可冲散非织造材料的制备及性能研究

常敬颖，李素英，张　旭，姚子川

(南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019)



可冲散非织造材料的制备及性能研究

常敬颖，李素英*，张旭，姚子川

(南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019)

以木浆纤维、粘胶纤维和聚乙烯/聚丙烯双组分纤维(ES纤维)为原料，以木浆纤维/粘胶纤维质量比、粘胶纤维长度、ES纤维长度为因素设计正交实验方案，采用湿法成网非织造工艺，制备面密度为50～60g/m2的可冲散非织造材料，研究了各因素对非织造材料性能的影响。结果表明：粘胶纤维越短，非织造材料越容易分散；随着木浆纤维比例的增大，非织造材料的柔软度、吸水性、湿态断裂强力都呈下降趋势，手感变差，综合性能降低；当粘胶纤维长度为4mm、ES纤维长度为4mm时，非织造材料的均匀性好、可冲散性最好；当木浆纤维质量分数为55%，粘胶纤维质量分数为40%、长度为4mm，ES纤维质量分数为5%、长度为10mm时，非织造材料的断裂强力最大、柔软度最好。

非织造材料湿法成网可冲散性柔软度吸水性

随着全球性的绿色环保产品的推广和发展，非织造卫生材料也面临着新一轮革新，可降解可冲散的非织造材料应运而生。科学研究人员考察得出，绝大多数的水管堵塞都是由不可冲散的一次性卫生用品所造成的[1]。一次性卫生用品虽然使用方便快捷，用于多种场合，如家庭、餐厅、外出旅行等[2]，但是这些用品在使用后的处理方式受到极大关注，一些常用的焚烧、填埋等方式会造成二次环境污染。

近几年新开发的可冲散非织造材料可以广泛应用于湿巾、女性卫生用品、抽水马桶擦拭纸等[3]。可冲散材料在水流的剪切力作用下可以分离崩解成小片，并且在水流的作用下顺利的通过马桶、排水管道以及污水传输系统，使用后的产品便于处理，不需要丢弃填埋或焚烧，降低了用即弃产品对环境的污染。重视健康、产品创新以及环境保护是影响卫生材料行业可持续发展的关键因素[4]，可降解可冲散的新型卫生材料必将成为行业发展的一个新增长点。

作者采用木浆纤维、粘胶纤维和聚乙烯/聚丙烯双组分纤维(ES纤维)为原料，以木浆/粘胶纤维配比、粘胶纤维长度、ES纤维长度为因素设计正交实验方案，利用湿法成网非织造工艺制备可冲散非织造材料。一方面，可以尝试将传统的造纸技术融入到湿法成网非织造工艺中来；另一方面，通过实验分析摸索出较佳的工艺参数，为可冲散湿巾的批量化生产提供技术指导，为新一代绿色环保卫生产品的研发开创新的路径。

1　实验

1.1原料

普通粘胶纤维：62mm×2.78dtex，常熟市红星毛纺化工有限公司产；木浆短纤维：山东道欣新材料有限公司产；ES纤维：38mm×3.33dtex，熔点为130 ℃，海宁新能纺织有限公司产。

1.2设备与仪器

湿法成网设备：南通大学自制；810WBD型电热恒温鼓风干燥箱：海门市恒昌仪器厂制；TDY71- 45A型热压机：天津市天锻液压有限公司制；YG(B)141D型数字式织物厚度仪：温州大荣纺织仪器有限公司制；TT500型电子分析天平：赛多利思科学仪器有限公司制；MODELYG065型电子织物强力仪：莱州市电子仪器有限公司制；CSIRO-FAST型织物风格仪：澳大利亚科学与工业研究机构制；THZ-82型水浴恒温振荡器：金坛市荣华仪器制造有限公司制。

1.3可冲散非织造材料的制备

(1)正交实验方案

采用粘胶纤维、木浆纤维以及ES纤维制备面密度为50～60g/m2，ES纤维质量分数为5%的可冲散非织造材料，设计3因素3水平的正交实验方案，以木浆纤维/粘胶纤维质量比(A)、粘胶纤维的长度(B)、ES纤维的长度(C)为因素，实验设计方案见表1，表2。

表1　正交实验因素水平表

表2　正交实验L9(34)

(2)制备工艺与流程

可冲散湿法成网非织造材料的制备步骤为：原料准备、打浆、称重混合、搅拌、湿法成网、热风加固，得到可冲散非织造材料。

按照正交设计方案，将粘胶纤维和ES纤维剪成相应规格，用电子天平称取正交设计方案配比要求的纤维，并将称量好的木浆纤维浸泡水中1h；然后将浸泡好的木浆纤维放入搅拌机，搅拌打浆2min，使木浆纤维均匀地分散在水中；将打完浆的木浆纤维和裁剪好的粘胶纤维及ES纤维均匀混合后注入盛有水的料桶中，并用玻璃棒按照“W”型进行搅拌，防止纤维沉淀；将均匀混合之后的浆料注入湿法成网装备，使用挤压板上下震荡后，及时快速排除水分，在水压的作用下纤维在成形网上成网，再将试样挤压去除部分水分后从设备成形网上取下静置干燥；将静置干燥后的试样置于140 ℃的烘箱中，使ES纤维熔融，并进一步排除试样中的水分；将试样从烘箱中取出，使用热压机进行热轧，使材料表面更为平整，其中温度设定为40 ℃，压力为8MPa，时间为2s。正交实验序号1～9得到的非织造材料试样相应标记为1#～9#试样。

1.4分析与测试

面密度：按照GB/T24218.1—2009，裁取规定尺寸的试样测定其质量，折合成每平方米的质量，即面密度。

厚度：是指在承受规定压力下织物两表面间的距离。按照GB/T24218.2—2009，将织物放置在水平基准板上，另一平行于基准板的压脚以规定压力施加在试样上，两块板间的垂直距离即为织物的厚度。

均匀性：非织造材料的均匀性指产品各处的厚薄一致、面密度稳定、透气性基本一致。试样的均匀性可用试样的厚度、面密度的变异系数(CV)来表示，其中厚度的变异系数标记为CV1，面密度的变异系数标记为CV2。

CV=S/R

(1)

式中：R为厚度或面密度的数据平均值；S为厚度或面密度的标准偏差。

断裂强力：干态下的断裂强力测试按照GB/T24218.3—2010，将规定尺寸的试样以恒定伸长速率拉伸至断裂，记录断裂强力；湿态下断裂强力测试按照GB/T465.2—1989，将试样弯成环状置入水中5min，取出后用木浆纸吸收试样表面水滴。将试样一端夹紧在上夹钳中心位置，另一端放入下夹钳中心位置，并在预加张力作用下伸直，再紧固下夹钳，启动直至试样拉伸断裂。

吸水性：吸水性是考核该类产品的一项重要指标，可用吸水率(Q)来表征。按照GB/T1540—2002 ，称取试样质量(M1)，用量杯盛满1 000mL水，将试样完全浸入液面以下，60s后取出，无张力垂直悬挂，滴水120s后称重作为吸水后的质量(M2)，按式(2)计算Q：

Q=[(M2-M1)/M1]×100%

(2)

柔软度：非织造材料的弯曲刚柔性包括抗弯刚度(F)和柔软度两方面的内容。抗弯刚度是指非织造材料抵抗弯曲变形的能力，而柔软度则刚好相反，是指在外力作用下产生弯曲变形的能力。实验采用斜面法测试柔软度，即先测量出弯曲长度(L)，再通过公式计算F，并将F作为评价柔软性的指标。按照GB/T 18318—2001测试，将条状试样平放在测量平面上，然后缓慢向前推移，使试样一端逐渐脱离平面支托呈悬臂状，受试样本身重力作用，当试样一端下弯到与41.5°斜面相接触时，隔断光路，此时试样伸出支托面的长度为L，由此可计算出F，作为试样柔软度的指标。

F=9.81×10-8WL3

(3)

式中：W为试样单位面积质量。

冲散性：以水流冲击作用下产品在水中的分散情况来表征可冲散性能的好坏。将试样放在含有300 mL蒸馏水的500 mL烧杯中，用保鲜膜封住杯口，并用橡皮筋固定住保鲜膜和烧杯，放在水浴恒温振荡器中，在温度为35 ℃和标准大气压的条件下，以500次/min的频率振荡3 min[5]，并在3 min后观测试样在水中的形态变化并拍照记录。

2　结果与分析

2.1均匀性

由表3可以看出：4#试样的面密度和厚度的CV值都很大，说明4#试样的均匀性最差，这是因为4#试样制备条件是木浆/粘胶质量比为65/30、粘胶纤维长度为10 mm、ES纤维长度为7 mm，当湿法成网的纤维长度比较长时，纤维之间容易缠结，造成厚薄不一的现象；反之，3#试样的面密度和厚度的CV值都较小，说明3#试样的均匀性最好，这是因为3#试样制备条件是木浆/粘胶质量比为75/20、粘胶纤维长度为4 mm、ES纤维长度为4 mm，此时木浆纤维含量相对最多，使成形的纤网较为均匀，并且3#试样中纤维都比较短，纤维在成形的过程中不易相互粘结，故而该试样的均匀性最好。

表3　试样的均匀性

2.2断裂强力

根据表4和表5，在对影响干态断裂强力(干强)和湿态断裂强力(湿强)的因素进行极差分析时，可知因素A即粘胶和木浆的质量比对干强、湿强影响最大，其次是因素C即ES纤维的长度，最后是因素B即粘胶纤维的长度。由表4还可知，当因素A取“2”水平，因素B取“3”水平，因素C取“3”水平，即可得干强最优组合A2B3C3：木浆/粘胶质量比为65/30，粘胶纤维长4 mm，ES纤维长4 mm。由表5还可知，当因素A取“2”水平，因素B取“3”水平，因素C取“1”水平，即可得湿强最优组合A2B3C1：木浆/粘胶质量比为65/30，粘胶纤维长4 mm，ES纤维长10 mm。

表4　干态断裂强力极差分析

表5　湿态断裂强力极差分析

2.3吸水性

由表6可知，因素A即粘胶和木浆的质量比对吸水性的影响最大，其次是因素B即粘胶纤维的长度，最后是因素C即ES纤维的的长度。所制备的试样吸水率越大，湿巾产品的性能就越优异，根据面巾的标准每1 g重的产品其吸水量应当大于5 g。根据数据分析，所做的9块试样都满足其要求。当因素A取“3”水平，因素B取“3”水平，C因素取“3”水平，即可得到吸水性最优组合A3B3C3：木浆/粘胶质量比为55/40，粘胶纤维长4 mm，ES纤维长4 mm。

表6　吸水率极差分析

2.4柔软性

由表7可知，因素A即粘胶和木浆的质量比对弯曲刚度的影响最大，其次是因素C即ES纤维的长度，最后是因素B即粘胶纤维的长度。粘胶的含量越高，纤维的柔软度就越好，所制备的试样F越大，产品的柔软性越差，产品的手感越差。因此，因素A取“3”水平，因素B取“3”水平，因素C取“1”水平，即可得柔软度最优组合A3B3C1：木浆/粘胶质量比为55/40，粘胶纤维长4 mm，ES纤维长10 mm。

表7　F极差分析

2.5可冲散性能

将经过恒温振荡器处理之后的9个试样拍照，通过主观分析观察各个试样的分散情况，3#，6#，7#试样的分散性良好，1#，4#和9#试样有一定的分散性，但伴有沉淀，2#，5#，8#试样小块状物，分散性较差。性能良好的试样记为数值3，分散性一般记为数值2，分散性较差记为数值1，由此来进行分散性的极差分析，见表8。

表8　分散性极差分析

由表8可知，因素B即粘胶纤维的长度对分散性的影响最大，其次是因素C即ES纤维的长度，但是因素A即木浆纤维与粘胶纤维的质量比的极差为0，表示没有影响，这可能与自行定量不够准确及主观观察有关，但也表明配比对试样的影响较小。所制备的试样分散性数值越大，其分散性能越好，即材料的冲散性能越好。因此，因素A可取任意水平，因素B取“3”水平，因素C取“3”水平，即可得到分散性最优组合A1B3C3：粘胶纤维长4 mm，ES纤维长4 mm。

2.6可冲散非织造材料综合性能分析

通过对可冲散非织造材料均匀性、断裂强力、吸水性、柔软性和可冲散性能分析，根据正交实验结果，选择A3B3C3即木浆/粘胶质量比为55/40，粘胶纤维长4 mm，ES纤维长4 mm，得到的可冲散非织造材料的综合性能最佳，其可冲散性如图1所示，其厚度为0.38 mm，面密度56.13 g/m2，均匀性(CV值)0.08，干态断裂强力7.5 N，湿态断裂强力2.4 N，吸水率为953.63%(面巾标准应大于500%)，F为0.001 7 cN·cm。

图1　可冲散非织造材料在水中的分散形态Fig.1　Dispersion morphology of flushable nonwoven fabric in water

由图1可知，材料在恒温振荡器处理3 min后已经基本分散，在实际使用过后扔到马桶中并不会堵塞管道，所以基本符合可冲散定义。该材料的均匀性好、柔软性好、吸水性能佳，强力相对较低但是已有小幅度提高。这些性能已经基本达到可冲散材料的性能要求，所以该产品是一个合格的可冲散材料。

3　结论

a. 木浆/粘胶和/ES复合湿法非织造材料分散性的各影响因素中，粘胶纤维长度影响最大，且粘胶纤维越短，产品越容易分散。

b. 随着木浆纤维的比例增大，湿法成网可冲散非织造材料的柔软度下降、手感较差、湿强降低、吸水性能降低、综合性能降低。

c. 当湿法成网可冲散非织造材料中木浆纤维质量分数为55%，粘胶纤维质量分数为40%、长度为4 mm，ES纤维质量分数为5%、长度为10 mm时，断裂强力最大、柔软度最好。

d. 当湿法成网可冲散非织造材料中粘胶纤维长4 mm、ES纤维长4 mm时，均匀性良好、分散性最好。

[1]唐瑶.可冲散非织造材料的工艺及其分散机理的研究[D].上海:东华大学，2013.

Tang Yao. Study on the process and disintegration mechanism of flushable nonwovens[D]. Shanghai: Donghua University, 2013.

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Preparation and properties of flushable non-woven material

Chang Jingying, Li Suying, Zhang Xu, Yao Zichuan

(SchoolofTextiles,NantongUniversity,Nantong226019)

The orthogonal experiment was designed by using pulp fiber, viscose fiber and polyethylene/polypropylene/bicomponent (ES) fiber as raw material based on pulp/viscose ratio, viscose fiber length and ES fiber length factors. The flushable nonwoven material with the surface density of 50-60 g/m2was prepared by wet-laid process. The effects of the factors on the properties of nonwoven material were studied. The results showed that the shorter the viscose fiber was, the more easily the nonwoven material dispersed; the softness, water absorption and wet strength of the nonwoven material tended to decrease, the handle became worse and the comprehensive properties decreased as the proportion of pulp fiber was increased; the evenness of the nonwoven material was good and the flushability was maximized as the pulp fiber and ES fiber were both 4 mm in length; and the nonwoven material had the maximum breaking strength and the best softness as the pulp fiber accounted for 55%, the viscous fiber of 4 mm in length for 40% and ES fiber of 10 mm in length for 5%.

nonwoven material; wet-laid web; flushability; softness; water absorption

2015-11-25；修改稿收到日期：2016- 05-28。

常敬颖(1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向为非织造材料的研究与开发。E-mail：609033925@qq.com。

江苏省产学研联合创新资金项目(BY2014081-01)。

TQ342+.85

A

1001- 0041(2016)04- 0014- 05

*通讯联系人。E-mail：lisy@ntu.edu.cn。