黄麻复合床垫材料的制备及其性能

赖 艳,张得昆,刘可欣,陈 莉

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

床垫是人们日常生活中必不可少的一款家居类产品。随着人们生活水平的提高,人们对纺织品的功能性和舒适性要求也逐渐增多[1]。目前,市场上床垫种类多为弹簧床垫和棕榈床垫,这两种床垫都存在易虫蛀霉变等缺点。因此,研究新型的床垫材料具有市场前景。当今很多床垫使用天然植物纤维为原料,既实现植物原料的再生可持续发展,又营造了生态健康的舒适睡眠环境[2]。与化学纤维相比,天然植物纤维具有来源广、价格低、可再生、可降解等特点[3-5]。黄麻纤维产量大,价格是亚麻纤维的1/2,苎麻纤维的2/3,同样具有优良的抑菌、防霉、易降解等特性[6]。利用黄麻纤维性能优势制备复合材料,能更大程度提升其附加值[7]。

近年来,随着生态与环保意识的增强,黄麻纤维的开发利用成为研究的热点之一,文献[8-9]制备黄麻纤维复合材料,得出其在吸音降噪方面有独特优势而适合于做汽车内饰件;刘丽妍等[10]开发新型黄麻混织针织物,改善了黄麻手感；邓灿辉等[11]提出了目前黄麻材料在吸附应用中面临的主要问题及应用前景；李彭勃等[12]制备了黄麻茶叶滤纸，并探讨了其最佳工艺及应用条件；李俊涛等[13]制备了玄武岩/黄麻/聚乙烯复合材料,改善了黄麻增强聚乙烯复合材料之间的粘合性。还有学者在麻纤维及其复合材料的物理改性[14]、化学改性[15-16]等方面做了深入研究或全面论述。文献[17-18]利用涤纶、ES双组分纤维等制备了针刺复合材料,探讨了合理的针刺工艺。不过，利用黄麻纤维制备复合床垫材料的研究十分少。本文以黄麻纤维、三维卷曲中空涤纶纤维和ES双组分纤维为原料，通过非织造技术研发黄麻复合床垫材料,以开发新型床垫材料，丰富床垫的功能和种类。

1 实 验

1.1 原料及仪器

1.1.1 原料 黄麻纤维(平均直径110 μm,长度80～85 mm,青岛金岭沃国际贸易有限公司),三维卷曲中空涤纶纤维(6.7 dtex×65 mm,单孔,中空度为37.5%,南通罗莱化纤有限责任公司),ES双组分纤维(1.5 dtex×38 mm,江苏中石纤维股份有限公司)。

1.1.2 仪器 WL小型梳理针刺生产线(太仓市双凤非织造布设备有限公司),YG(B)216T型织物透湿量仪(温州大荣纺织仪器有限公司),YD141D型织物厚度仪(温州大荣纺织仪器有限公司),FA100A型电子天平(上海皓庄仪器公司),YG461L型全自动透气性能测试仪(莱州市电子仪器分公司),YG401C-13织物平磨仪(南通宏大实验仪器有限公司),YG(B)026D-500型电子织物强力机(温州大荣纺织仪器有限公司),JCM-5000型扫描电子显微镜(日本尼康公司)。

1.2 样品的制备

黄麻纤维和三维卷曲中空涤纶纤维以3种不同比例混合,并加入相同量的ES双组分纤维,通过不同的针刺密度和不同的热风烘燥温度、烘燥时间,设计四因素三水平的正交试验方案。正交设计水平表如表1所示,其中黄麻/三维卷曲中空涤纶/ES纤维配比为因素A，针刺密度为因素B，烘燥温度为因素C，烘燥时间为因素D。ES双组份纤维的熔点在130 ℃～170 ℃,因此设置烘燥温度130 ℃，150 ℃，170 ℃ 3个水平。经过前期多次实验,发现针刺密度在50 刺/cm2～150 刺/cm2范围时,各项性能较好,因此设置针刺密度50 刺/cm2，100 刺/cm2，150 刺/cm2等3个水平。产品的正交试验方案见表2。根据正交试验方案,采用干法非织造技术制备了9组床垫材料样品,每组样品设计的定量为685 g/m2。先将黄麻纤维、三维卷曲中空涤纶纤维,ES纤维按比例充分混合开松后,再经过梳理、铺网、针刺加固,利用热风粘合技术处理,最终得到黄麻复合床垫材料。

表 1 正交试验因素水平表

表 2 产品正交试验方案

1.3 性能测试

1.3.1 定量 根据GB/T 24218.1—2009《纺织品非织造布实验方法 第1部分:单位面积质量的测定》进行测试。每组取30 cm×30 cm的试样10块进行称量,求其平均值。

1.3.2 厚度测试 根据GB/T 24218—2009《纺织品非织造布测试方法 第2部分:厚度的测定》进行测试。每组取30 cm×30 cm的试样10块。试样为普通型非织造布,在压强为0.5 kPa加压10 s后,记录试样厚度,并求平均值。

1.3.3 透气性测试 根据GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测试》进行测试。每组取30 cm×30 cm的试样10块,并求平均值。试样透气面积为20 cm2,测试压差为200 Pa。

1.3.4 压缩性能测试 采用GB/T 24442.1—2009《纺织品 压缩性能的测定 第1部分:恒定法》进行测试。每组取试样10块,压脚面积100 mm2,轻压压力0.5 kPa,重压压力30 kPa。根据式(1),式(2)计算每个试样的压缩率C(%)、压缩弹性率R(%),保留两位小数。

(1)

(2)

1.3.5 拉伸性能测试 根据FZ/T 60005—1991《非织造布拉伸强力及断裂伸长的测定》进行测试。样品尺寸30 cm×5 cm,每组样品横向和纵向样品各5条,并计算出纵横向强力和伸长率的平均值。

1.3.6 耐磨性测试 采用GB/T 21196.3—2007《纺织品 马丁代尔法织物耐磨性的测试 第3部分:质量损失的测定 》进行测试。其中负荷压力为5.82 N(5949),试样直径为38 mm,初次摩擦为100次,往后每50次记一次数据,直至磨破。根据式(3)计算耐磨指数。

(3)

1.3.7 透湿性测试 采用GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分:蒸发法》进行测试。其中透湿杯内中倒入34 mL的水,放入测试仪器内1 h,试验箱相对湿度为50%,透湿杯内相对湿度为100%。测试并计算试样的透湿率、透湿度、透湿系数。

2 结果与分析

2.1 定量和厚度

每组样品定量及厚度的平均值见表3。由表3可计算出,9组床垫样品的定量平均值为685.74 g/m2,CV=1.04%,表明9组床垫样品定量整体相差不大,且与设计的定量相差不大,可用于其性能对比分析。对比表2和表3可知,在相同比例下,针刺密度越大厚度越小,说明针刺密度对厚度影响较大,这是因为针刺加固使纤维相互靠拢而被挤压,使原本蓬松的纤网结构变得更紧密[19],因此针刺密度越大厚度越小。纤维配比及热风烘燥的温度和时间对厚度也有一定影响,但都不如针刺密度的影响显著。因此,影响黄麻复合床垫材料厚度的主要因素是针刺密度,其它因素的影响不明显。

表 3 黄麻复合床垫材料的定量及厚度

2.2 透气性能、压缩性能及耐磨性能分析

床垫材料的透气性能、压缩回弹性能是反映其舒适性的重要指标,同时床垫在使用过程中表面不断受到磨擦作用,其耐磨性能是反映其耐用程度的重要指标。因此,以透气性、压缩性能和耐磨性能为评价指标,设计正交试验分析所制备的床垫材料性能。试样透气性、耐磨性、压缩性能测试结果见表4。正交试验结果见表5。

表 4 试样透气性、耐磨性、压缩性能测试结果

表 5 正交试验结果分析

2.2.1 透气性能 由表4可以看出,在相同针刺密度下,随着黄麻含量的增加,透气率也随之增加,这是因为黄麻纤维较硬挺,横截面为不规则的多角形,不易缠结,使产品内部间隙较多,提高了透气性;同种配比的样品随着针刺密度的增加,透气率降低,原因是针刺将纤维更好地缠结在一起,并使纤维间的孔隙减小,从而导致透气率减小。正交试验结果分析见表5。根据表5可知,针刺密度对产品透气性能影响较大,其次是纤维原料配比；相比之下,烘燥温度和时间对产品透气性能虽有影响但不显著,透气率最优的工艺参数组合是A3B1C3D1。透气性是床垫材料的重要性能指标之一,通过实验结果可知增加黄麻纤维含量、降低针刺密度可提高其透气性能。2.2.2 压缩性能 由表4可以看出,烘燥温度较低时压缩率较大。烘燥时间较短但温度较高的产品与烘燥时间较长但温度较低的产品压缩率相近。这是由于温度较低时ES纤维熔融不充分,产品内部的结点黏结不紧密,较易压缩,而高温下ES纤维熔融较完全,黏合较好,产品内部结构更紧密,不易压缩,压缩率较低。当烘燥温度在130 ℃时,随着黄麻含量的增加,压缩率降低；当烘燥温度升高后,随着黄麻含量的增加,压缩率相差不大。这是因为温度较低时ES纤维熔融不完全,产品内部没有形成稳定的三维网络结构,而且黄麻纤维硬挺,纤维卷曲少,随着黄麻纤维的增加,产品的压缩率降低。当温度较高时,ES纤维熔融较完全,产品内部形成了稳定的三维结构,其压缩率主要与形成的三维结构有关,而与黄麻含量关系不大。

由表4还可以看出,2，3，5号样品的压缩弹性率较高。其工艺特点一种是三维卷曲中空涤纶纤维的比例中等偏高,烘燥温度高;另一种是烘燥温度适中、三维卷曲中空涤纶纤维的比例高。因此,压缩弹性率与烘燥温度和纤维比例有很显著的关系,烘燥温度高,黄麻纤维含量少的产品压缩回弹率较高。这是因为在较高温度下,熔融的ES纤维能很好地黏附在纤维的交接处,形成稳固的三维结构,在压缩后能更好地回弹;而三维卷曲中空涤纶纤维本身具有卷曲性,在产品内部起到很好的弹性作用,即使烘燥温度不高时,仍能达到较高的回弹性能。在相同温度下,随着黄麻纤维含量的增加,压缩弹性率降低,这是因为黄麻纤维的弹性较差,黄麻纤维增多,其相应的回弹性也降低。

为了更进一步分析试样的压缩回弹性能,对9组床垫材料中压缩回弹性最好的样品(试样2)进行了长时间连续压缩性能测试。重压时间为10 s,每20 s进行一次压缩和恢复过程,连续压缩30 h,共进行约5 400次压缩恢复。测试其厚度、压缩率和压缩弹性率分别为5.97 mm,23.46%和91.43%。与长时间连续压缩之前相比,试样的厚度、压缩率和压缩弹性率都有不同程度的下降,但下降都不大。表明经过长时间连续多次压缩后,样品还具有良好的压缩回弹性。

从表5还可以看出,烘燥温度对压缩回弹性影响最为显著,其次是纤维配比,针刺密度和烘燥时间对其的影响都较小。对于压缩回弹性,最优的工艺参数组合为A1B1C3D2,即黄麻/三维卷曲中空涤纶/ES纤维的比例为30/50/20,针刺密度为50 刺/cm2,烘燥温度为170 ℃,烘燥时间为6.5 min时,压缩回弹性最好。从表3和表4可知,不同的工艺参数对产品的厚度影响较大,而样品的压缩性能不仅和纤维配比、加工工艺参数相关,还与样品的厚度有一定的关系,而厚度又跟纤维配比及加工参数是直接相关的。因此，厚度对样品压缩性能影响是比较复杂的,同时也受到其它因素的交互影响,合理的纤维配比及加工工艺参数可使得产品具有最优的压缩性能。

2.2.3 耐磨性能 根据表4，5可知,样品3和样品9的耐磨指数明显高于其它样品,其工艺特点是针刺密度和温度都较高,说明较大的针刺密度和较高的烘燥温度有利于提高其耐磨性能。原因是烘燥温度越高,ES纤维熔融的越充分,纤维结点粘结越紧密,耐磨性能越好;针刺密度越大,纤维间缠结更紧密,形成稳定的三维结构,提高了耐磨性能。从表5中还可知,对于耐磨性,最优工艺参数组合为A1B3C3D3。烘燥温度对耐磨性影响最为显著,针刺密度次之,纤维配比和烘燥时间对耐磨性影响不大,表明黄麻纤维含量增加并未降低产品的耐磨性,合理的工艺参数和纤维配置能够弥补黄麻纤维耐磨性差的缺陷。

2.3 床垫材料的拉伸性能

9组床垫材料的拉伸断裂强力和伸长率如表6所示。由表6可以看出,各试样的纵横向强力均随着针刺密度的增加而增大。可见针刺密度对断裂强力具有明显影响,这是因为针刺密度越大纤维间缠结效果越好。表6还可以看出各试样的横向断裂强力均大于纵向；横向断裂伸长率均小于纵向,这是因为经过交叉铺网后纤维网中大部分纤维长度方向与横向形成的夹角较小,因此样品的横向强力大而伸长小。

表 6 床垫材料的拉伸断裂强力和伸长率

在针刺密度相同的条件下,随着黄麻纤维比例的增加,断裂强力有降低的趋势,但不显著,说明黄麻纤维虽然表面光滑、卷曲少、抱合力差,但在加入了ES双组分热熔纤维及合理的工艺条件下,黄麻纤维可以与其它纤维之间产生较好的粘结作用,克服了黄麻纤维抱合力差的不足,提高了黄麻针刺复合材料的强力。

2.4 床垫材料的透湿性能

9组床垫材料的透湿率、透湿度及透湿系数如表7所示。由表7中可知,9组样品的透湿性能数据有一定的差异,但变化不大。产品具有良好的透湿性能。

表 7 床垫材料的透湿数据

床垫材料的压缩回弹性能是其关键的指标,其次拉伸性能、透气、透湿性能等也是床垫材料的重要指标。根据正交试验,并考虑各性能指标对床垫材料的综合影响,得出影响黄麻复合床垫材料性能的主要因素依次为烘燥温度、纤维配比、针刺密度、烘燥时间；最优的工艺参数为黄麻/三维卷曲中空涤纶/ES纤维的比例30/50/20,针刺密度50 刺/cm2,烘燥温度170 ℃,烘燥时间6.5 min。

2.5 黄麻复合床垫材料的结构特征

利用扫描电子显微镜对最优工艺方案下黄麻复合床垫材料的表面和截面结构形态进行观察,图1为试样表面和横截面不同放大倍数下的电镜照片。

(a) 试样表面结构(200倍)

(b) 试样表面结构(50倍)

(c) 试样横截面结构(200倍)

从图1可以明显地观察到床垫材料中组成的3种纤维成分,有沟槽的是黄麻纤维,较粗、有单孔的是三维卷曲中空涤纶纤维,较细、表面有熔融的是ES纤维。由图1中可以看出,无论表面还是横截面,纤维在试样中各个方向都是随机均匀分布的,随机三维分布的纤维将材料内部空间分割为无数个密集分布的孔隙;同时还可以看到ES纤维与三维卷曲中空涤纶纤维、黄麻纤维形成了点状结构,形成了三维网状结构。这种纤维交叉点上发生的点黏合使三维分布的纤维网络状结构比较稳定,使得产品具有了良好的压缩性能和通透性能。

3 结 论

(1) 利用黄麻、三维卷曲中空涤纶纤维和ES双组分纤维通过非织造技术加工出了性能良好的黄麻复合床垫材料。影响其性能的主要因素依次为烘燥温度、纤维配比、针刺密度、烘燥时间；最优的工艺参数为黄麻/三维卷曲中空涤纶/ES纤维的比例30/50/20,针刺密度50 刺/cm2,烘燥温度170 ℃,烘燥时间6.5 min。

(2) 黄麻复合床垫材料的压缩弹性率与烘燥温度和纤维比例有显著关系。在一定的范围内烘燥温度的提高有利于压缩弹性率的增加;在烘燥温度相同的条件下随着黄麻纤维含量的增加,三维中空涤纶的减少,其压缩弹性率降低。

(3) 烘燥温度对产品耐磨性影响最为显著,针刺密度次之,较高的烘燥温度和针刺密度有利于提高产品的耐磨性能;纤维配比对耐磨性影响不大,黄麻纤维含量的增加并没有明显降低产品的耐磨性。合理的工艺参数和纤维配置能够弥补黄麻纤维耐磨性差的缺陷。黄麻纤维的增加和针刺密度的降低可以提高产品的透气性能。