聚乳酸水刺非织造布的开发与研究

胡锐 俞一瑛 张国炎 佘卫军 吴军

摘 要：本文简述了聚乳酸材料研究开发的必要性和前景，介绍了聚乳酸水刺非织造布的生产过程，并针对生产中遇到的问题进行分析，重点探讨了生产工艺上的调整方法。

关键词：聚乳酸纤维;水刺;生产问题;调整方法

中图分类号：TS176 文献标识码：A

近年来，人类逐渐认识到生态环境的重要性，绿色环保可持续发展意识不断加强，绿色产品已经融入到生活的方方面面，成为当代人关注的焦点。国际原油价格的持续上涨和石油资源的日益紧缺，在影响高分子材料产业的同时，也直接影响到非织造布行业的发展。加上合成纤维材料不可降解，其废弃物对地球环境已造成越来越严重的威胁，使用可降解材料成为人类迫切的愿望[1]。

聚乳酸（Polylactic acid，简称PLA）是一种新型绿色环保的生物可降解材料，其以玉米、小麦、甜菜、木薯等植物中的淀粉为原料，经过细菌发酵或化学合成的方式而制得。在自然环境中，通过堆肥掩埋，聚乳酸制品废弃物可以被微生物完全降解成二氧化碳和水，不污染环境。这不仅摆脱了对石油资源的依赖，还符合当前可持续发展、低碳经济的需

要[2-3]。目前，聚乳酸在非织造布领域的应用开发有很多，但主要采用纺粘和熔喷工藝生产而成。本文主要介绍聚乳酸纤维在水刺工艺下的开发与生产。

1 聚乳酸水刺非织造布的生产工艺

1.1 水刺用聚乳酸纤维的选择

目前，国内有很多聚乳酸纤维供应商，但主要供纺织行业使用，并不一定适合梳理水刺工艺，故需对聚乳酸纤维的性能有相应的要求。本研究选用的聚乳酸纤维的主要性能指标如表1所示。

纤维细度在1dtex-3dtex内比较适合梳理水刺工艺，低于1dtex的纤维一般就很难梳理，需要配置特殊的针布。含油率和比电阻对纤维的可梳理性影响较大，若含油率低、比电阻大，纤维梳理过程中就容易产生静电形成飞花，增大纤维消耗，并影响布面均匀性。但纤维含油率过高，会造成纤维粘缠，容易缠绕罗拉等部件，造成针布损伤[4]。

1.2 聚乳酸水刺非织造布工艺原理及过程

聚乳酸纤维先经过开松梳理，形成均匀的纤维网，铺网方式可选择平行铺网、交叉铺网及其组合，本研究采用平行铺网和交叉铺网相结合的方式。铺叠好的纤网经预湿后进入水刺区，在高速高压水射流的作用下，纤维相互缠结抱合，达到加固纤网的目的，加固后的湿纤网再经过烘干卷绕，即得到聚乳酸水刺无纺布。

其主要工艺过程为：聚乳酸纤维→开松→梳理成网→交叉铺网→水刺→后整理→烘干→成品卷绕等。

在开发聚乳酸水刺非织造布的过程中，主要遇到的问题有：（1）聚乳酸纤维原料中的疵点、杂质较多;（2）聚乳酸纤维易产生静电;（3）聚乳酸纤维熔点较低，烘燥温度控制不好易造成布的手感变硬。

聚乳酸纤维的疵点杂质，主要是纤维生产加工过程中丝束的断头所致。目前，国内聚乳酸纤维的生产技术还略有不足，尚无法达到涤纶纤维的疵点控制水平（≤1mg/100g）。聚乳酸纤维属于聚酯类纤维，其纤维特性与涤纶很接近，吸湿性差，很容易产生静电。此外，聚乳酸纤维的熔点仅170℃左右，烘燥温度过高，易导致纤网变硬。针对以上问题，对生产过程中的各道工序进行工艺上的调整。

1.3 开松混合工艺

聚乳酸纤维开包后，稍有些紧实，不及涤纶那么蓬松，考虑到疵点多的问题，纤维的喂入上采用“高频低喂”的方式进行，即喂入频率提高，每次喂入量降低。这样既提高了纤维开松除杂的程度，又能保证喂入总量的均衡，如表2所示。

同时，调整喂棉辊、打手和尘棒的隔距，如表3所示。

适当减小打手、喂棉辊与尘棒的隔距，增加尘棒之间的隔距，可以提升除杂效果，减少纤维硬疵。考虑到聚乳酸纤维的低熔点特性，为防止开松过程中纤维过度梳理而摩擦生热，形成熔融晶体，整体线速降低10m/min。这样调整后，最终材料布面的硬疵点明显减少，但生产效率相比常规产品降低了15%左右。

1.4 梳理铺网工艺

经过开松机多道开混处理以后，纤维疵点问题基本解决，但聚乳酸纤维易产生静电的问题仍会对生产造成很大影响。静电大，梳理过程中飞花变多，增加了纤维损耗;飞花增多，必然会有部分区域纤维过少，形成稀网。而大量漂浮的纤维聚积后，落到布面上又会形成云斑或棉块，造成纤网均匀性变差，影响产品质量。

目前，聚乳酸纤维主要用于纺织行业，纤维油剂并不适配梳理水刺工艺，只能从现有生产工艺进行调整。生产车间新增加湿设备，并定时往地面洒水，将车间环境的湿度增加到80%左右，有效降低了生产环境形成静电的可能性。降低梳理机的给棉喂入，减小梳理负荷。给棉喂入从35%降低到28%，梳理机主速度从90m/min降低到70m/min，梳理负荷减小，避免纤维长时间聚集在针布上，因反复摩擦生热而产生熔融晶体，形成新的硬疵点。梳理负荷减小后，单层纤网的克重略有下降，通过增加交叉铺网的铺叠层数，来保证输出纤网的克重。这样调整以后，不仅疵点问题得到改善，纤网的均匀度也有所提高，只有产品产量稍微降低。

1.5 水刺工艺

聚乳酸纤维与涤纶性能接近，可以参照涤纶产品的水刺工艺进行生产，实际生产使用德国福来司拿（FLEISSNER）公司水刺机，水刺工艺参数如表4所示。

1.6 烘燥工艺

聚乳酸纤维的熔融温度相对其他水刺原料较低，只有170℃，本研究使用烘筒烘燥的方式进行烘干处理，烘筒的实际表面温度在130-150℃左右，比聚乳酸纤维的熔点要低，但实际生产时若不调整烘燥温度，材料手感会变硬，并伴有焦糖味。这可能是因为聚乳酸纤维的降解特性，其在湿热环境下容易发生水解，导致纤维本身的性能发生改变，反映到材料上就出现了手感变硬的现象。

为解决上述问题，应尽可能降低聚乳酸材料进入烘箱前的含水率。生产中采用抽吸+轧干的组合方式来降低纤网的含水率，抽吸气压调整为0.3MPa，轧干气压从0.2MPa增加到0.4MPa。经过这样调整，水刺后聚乳酸纤网的含水率从70%降低到50%。

同时，对烘筒烘燥的温度进行调整，如表5所示。

当水刺后的湿纤网进入烘箱时，纤网的湿度最高，烘燥温度不宜过高，故前两组烘筒的烘燥温度适当降低，减少聚乳酸纤维高温下的水解;经过前两组烘箱以后，纤网里的水分已经减少很多，此时可以适当提高烘燥温度，加快烘干速度。这样就缩短了纤网在湿热状态下的时间，避免聚乳酸纤维过度水解。

1.7 工艺调整前后聚乳酸水刺非织造布性能对比分析

调整生产工艺后，聚乳酸水刺无纺布的干态强力明显提高，滑出长度也明显降低，如表6所示。这是因为，工艺调整前，聚乳酸纤维在湿热条件下高温烘燥，纤维本身发生熔融并部分水解，纤维断裂强力下降。纤维熔融又造成部分纤维间相互粘结，布面手感变硬，滑出长度较大;调整工艺后，有效改善了聚乳酸纤维的熔融和水解问题，强力及柔软度均有所提高。

2 结语

聚乳酸是可生物降解的环保材料，而水刺无纺布具有生产过程无污染的特点，两相结合，聚乳酸水刺无纺布必然有广阔的开发与应用前景。在现有聚乳酸纤维原料的供应大环境下，调整现有的水刺设备工艺，能够生产出性能优良、满足用户需求的产品。但相比聚酯，聚乳酸的价格仍然较高，生产加工成本高，加之水刺用聚乳酸纤维的性能还不尽如人意，使用水刺工艺生产加工的效率还比较低，这都限制了相关产品的推广应用范围。随着聚乳酸生产技术的进步和相关产业链的逐步完善，聚乳酸水刺非织造布的发展前景将十分广阔。

参考文献

[1] 郑玉琴，任元林.聚乳酸非织造布的开发及应用[J].非织造布，2009，17（03）：13-15.

[2] 常杰，刘亚，程博闻.聚乳酸纺粘非织造布的研究进展[J].天津工业大学学报，2013，32（04）：37-42.

[3] 佟毅.新型生物基材料聚乳酸产业发展现状与趋势[J].中国粮食经济，2019（08）：49-53.

[4] 郭秉臣.非织造材料与工程学[M].北京：中国纺织出版社，2010.