纤维成分分析

按公开专利介绍［1］，大豆蛋白纤维中大豆蛋白质质量分数为23%～55%，聚乙烯醇和其他成分质量分数为45%～77%。从图1可以看出，1 538 cm－1为酰胺Ⅱ的特征吸收峰，1 239 cm－1为酰胺Ⅲ的特征吸收峰，1 097和1 016 cm－1为C—O的特征吸收峰，3 361 cm－1为聚乙烯醇中—OH的特征吸收峰。因为大豆蛋白纤维含有一定量的聚乙烯醇，故大豆蛋白纤维的吸湿性能良好。大豆蛋白纤维中的蛋白质含有多种氨基酸，有天然保健功能，与人体皮肤有良好的相容性［7］。

图1 大豆蛋白纤维的红外光谱图

2.1.2 表观形态分析

大豆蛋白纤维表面光泽柔和，纵向表面有与黏胶纤维相似的凹凸沟槽，见图2。因此，大豆蛋白纤维具有吸湿导湿的优良特性。

2.1.3 基本物理性能

图2 大豆蛋白纤维和黏胶纤维纵向表面的电镜照片

大豆蛋白纤维和黏胶纤维的基本物理性能见表3。从表3可以看出：大豆蛋白纤维干强为4.51 cN，较黏胶纤维(2.08 cN)高，密度为1.13 g/cm3，故可在满足非织造材料一定强力的条件下，制作轻薄产品;回潮率为7.64%，不及黏胶纤维(11.24%);相对弯曲刚度为4.2×10－5cN·cm2/tex2，低于黏胶纤维(5.4 ×10－5cN·cm2/tex2)，所以大豆蛋白纤维的柔软性优于黏胶纤维。

2.2 水刺非织造材料性能测试分析

2.2.1 力学性能

水刺非织造材料需有一定的强力，才能满足应用的要求。在射流冲击下纤维的缠结程度可用水刺非织造材料的纵横向强力来衡量［8-9］，本文采用缠结系数来表征试样中纤维经水刺后的缠结程度，以此来说明试样的力学性能。

表3 大豆蛋白纤维和黏胶纤维的基本物理性能

图3为水刺非织造材料试样的缠结系数与面密度的关系。由图3可以看出：

(1)随着试样面密度增加，缠结系数相应增加。这是因为随着面密度的增加，水刺压力同步增加，水针能量提高，相同条件下纤维缠结程度提高。

(2)大豆蛋白纤维水刺非织造材料的缠结系数高于大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料。这是因为大豆蛋白纤维的弯曲刚度低，更柔软，水射流的作用使其更易弯曲，相同水针能量下纤维间的缠结效果更好。此外，大豆蛋白纤维的单纤强力和长度大于黏胶纤维，并且密度偏小，导致相同面密度的试样单位面积中含有更多根数的纤维，所以相同水针能量下纤维缠结点增多，其力学性能也相对提高。

图3 缠结系数与面密度关系曲线

图4为50 g/m2水刺非织造材料的干态拉伸曲线。从图4可以看出：

(1)试样纵向断裂强力高于横向断裂强力。这是因为试样制备采用直铺工艺，纤维沿纵向分布，所以纵横向强力差异大。

(2)大豆蛋白纤维水刺非织造材料和大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料相比，后者的初始模量稍大于前者，说明大豆蛋白纤维水刺非织造材料比大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料更易变形，手感更柔软。

图4 50 g/m2水刺非织造材料的干态拉伸曲线

图5 50 g/m2大豆蛋白纤维水刺非织造材料的湿态拉伸曲线

图5为50 g/m2大豆蛋白纤维水刺非织造材料的湿态拉伸曲线。与图4相比，湿态试样的拉伸曲线波动较大，干态试样的拉伸曲线相对平滑，且湿态强力低于干态。这是因为水的作用会解锁水刺非织造材料中纤维与纤维之间的缠结，并且湿态的非织造材料在拉伸时，滞留在试样中的水会使纤维间的摩擦因数降低，会加速纤维间的滑移，从而使断裂强力降低且不稳定。

2.2.2 柔软性

柔软舒适的手感是水刺卫生材料的主要性能之一［10］，本文采用弯曲刚度衡量织物的刚柔程度。

图6为试样弯曲刚度随面密度的变化曲线。从图6可以看出：

(1)试样的纵横向弯曲刚度随着面密度的增加呈上升趋势，且纵向弯曲刚度比横向大。这是因为试样梳理采用的是直铺工艺，纤维沿着纵向排列，故纵向能更好地承担弯曲应力。随着面密度的增加，单位面积内的纤维数量增加，纤维排列更紧密，弯曲刚度增加，试样柔软性降低［11］。

(2)在面密度相同时，大豆蛋白纤维水刺非织造材料的弯曲刚度小于大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料。这是因为试样中大豆蛋白纤维的弯曲刚度低于黏胶纤维，弯曲刚度大，纤维柔软性差。因此，相同面密度试样比较，大豆蛋白纤维水刺非织造材料的柔软性更好。

图6 弯曲刚度与面密度的关系曲线

图7为试样弯曲刚度随缠结系数的变化曲线。从图7可以看出，随着缠结系数的增加，同种材料同一方向的试样其弯曲刚度增加。这是因为缠结系数越大，参与缠结的纤维增加，纤维间缠结得更加紧密，缠结点更多，材料质感变硬，弯曲刚度变大。由于大豆蛋白纤维的弯曲刚度低，其水刺产品手感柔软，同时较低的弯曲刚度使得大豆蛋白纤维水刺非织造材料的缠结系数高于大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料。上述两种因素中，以纤维材料本身的弯曲刚度对试样弯曲刚度的作用更大。

图7 弯曲刚度与缠结系数的关系曲线

2.2.3 孔径及透湿性能

水刺卫生材料因为直接与皮肤接触，必须具备一定的通透性能，才能保证与人体皮肤接触时形成良好的微气候环境，给人体提供舒适的接触感。本文采用孔径和透湿量两个指标来表征试样的通透性能。

图8为试样孔径与厚度的关系曲线，图9为试样孔径随缠结系数的变化曲线。可以看出：

(1)随着水刺非织造材料厚度的增加，孔径有减小的趋势。这是因为随着厚度的增加，单位面积内的纤维层数增加，孔隙被纤维覆盖的可能性增加，孔径减小。

(2)随着缠结系数的增加，试样孔径有减少的趋势。这是因为缠结系数增加，纤维缠结程度增加，材料密度增加，孔径减小［12］。

图8 孔径与厚度的关系曲线

图9 孔径与缠结系数的关系曲线

(3)大豆蛋白纤维水刺非织造材料的孔径大于大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料的孔径。这是因为大豆蛋白纤维的直径为13.71 μm，大于黏胶纤维(11.90 μm)，纤维越粗，纤维间的孔隙越大。

(4)大豆蛋白纤维水刺非织造材料的厚度略低于大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料，厚度小，则孔径大;而前者的缠结系数高于后者，缠结系数大，则孔径小。综合分析各因素对材料孔径的影响，与缠结系数相比，试样厚度和纤维直径占主导作用。

织物透湿性是对人体散热发汗时维持人体产热和散热的热平衡能力［5］。作为与人体皮肤直接接触的水刺卫生材料，需要考虑透湿性指标，透湿性好的材料具有良好的热湿舒适性。

图10为试样透湿量随面密度变化的关系曲线。从图10可以看出，大豆蛋白纤维和大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料的透湿量相当，保持在290 g/(m2·24 h)左右。随着面密度的增加，透湿量稍有降低。这是因为试样随着面密度的增加而变厚，参与水刺的纤维数增多，从而孔隙数量增加，但是孔隙变小;在吸湿后，纤维膨胀，进一步减小了纤维间的孔隙。孔隙大小和孔隙数量相比，孔隙大小对透湿量的影响占主导作用，从而使试样的透湿量随着面密度的增加而减小。

图10 透湿量与面密度的关系曲线

图11 透湿量与孔径的关系曲线

图11显示了透湿量与孔径的关系。可以看出，随着孔径的增加，试样有更大的孔隙来传递水汽，试样的透湿量增加。

2.2.4 带液率

水刺卫生材料要求试样具有一定的吸湿性。非织造材料所含水分主要包括吸收水和毛细水。吸收水的量取决于纤维本身。毛细水主要分布在纤维及织物毛细孔隙内，纤维孔隙越大，毛细水越多［10］。

图12为带液率与孔径的关系曲线，可以看出随着孔径的增加，非织造材料储存毛细水的能力增加，带液率增加。

图13为带液率与面密度的关系曲线。从图13可以看出：

图12 带液率与孔径的关系曲线

图13 带液率与面密度的关系曲线

(1)随着面密度的增加，大豆蛋白纤维和大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料带液率呈下降的趋势。

(2)相同面密度的大豆蛋白纤维水刺非织造材料的带液率大于大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料。这是因为大豆蛋白纤维水刺非织造材料的孔径大于大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料，孔径越大，带液率越高。

2.2.5 导湿性能

液体在织物中扩散的最大面积和织物芯吸系数是反映织物综合导湿性能的指标。6个试样的导湿性能见表4。表中：L1，max代表纵向扩散最大位移，L2，max代表横向扩散最大位移，L3，max代表45°方向扩散最大位移，单位为mm;Smax代表最大扩散面积，液滴在织物上以近似圆形或椭圆形扩散(Smax= π·L1，max·L2，max)，单位为 mm2;W2i代表织物各向芯吸速率，i=1，2，3，t为时间)，单位为mm2/s;W代表芯吸系数，为织物各向芯吸速率平均值的开方，单位为

从表4可以看出：

(1)比较纵向、横向和45°方向的导湿性能，6种试样的纵向导湿性能均最好。这与水刺的方向及平行铺网有关，水针痕和纤维在纵向的取向形成毛细芯吸效应，使产品的导湿能力增强。

表4 试样导湿性能测试结果

(2)试样的厚度增加，导湿性能也会变化。综合指标显示，试样1和试样4的综合导湿性能较优。决定织物中液体输运速度的主要是粗毛细孔。孔径越大，则形成的毛细管中粗毛细管多，芯吸速率越快［13］。因为试样1和试样4是面密度为50 g/m2的试样，面密度小，试样厚度小，孔径大，材料相对蓬松，织物导水快，导湿能力好。

(3)芯吸速率大的方向其扩散位移也大。

3 结论

对比了大豆蛋白纤维和大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料的基本性能，得出以下结论：

(1)在相同面密度下，大豆蛋白纤维水刺非织造材料比大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料的强力更高，柔软性更好，孔径更大，带液率更高。

(2)大豆蛋白纤维和大豆蛋白/黏胶纤维水刺非织造材料的横向强力均低于纵向强力，湿态强力均低于干态强力;缠结系数和弯曲刚度均随着面密度的增加而增加，孔径和带液率均随着面密度增加而减小;弯曲刚度随着缠结系数的增加而增加，透湿量和带液率随着孔径增加而增加。

(3)试样面密度越小，导湿性能越好。

(4)大豆蛋白纤维水刺非织造材料可应用于面膜、湿巾和医用敷料等医疗卫生领域。

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