超短废弃羊毛纤维湿法非织造布的制备

李 艳,张得昆

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着我国经济的高速发展,以资源、能源消耗为主的工业发展迅速,然而高耗能、高污染产业的发展带来了严重的环境污染问题[1].因此,人们越来越关注于解决工业化生产所带来的环境污染问题[2].废弃羊毛纺织品的来源包括[3]:来自纺纱、织造和成品生产加工的各道工序;来自废旧的纺织品[4].殷强锋等[5]用化学降解法将废弃羊毛分解成多肽,充分利用了蛋白质资源.李闻欣等[6]在前者基础上用水解法从废弃羊毛中提取了宝贵的胱氨酸.彭路路等[7]用单因素法使废弃羊毛充分吸附水中六价铬离子,以废治废,实现经济和环境双赢.刘造芳等[8]用针刺法将山羊毛和其他纤维混合制备出性能较好的针刺地毯.刘可欣等[2]、阳叶等[9]用湿法非织造工艺分别将玄武岩纤维、玻璃纤维制成非织造产品,拓宽了二者的应用领域.钱程[10]、孙聆芳[11-12]、王中珍[13]、郑来久[14]用湿法非织造工艺分别将超短纯涤纶纤维、亚麻、黄麻、红麻制成非织造布,测试性能均优良.而利用湿法非织造生产方法将废弃羊毛制成非织造布的研究和报道罕见.

湿法非织造布是把分散、打浆过的纤维经过沉积、滤水等工艺制成纤维网,经烘干等一系列生产工艺,加工而成的一种纸状的非织造布,具有成本低、生产工艺流程短,生产效率高等特点[15-16].可用于食品工业用滤材、医疗卫生、过滤行业等[17].超短废弃羊毛在长度上符合湿法非织造工艺的要求,所用纤维特征也符合湿法对原料的要求,所以文中尝试用湿法非织造生产技术将超短废弃羊毛制成非织造布,不仅可以节约宝贵的羊毛资源,还能物尽其用、解决污染环境问题.

1 实 验

1.1 材料、试剂及仪器

1.1.1 材料 超短废弃羊毛纤维(长度1～4 mm左右,直径18 μm,来源于纺织羊毛品加工过程中产生的飞花、落花、超短纤维).

1.1.2 试剂 分散剂(聚氧化乙烯,分子量800万,质量分数0.1%);增稠剂(羧甲基纤维素钠,质量分数0.5%);稀盐酸(调节pH值为3);黏合剂(聚乙烯醇,质量分数1%，2%，3%，4%,50 mL).

1.1.3 仪器 902201型湿法纤网快速成型仪(德国HG公司);202-3A型烘箱(中国莱州市电子仪器有限公司)；BG-200A电子天平(上海精密科学仪器有限公司)；YG141D式织物厚度仪(温州方圆仪器有限公司);YG4612型全自动透气性能测试剂(莱州市电子仪器有限公司)；YG026D-1000电子强力机(温州方圆仪器有限公司)；PSMH65孔径仪(德国TOPAS公司).

表 1 正交试验因素水平表Table 1 Orthogonal test factor level

1.2 制备

1.2.1 纤维悬浮液最优方案的确定 纤维悬浮液的制备是非织造湿法加工过程中最关键的工艺环节,而悬浮液中纤维的均匀分散又是悬浮液制备的关键因素．采用正交试验[18]确定悬浮液的最佳方案.分散剂、增稠剂、pH值是影响超短废弃羊毛纤维悬浮液的重要因素,因此以其为三因素,每个因素设置3个水平,设计正交试验，方案见表1.

1.2.2 超短废弃羊毛纤维湿法非织造布的制备 利用正交试验得出的最优方案来配置纤维悬浮液.取1 L的去离子水于容器中,加入2 mL质量分数为0.1%的聚氧乙烯溶液和1 mL质量分数为0.5%的羧甲基纤维素钠溶液,用玻璃棒搅拌使其在容器中与去离子水充分混合.然后称量处理好的超短废弃羊毛3 g,加入容器中,用玻璃棒搅拌使其充分润湿,最后用稀盐酸调节悬浮液的pH值至4,悬浮液配置完成.在湿法纤网快速成型仪上制备纤维网,手动操作表盘完成操作,然后对形成的多个纤维网进行不同浓度黏合剂的粘合,烘干(80 ℃,1.5 h)得到湿法非织造布样品黏合剂质量分数1%，2%，3%，4%时所得样品分别为D1,D2,D3,D4.

1.3 性能测试

1.3.1 表观质量测试 根据GB/T24218.1—2009纺织品 非织造布试验方法第1部分：单位面积质量的测定,在电子天平上测试不同质量分数黏合剂所得样品的平方米克重，样品直径为200 mm.

根据GB/T24218.2—2009纺织品 非织造布试验方法第2部分:厚度的测定，在厚度仪上测定不同质量分数黏合剂所得样品的厚度，样品直径为200 mm的样品.每组测量10组数据,求平均值.

表 2 因素水平正交试验数据处理Table 2 Factor horizontal orthogonal experimental data processing

表 3 极差分析表Table 3 Range analysis

1.3.2 透气性测试 根据GB/T5453—1997纺织品 织物透气性的测定,分别测试10块不同质量分数黏合剂所得样品的透气率,样品直径为200 mm,求平均值.

1.3.3 拉伸强力及伸长率测定 根据FZ/T60005—1991非织造布断裂强力及断裂伸长的测定,测试不同质量分数黏合剂所得样品的拉伸性能,试样尺寸为50 mm×200 mm.设置强力机的夹持距离为 100 mm,拉伸速度为 100 mm/min,求平均值.

1.3.4 孔径测定 根据ASTME1294—89,测定不同黏合剂质量分数下半径为1 cm的圆形试样的孔径.在计算机上按流程冒泡点→湿态流动→干态流动完成测试.

2 结果与讨论

2.1 纤维悬浮液最佳方案的确定

评价纤维悬浮液分散效果主要依靠产品观察法、悬浮液观察法、沉降时间法3种方法,其中沉降时间法因简便、易于判断而被广泛使用[19],因此本文采用此种方法.纤维沉降时间越长,说明纤维絮聚情况越少,纤维分散性越好[20],越有利于均匀成网.

表2为因素水平正交试验数据处理,表3为极差分析表.极差R的大小反应相应因素作用的大小．极差越大,说明该因素的变化对指标所造成的影响较大,为主要因素;反之，则为次要因素[19]．从表3可以看出,极差TA>TC>TB,因此分散剂的浓度为影响悬浮液分散性的主要因素,pH值为较次要因素,增稠剂的浓度为次要因素.产品的最佳工艺组合方案为A3B1C2,即分散剂聚氧乙烯质量分数为0.1%,增稠剂羧甲基纤维素钠质量分数为0.5%,pH值为4.

图1为未加任何助剂的羊毛纤维悬浮液即空白方案和最优方案配置的悬浮液对比图.可以看出空白方案纤维分散不均匀,互相缠结,分散性差;最优方案纤维分散成了单根状态,之间无任何纠缠且相互交织成网状态,分散性极好.

2.2 超短废弃羊毛纤维湿法非织造布的性能测试

2.2.1 表观质量测试 测试数据见表4.由表4可以看出,随着黏合剂质量分数的增加,产品的平方米克重增加,但增加幅度不大．这是由于在喷洒等量黏合剂的情况下,黏合剂质量分数越大,产品的质量越大,随之克重增大．

随着黏合剂质量分数的增加,产品的厚度先增大后减小,但整体相对于D1来说是增大的．一般情况下黏合剂质量分数越大,纤网之间黏结力越大,纤网越紧密,从而厚度会减小．D1厚度最小,可能是由于黏合剂质量分数太低,对纤维粘合不好,部分纤维被粘在了烘燥板上,造成样品厚度偏薄．随着黏合剂质量分数增大,厚度逐渐减小．

2.2.2 透气性能 由表4可以看出, 随着黏合剂质量分数增大, 试样的透气率整体在减小.一般情况下, 纤网越紧密,透气性越差,透气率也越来越小.而当黏合剂质量分数为3%, 4%时,两者的透气率差不多甚至质量分数为4%的更大一些, 这是因为在黏合剂质量分数为3%左右时, 对纤网来说黏合剂质量分数和用量已趋于饱和, 当黏合剂质量分数再增大时,对纤网的影响并不明显, 所以会出现二者透气率差不多的现象.

(a) 空白(正) (b) 最优 (正) (c) 空白(侧) (d) 最优(侧)图 1 空白方案与最优方案对比Fig.1 The comparison between the dispersion of blank scheme and the optimal scheme

试样平方米克重/(g·m-2)厚度/mm透气率/(mm·s-1)拉伸强力/N伸长率/% D1106.451.052 66329.93.9 D2112.181.742 52636.84.0 D3126.681.672 00748.25.3 D4140.531.392 01956.65.7

表 5 孔径测量结果Table 5 The results of aperture measurement μm

2.2.3 拉伸性能 由表4可以看出随着黏合剂质量分数的增大,拉伸强力也随之增大． 这是因为黏合剂质量分数越大, 纤网之间的黏结力越大, 纤网拉伸强力也就越大． 另外还可看出伸长率的变化与拉伸强力的变化一致, 但是变化范围很小.

2.2.4 孔径 测试数据如表5所示.由表5可以看出不同黏合剂质量分数试样的冒泡点, 产品D1的冒泡点最大.平均流量孔径、 中值孔径、 模态孔径均随着黏合剂质量分数的增大而减小.主要是因为随着黏合剂质量分数的增大, 织物越来越紧密, 孔径会逐渐减小.标准差由大到小为D1>D4>D3>D2,当黏合剂质量分数为2%时, 孔径分布最集中, 说明试样的大多数孔径值与平均值最接近; 当黏合剂质量分数为1%及4%时,孔径分布最分散,说明试样的大多数孔径值与平均值相差很大.

3 结 论

(1) 利用湿法非织造工艺,可制成性能优良的超短废弃羊毛非织造布.既废物利用,又避免了污染环境,还降低了成本.

(2) 通过设计正交试验,得出影响悬浮液分散性的主要因素依次是分散剂的质量分数、pH值、增稠剂的浓度.配置纤维悬浮液最佳方案为：分散剂聚氧乙烯质量分数0.1%,增稠剂CMC-Na质量分数0.5%,pH为4.

(3) 性能测试结果显示,平方米克重、拉伸强力、伸长率随着黏合剂质量浓度的增大而增大;厚度、透气率、模态孔径随其增大而减小.