梯度结构的聚酯/粘胶热风非织造材料及液体非对称传输特性

张 恒，吕宏斌，车福生，侯 涛，张一风，章 伟

(1.中原工学院 纺织学院，郑州 451191；2.郑州纺机工程技术有限公司，郑州 451191；3.山西省纺织科学研究所，太原 030001；4.郑州豫力新材料科技有限公司，郑州 451191)

热风非织造材料是一种含有热塑性纤维的三维网状多孔材料，其结构蓬松、质地柔软、通透性好[1-2]，有利于流体的快速传导，因而在吸收性卫生用品(妇女卫生材料、婴儿纸尿裤等)、功能性敷料、过滤和分离等领域有广泛应用，是目前公认的经济、实用型多孔纤维材料[3]。其中，在吸收性卫生用品领域，热风非织造材料用于引导液体水平快速扩散，提高有效吸收面积，并减小液体回渗，保持干爽[4]。因此，热风非织造材料所具有的液体传输性能是决定应用范围和应用质量的关键参数，人们更希望液体能在热风非织造材料的上下两侧的水平扩散具有差异，进而获得液体快速传输特性的同时还具有一定的干爽舒适性。

已有研究表明，单一纤网结构很难实现液体在非织造材料上下层水平扩散的速度差异性，而运用纤维材料的功能性结构设计技术来诱导液体的定向传输手段，可有效增强液体在纤维材料内传输非对称性[5-7]。因此，两层或两层以上的多层纤网结构设计被提出，通过综合利用纤维材料的非织造成型技术，获得结构差异的多层级非织造材料，利用差动毛细效应和阶梯润湿原理实现液体在纤维材料内的非对称传输[8-9]。针对非织造材料的多层级结构与液体传输特性的研究，已成为新产品开发的突破点。

近几年，众多学者研究了液体在多层级纤维材料内的传输特性，Shou等[10-12]利用纤维材料的亲水梯度和孔隙梯度所具有的差动毛细效应来调控液体沿特定方向的传输速度，并阐明了差动毛细效应是液态水在纤维材料内的传输性能差异的核心。Li等[13]从实验的角度证明了基于差动毛细效应的多层级结构的非织造材料具有液体定向传输性能。王欢[14]则进一步研究了两层纤维结构的热风非织造材料的液体穿透速度，发现非对称分支状的差动毛细管结构可以调控液体在热风非织造材料的传输速度。上述研究都为液体传输用非织造材料的结构设计提供了研究基础，但是关于热风非织造材料的梯度结构设计的文献相对较少，同时纤维材料的结构千差万别，其应用领域对液体的传输特性要求也不尽相同。因此，本文从热风非织造材料的多层级梯度结构入手，尝试制备了具有梯度结构的热风非织造材料，分析其结构和液体传输特性，为医卫用非织造材料的高质化应用提供思路和实施案例。

1 材料及方法

1.1 结构设计原理

图1为聚酯/粘胶热风非织造材料的梯度结构设计图，“梯度结构”的设计理念为：依据纤维特性和加工方式特点将多组分纤维制备成由多个结构差异的纤维层组成的多层级纤维介质，进而实现某种特性沿某一方向呈现连续或者准连续的分布[15-16]。

图1 聚酯/粘胶热风非织造材料的“梯度结构”设计理念示意Fig.1 Diagram of gradient structure design for polyester/viscous hot-air bonding nonwoven material

粗纤维(聚酯纤维)为主组成的蓬松舒适层(图1(a))与细旦纤维(粘胶纤维)为主组成的致密分流层(图1(b))通过上下叠放而形成“梯度结构”的纤维质复合材料(图1(c))，厚度方向上表现为毛细孔径变细的梯度分布。另外，聚酯纤维与粘胶纤维的亲水特性可以形成湿润梯度效应，从而液态水在重力作用和差动毛细效应的作用下会加速从上层传输到下层，反之则较为困难。同时，致密分流层的细旦纤维主要沿机器输出方向(MD)排列，为液体沿着纤维长度方向的水平传导提供了结构基础；而蓬松舒适层的结构相对平行顺直纤维层，纤维的排列更加的无序。综上所述，水平方向上的纤维排列差异对液体的导流作用和厚度方向上差动毛细效应和湿润梯度效应，会对液体在非织造材料内的传输产生非对称特性，这为非织造材料在吸收性卫生用品的面层、导流层和液体过滤等方面的应用提供结构基础(图1(d))。

1.2 原料及制备

梯度结构的聚酯/粘胶热风非织造材料制备工艺如图2所示。首先粘胶纤维(唐山)、双组分纤维(PE/PP)和聚酯纤维分别按照一定比例经开松、混后送入到梳理机内梳理成单层平行顺直纤维网，此后由双组分纤维和聚酯纤维组成的纤维网经交叉铺网铺叠成所需要平方米质量(80 g/m2)的蓬松舒适层，然后将蓬松舒适层叠放于由双组分纤维和粘胶纤维组成的致密分流层(40 g/m2)下方，最后在预针刺-热风复合加固作用下形成具有梯度结构的聚酯/粘胶热风非织造材料。粘胶纤维、双组分纤维和聚酯纤维的特性见表1，每一层中双组分纤维的质量比为12%。本实验所用预针刺工艺为：针刺深度5.16 mm，预针刺植针密度1 750 枚/m2，针刺密度45 刺/cm2。热风复合加固工艺为：预针刺后的纤维网放置于烘箱内，设定温度145 ℃，热处理时间20 min。

图2 梯度结构的聚酯/粘胶热风非织造材料制备工艺流程示意Fig.2 Preparation process diagram of the polyester/viscous hot-air bonding nonwoven material with gradient structure

表1 纤维特性Tab.1 The properties of fibers

1.3 测 试

1.3.1 特征性能

参照GB/T 24218.1—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》测定样品的面密度。使用YG141D织物厚度仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)，参考GB/T 24218.2—2009对样品厚度进行测试，受压面积500 mm2；压脚质量100 cN。孔隙率是指非织造材料内部孔隙体积占其总体积的百分率(%)，如式(1)(2)所示[17]。样品的规格参数见表2。

p/%=[1-m/(ρf×δ)]×100

(1)

ρf=ρpet×wpet+ρvic×wvic+ρbic×wbic

(2)

式中：p为织物孔隙率，%；m为面密度，g/m2；ρf为纤维密度，g/m3；ρpet为PET组分密度，1.37 g/cm3；wpet为PET组分质量比，%；ρvic为粘胶组分密度，1.52 g/cm3；wvic为粘胶组分质量比，%；ρbic为双组分纤维密度，0.91 g/cm3；wbic为双组分纤维质量比，%；δ为样品厚度，m。

1.3.2 形貌观察

利用扫描电子显微镜(ZEISS EVO18，德国)获得样品的梯度结构形态，并利用Image-J软件(National Institutes of Health,美国)对纤维分布角度进行观察和测量。

表2 样品规格参数Tab.2 The parameters of samples

1.3.3 液体扩散特性

采用液滴扩散法测试液体的扩散速度，首先将样品固定，并在样品的上下面放置录像设备，此后用100 μL滴管将100 μL的红色蒸馏水迅速滴下；最后利用Image-J对图像进行处理获得不同时间内的液体扩散面积。

2 结果与分析

2.1 梯度结构形态

图3为不同倍数的样品截面电镜图。首先，从图3(a)可以清晰看出，在预针刺-热风复合加固作用下，粘胶纤维以纤维簇的形式在厚度方向上贯穿于蓬松舒适层，形成连接上下表层的纤维簇和迂曲的贯穿孔道，为液体沿着厚度方向上的快速传输提供结构基础。其次，从图3(b)可以看出，粘胶纤维、双组分纤维和聚酯纤维紧密缠结在一起形成上层疏松多孔、下层致密的双层梯度结构，具有明显的差动毛细效应；其中，下层为粘胶纤维和双组分纤维组成的致密分流层，上层为聚酯纤维和双组分纤维组成的蓬松舒适层。实验所用的粘胶纤维的回潮率为13.60%，具有较高的润湿性，而聚酯纤维的回潮率为0.49%，其润湿性较差，因此致密分流层与蓬松舒适层间也存在有润湿梯度。综上分析可以知道，所制备的聚酯/粘胶热风非织造材料在预针刺-热风的复合固结作用下形成清晰的梯度结构，为液体在样品上下表层间的非对称传输提供了可能性。

图3 不同倍数的样品截面电镜照Fig.3 The SEM images of samples with different multiplications

2.2 纤维分布形态

图4为样品上下表层的纤维排列角度分布。首先，从图4(a)可以看出，上层(致密分流层)的纤维主要在水平方面上排列，并受梳理机的作用而大多沿着机器方向排列，其中在0°～30°以内的纤维比例高达59%，这也为液体沿着纤维方向传输而提供了结构基础。其次，从图4(b)可以看出，基于交叉铺网的蓬松舒适层纤维也同样在水平方面上排列，但是纤维排列的角度主要在30°～60°。同时结合图3(a)可以知道粘胶纤维与聚酯纤维相互缠结紧密，为进一步利用粘胶纤维比例的变化来控制液体的扩散速度提供了可能性。

图4 样品的纤维排列角度Fig4 Fiber arrangement angle of samples

2.3 液体传输性能

图5为致密分流层结构差异的液体扩散面积随时间的变化曲线。首先，从图5可以看出，在其他条件不变的情况下，样品上下层的水痕面积均随着时间的增大而呈现增大的趋势，具体表现为先快速增加后稳定增加，最后趋于平缓的趋势。其次，从图5还可以看出，当蓬松舒适层结构不变(粘胶纤维质量比例为50%)的情况下，通过增加致密分流层内粘胶纤维的质量比例(从50%增大到80%)，可以提高液体的扩散面积(从0.68 cm2增大到1.14 cm2)。分析认为：随着粘胶纤维含量的增大，可以快速引导液体沿着纤维长度方向上快速传输的纤维根数增多，可以促进纤维沿着水平方向传输。另外结合表2可以知道，随着致密分流层内粘胶纤维含量越来越多，液体在样品上下层的扩散面积比例也逐渐增大；在一定范围内，随着致密分流层的粘胶纤维含量从50%增大到80%，液体在样品上下表面的扩散面积比从1.39增大到1.93。这是因为，当蓬松舒适层配比不变时，随致密分流层粘胶含量的增加，样品导湿性能逐渐增强，润湿梯度效应也随之增强。

图5 致密分流层结构差异的液体扩散面积随时间变化曲线Fig5 Liquid diffusion area varying with time for the samples with the different dense distributary layer

3 结 论

1)在预针刺-热风的复合固结作用，细度差异的聚酯、粘胶和双组分纤维可以形成上层疏松多孔、下层致密的双层梯度结构，同时粘胶纤维以纤维簇的形式在厚度方向形成连接上下表层的纤维簇为液体沿着厚度方向上的快速传输提供结构基础。

2)基于粘胶纤维质量比例变化的致密分流层结构变化对样品的上下表层的液体扩散面积有显著性影响。在一定范围内，致密分流层内粘胶纤维的质量比例从50%增大到80%的过程中，其液体扩散面积从0.68 cm2增大到1.14 cm2，液体在样品上下表面的扩散面积比从1.39增大到1.93，原因是随致密分流层粘胶含量的增加，样品导湿性能逐渐增强，润湿梯度效应也随之增强。