全棉水刺擦拭材料的力学性能研究

刘丽娟 徐熊耀 吴海波

1. 东华大学纺织学院，上海 201620；2. 浙江王金非织造布有限公司，浙江 湖州 313104

擦拭材料作为日常生活中必不可少的清洁用品，涉及到日常生活的方方面面。随着非织造产业的快速发展，水刺擦拭材料以其高产量、低成本的特点占据了主要市场[1-3]。全棉水刺擦拭材料具有良好的吸液性能，以及柔软度好、不易掉毛、安全卫生、生物相容性良好等特点，被广泛应用于个人护理、家庭清洁、工业清洁、医疗卫生等领域[4]。其中，当全棉水刺擦拭材料用于精密仪器的擦拭，以及作为医用擦拭布使用时，应避免在擦拭过程中出现纤维的断裂与脱落，以免对仪器及伤口造成二次污染。因此，对全棉水刺擦拭材料的力学性能提出了较高的要求[5]。

本文将采用先漂后刺的工艺，使用平纹托网帘制备面密度分别为30、40、50、60、70 g/m2的平纹水刺非织造材料，以及22、12、6目的托网帘制备面密度为50 g/m2的网目水刺非织造材料，研究材料的力学性能，以期为擦拭材料的使用和选择提供一定的数据支撑。

1 试验部分

1.1 原料

试验使用的棉纤维是新疆长绒棉。原棉因含有大量的杂质和伴生物质，故需先进行脱脂处理。表1为使用USTER HVI1000棉纤维测试系统测得的原棉、脱脂棉及梳理棉的各项物理及力学指标。

表1 棉纤维的各项物理及力学指标

1.2 设备及工艺参数

使用单锡林双道夫梳理机进行纤网的制备[6]。脱脂棉纤维手感偏硬，纤维间摩擦力大，因此对梳理工艺提出了较高的要求。各梳理元件的工艺参数见表2。

表2 梳理元件的工艺参数 (m/min)

使用Auftrags Nr.T6616型水刺机并结合不同的托网帘(平纹及22、12、6目)对纤网进行水刺加固，制备平纹水刺非织造材料和网目水刺非织造材料。其中，为增强后续的水刺效果，纤网先进行预水刺，以排出纤网中的空气，使纤网能更好地吸收水针能量[7]。此外，为使网目水刺非织造材料的网孔较平纹水刺非织造材料更加清晰，可适当增大每一道水刺的压力。设置水针距离为15.0 mm，输网帘速度为3.00 m/min，水刺过程中水针压力配置如表3所示。

表3 水针压力配置 (MPa)

1.3 性能测试

1.3.1 单纤维抽拔力

使用XQ-2型单纤维强力仪测试制备的水刺非织造材料的单纤维抽拔力。水刺非织造材料裁剪成20.0 mm×40.0 mm的试样，然后如图1所示，一端固定，另一端进行单纤维抽拔力测试。仪器拉伸速度设置为10 mm/min。每块试样抽拔50根纤维，测试结果取5块试样的平均值[8-9]。

图1 单纤维抽拔力测试示意

1.3.2 束纤维勾取性能

擦拭材料使用时，接触物表面的尖锐物体会对其中的纤维产生一定的勾取作用，这往往会造成束纤维发生位移甚至被抽出。

使用YG(B)026h型医用纺织品多功能强力仪，模拟并测试水刺非织造材料中束纤维被勾取而产生的勾取力。拉伸速度设置为100 mm/min，且为了保证结果的准确性，适当增大了勾取面积(1.0 mm×1.0 mm)。每块试样测试20次，测试结果取5块试样的平均值。

1.3.3 拉伸断裂强力

依据GB/T 24218.3—2010《纺织品 非织造布试验方法 第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法) 》标准，使用YG026MB型多功能织物强力仪对水刺非织造材料进行拉伸断裂强力的测试。试样大小取50.0 mm×200.0 mm，夹持距离为100.0 mm，拉伸速度为100 mm/min，预加张力为1.00 N。测试结果取5块试样的平均值。

1.3.4 弯曲性能

依据GB/T 18318. 1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1 部分：斜面法》标准，使用LLY-01型电子织物硬挺仪测试水刺非织造材料的弯曲性能。试样大小取25.0 mm×250.0 mm，压板推进速度为4 mm/s，角度为41.5°。试样放置于试样台上，仪器启动后，压板带动试样向前推进，试样在重力作用下自然弯曲下垂，当试样遮盖住检测线时仪器自动停止并将试样反推至初始位置，同时仪器显示试样的弯曲长度。再根据弯曲长度计算试样的抗弯刚度：

G=m×C3×10-3

(1)

式中：G——试样的抗弯刚度，mN·cm；

m——试样的面密度，g/m2；

C——试样的平均弯曲长度，cm。

2 结果与讨论

2.1 单纤维抽拔力对全棉水刺擦拭材料力学性能的影响

水刺非织造材料的拉伸断裂强力主要由断裂截面处纤维的断裂强力和抽拔力决定。理想状态下，水刺非织造材料的拉伸断裂强力：

F=∑f1+∑f2

(2)

式中：F——材料拉伸断裂强力，cN；

f1——单纤维断裂强力，cN；

f2——单纤维抽拔力，cN。

其中，单纤维抽拔力的大小可以反映纤维在水刺非织造材料中的缠结情况，从而影响材料的拉伸断裂强力。一般情况下，单纤维抽拔力越大，则纤维缠结越紧密，使用过程越不易发生脱落。材料的拉伸断裂强力也与单纤维抽拔力呈正相关。当单纤维抽拔力大于单纤维断裂强力时，纤维即发生断裂，其不能完全被抽拔出。利用XQ-2型单纤维强力仪获得的载荷-伸长率曲线表征单纤维抽拔力。图2以面密度为50 g/m2的平纹水刺非织造材料为例展示了其中3根单纤维在抽拔过程中的力学特征。

图2 单纤维抽拔力曲线(面密度为50 g/m2的 平纹水刺非织造材料)

从图2可以看出，单根棉纤维从水刺非织造材料中抽取时存在3种情况：

(1) 曲线1中单纤维发生了断裂。棉纤维受水针作用相互缠结紧密，并形成了缠结点，且缠结点的强力大于单根棉纤维的断裂强力。此时，单纤维抽拔力即为棉纤维的断裂强力。

(2) 曲线2中存在多个峰值。原因在于单纤维在水刺过程中受多个水针的冲击，发生了多次缠结。抽拔时，单纤维需从多个缠结点逐渐抽离，直至最终完全抽拔出或发生断裂。

(3) 曲线3整体呈缓慢上升和波动的趋势。原因在于单纤维的抽拔过程主要是在克服纤维之间的摩擦阻力。可通过增加梳理杂乱度或使用交叉铺网的方式减少曲线3出现的概率。

进行单纤维抽拔力测试的同时，记录下被抽取的纤维是否处于被拉断状态，再通过计算断纤维百分数和纤维强力利用率进一步判断纤网中纤维缠结的紧密度：

(3)

(4)

图3反映了不同面密度平纹水刺非织造材料中单纤维抽拔力分布状况。表4归纳了不同面密度平纹水刺非织造材料的厚度及力学性能。

(a) 30 g/m2

(b)40 g/m2

(c) 50 g/m2

(d) 60 g/m2

(e) 70 g/m2图3 不同面密度平纹水刺非织造材料中 单纤维抽拔力分布

表4 不同面密度平纹水刺非织造材料的厚度及力学性能

从图3和表4可以得出：(1)单纤维抽拔力具有一定的离散性，整体上符合正态分布，这表明测试选取的纤维符合要求，测试结果可以反映单纤维在纤网中的缠结情况。(2)单纤维抽拔力与材料的面密度有关。材料的面密度越大，则单纤维抽拔力越大。原因在于，在水针能量相同的情况下，面密度增大，则水针会携带更多数量的纤维发生紧密缠结；同时，根据悬臂梁模型和简支梁模型[10]，材料厚度增加，则纤维随水针运动的位移增大，缠结作用增强，故单纤维抽拔时需克服更大的缠结点强力。(3)单纤维抽拔力越大，则纤维强力利用率越高，材料拉伸断裂强力越大。

2.2 面密度对全棉水刺擦拭材料力学性能的影响

继续以平纹水刺非织造材料为例，研究面密度对全棉水刺擦拭材料力学性能的影响。

由表4可知，随着面密度的增加，材料单位体积内纤维间形成了更多的缠结点：(1)单纤维抽拔力逐渐增加并趋向于单纤维断裂强力(4.83 cN)。(2)束纤维勾取力和材料拉伸断裂强力也随之增大。(3)材料的厚度及抗弯刚度随之增加，材料柔软度下降。其中，当材料面密度增加到70 g/m2时，柔软度下降严重，可通过后整理改善材料的柔软性。

2.3 网目结构对全棉水刺非织造材料力学性能的影响

图4为使用JSM-5600 LV型扫描电子显微镜观察到的面密度为50 g/m2平纹水刺非织造材料和网目水刺非织造材料的表面形态，可以看出平纹水刺非织造材料与网目水刺非织造材料的纤维排列有较大的差别：平纹水刺非织造材料中，纤维在各个方向上呈不规则排列[图4(a)]；网目水刺非织造材料中，网孔呈长圆形，纤维沿网孔发生曲折，并在网孔间堆积较紧密[图4(b)]，且网孔间纤维多以纤维束的形式缠结[图4(c)][11-14]，随着网孔直径的增大，网孔周围纤维间的缠结作用减弱，使用过程中纤维极易造成滑移，导致网孔发生变化[图4(d)]。

图4 平纹水刺非织造材料与网目水刺 非织造材料的表面形态

表5为面密度为50 g/m2的不同托网帘生产的水刺非织造材料的厚度及力学性能，可以看出：

(1) 22目水刺非织造材料的单纤维抽拔力最大，平纹水刺非织造材料次之，12目水刺非织造材料的单纤维抽拔力开始下降，6目水刺非织造材料的单纤维抽拔力较小。这是因为22目的结构有效改善了梳理过程中纤网纵横向的不匀，增大了纤维排列的各向异性，令缠结点更加紧密；随着网孔的增大，网孔间纤维缠结紧度增加，单纤维抽拔过程中断纤维百分数增加，同时网孔周围的纤维发生了较大的位移，缠结力较弱，故造成整体数据偏小。

(2) 束纤维勾取力受单纤维抽拔力影响较大，故22目水刺非织造材料的束纤维勾取力最大，平纹水刺非织造材料次之，12目水刺非织造材料的束纤维勾取力有所下降，但6目水刺非织造材料的束纤维勾取力又略有回升。

(3) 抗弯刚度方面，随着网孔直径的增大，柔软性能在下降。22目水刺非织造材料因孔径较小，加之水刺过程增加了棉纤维的各向排列异性，其柔软性最佳并优于平纹水刺非织造材料。6目水刺非织造材料厚度和抗弯刚度明显增大，这是孔径过大导致纤维堆积造成的，且网孔周围纤维滑移现象严重，故不适宜作为擦拭材料。

表5 不同托网帘生产的水刺非织造材料(面密度为50 g/m2)的厚度及力学性能

对比相同面密度的不同托网帘生产的水刺非织造材料的力学性能可得，22目水刺非织造材料更适合用作全棉水刺擦拭材料。

3 总结

(1) 单纤维抽拔力可以表征纤维的缠结效果。单纤维抽拔力越大，则纤维间的缠结越紧密，材料的拉伸断裂强力越大。

(2) 平纹水刺非织造材料随着面密度的增加，其力学性能得到提高，但柔软度下降，可利用网目结构改善其柔软度。

(3) 与相同面密度的平纹水刺非织造材料相比，22目水刺非织造材料具有更好的力学性能及柔软度，适合用作全棉水刺擦拭材料。