可降解非织造复合材料的制备及其吸油性研究

曾杏丹 马亚珂 王泽燕

五邑大学 纺织材料与工程学院(中国)

随着经济的快速发展和人民生活水平的提高，人们对厨房擦拭材料的需求量越来越大，对其性能的要求越来越高。目前，市场上的厨房擦拭材料既有以聚酯纤维为原料，通过水刺复合工艺加工而成的产品，也有以木浆为原料制成的擦拭用纸。前者的原料加工成本较高、制备过程较复杂且用弃后难以降解，后者通常为一次性用品，在一定程度上造成了浪费[1]。基于此，开发一种成本低、吸水和吸油效果好且能多次使用的厨房擦拭材料具有重要意义。

聚乳酸是一种可生物降解材料，因含有亲油基团(如酯基等)而具有较好的亲油拒水特性。聚乳酸纤维可从玉米秸秆中提取，属于环保型的天然绿色能源材料。黏胶是化学纤维中最早研发并投入生产的再生纤维素纤维，具有良好的吸水性和热稳定性，可生物降解，符合现代环保的要求。

本文以从纺黏设备的喷丝头挤出的聚乳酸为原料，在送风装置输出的高速气流的作用下，冷却的长丝以纤维网的形式在接收平台上经热轧形成非织造布[3]。试验所用水刺黏胶非织造布为黏胶短纤维经梳理成网后进行水刺加工而成，将聚乳酸纺黏非织造布和水刺黏胶非织造布通过针刺技术复合，制备具有吸油和吸水特性的厨房用擦拭材料，所得产品可重复使用。最后对复合试样的拉伸、撕裂性及吸油和保油性等性能进行测试和分析。

1 试验部分

1.1 设备和仪器

针刺机(中国太仓市万龙非织造工程有限公司)、纺黏试验设备(FWF-011型)、分析天平(CP313型)、数字式织物厚度仪(YG141D型)、纤维细度分析仪(CX315型)、多功能电子织物强力机(YG026H型)、毛细管效应测定仪[YG(B)871型]。

1.2 材料和油剂

聚乳酸由深圳生物科技有限公司提供，油剂为芝麻油(金龙鱼牌食用油)、矿物油(英利达机械通用润滑油)和半合成油(美孚机油)。所用水刺黏胶非织造布的面密度为39.38 g/m2，所含纤维的平均直径为13.36 μm。

1.3 试验方法

1.3.1 聚乳酸纺黏非织造布的制备

聚乳酸的烘燥：将聚乳酸切片置于真空干燥箱中，先低温(40 ℃)烘1 h，升温到60 ℃再烘1 h，最后升温至80 ℃并烘8 h[2]。

采用经烘燥的聚乳酸切片，根据表1所示的工艺参数，调节铺网速度后制备聚乳酸纺黏非织造布，所得产品的纤维平均直径为11.05 μm，面密度为44.2 g/m2。

表1 纺黏试验设备的工艺参数设置

1.3.2 聚乳酸纺黏非织造布和黏胶水刺非织造布的复合

因聚乳酸纺黏非织造布中的纤维为长丝，黏胶水刺非织造布中的纤维为短纤维，为避免复合试样在使用中出现“掉毛”现象，本文将聚乳酸纺黏非织造布作为复合产品的外层材料，黏胶水刺非织造布作为中间层材料，制备3层复合试样。

针刺工艺中的针刺密度设置直接影响产品的使用性能，因此，需提前预测针刺机的刺针密度。先将一张A4纸放置于刺针下，手动操作机器针刺白纸一次，根据纸张面积和针刺痕迹计算针刺的密度为2.6针/cm2。

将聚乳酸纺黏非织造布和黏胶水刺非织造布以夹层的形式置于针刺机中，根据设计的针刺密度进行正反向针刺作用，制备复合试样。

1.4 复合试样性能测试

1.4.1 力学性能

采用多功能电子织物强力机(YG026H型)测试复合试样的拉伸强力和剥离强力。两项测试需各准备3块尺寸为20 mm×100 mm的试样。电子织物强力机上的参数设置为夹持间距50 mm、定负荷1 000 N、定伸长率500%、拉伸速度100 mm/min。剥离强力测试仪的参数设置为夹持间距20 mm、定负荷1 000 N、定伸长率500%、预加张力1.0 N、拉伸速度100 mm/min。

1.4.2 吸油性能测试

1.4.2.1 吸油和保油性测试

饱和吸油倍率能反映复合试样的吸油能力，吸油倍率越高，说明复合试样的吸油能力越强。保油性是试样吸油后保持油分不析出的能力，常用保油率这一指标表征[3]。

将针刺复合试样裁剪成尺寸相同的试样，称质量并记录为m0。将试样浸泡在待测油剂中，每隔30 s用镊子夹起试样的一角，自然垂滴1 min后称其质量，直至吸油饱和后，测得其质量m1。按式(1)计算试样的吸油率。

(1)

其中，m0为吸油之前试样的质量；m1为吸油之后试样的质量。

饱和吸油吸水倍率的测试方法为先测试并记录试验前试样的质量m0及饱和后的质量mn，然后，将饱和的吸油吸水试样置于2 500 g砝码下重压5 min，再次称量，记为ma，按式(2)计算试样的保油率。

(2)

1.4.2.2 吸油高度

吸油高度是毛细效应的一种，其测试方法与芯吸高度一致。

采用毛细管效应测定仪[YG(B)871型]，裁剪宽(15±0.5) mm、长250 mm的试样5条，将试样平置于玻璃板上，在距一端205 mm处画一条与长度方向垂直的线。然后将试样夹持在夹纸器上，使横线与标尺的200 mm刻度对齐[4]。夹持好试样后，轻轻放下夹纸器的横梁，若试样出现卷曲，可在试样下端悬挂一小夹子，所选用夹子的质量需确保试样可垂直插入液体而又不至于被拉长或拉断。同时按下秒表计时，从而测定出液面沿试样上升一定距离所需时间或一定时间内液面上升的高度。常采用10 min±3 s内上升的高度表征，本试验采用的是10 min的上升高度来评定试样的吸油性。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能分析

2.1.1 针刺密度对拉伸强力的影响

采用面密度为44.2 g/m2的聚乳酸纺黏非织造布和水刺黏胶非织造布进行复合，黏胶含量为47.13%时，改变针刺密度，复合试样拉伸性能的测试结果如图1所示。

图1 不同针刺密度下试样的拉伸强力

由图1可知，在聚乳酸纺黏/水刺黏胶复合试样中，随着针刺密度的增加，试样的拉伸强力先增加后减小，在针刺密度为190针/cm2时，试样的拉伸强力达最大值。这是因为在针刺密度达190针/cm2前，复合材料在针刺复合的加固工艺下，纤维相互交错缠结，越来越结实。当针刺密度达190针/cm2后，随着针刺密度的增大，复合试样的紧度不再增加，纤维网中的纤维因互相约束而不再随针刺的移动发生滑移，但因刺针而受损的纤维快速增多，因此，试样的拉伸强力急剧下降[5]。

2.1.2 针刺密度对剥离强力的影响

不同针刺密度下复合试样剥离强力的测试结果如图2所示。

由图2可知，复合试样的剥离强力随针刺密度的增大呈先增加后减小的趋势。试样的剥离强力在针刺密度为170针/cm2时达峰值，之后开始逐渐下降。这一现象出现的原因与2.1.1节所述相同。同时，在剥离试验中发现，拉伸至一定程度时，复合试样并没有发生剥离，而是出现了撕裂现象。

2.2 吸油性能分析

2.2.1 针刺密度对吸油性的影响

本文所制备的复合试样在不同针刺密度下吸油性的测试结果如图3所示。

由图3a)可知，不同针刺密度下复合试样的吸油量在30 s时基本达到饱和，随着浸泡时间的增加，试样的吸油量基本趋于稳定。

由图3b)可知，随着针刺密度的增加，复合试样的吸油倍率先上升后下降。因针刺密度的不断增加，试样的刺孔增加，从而扩大了试样的储油空间，故吸油率增大。当针刺密度继续增加时，试样越来越密实，吸油率开始下降，因此，饱和吸油倍率降低。总体而言，试样的吸油性主要与聚乳酸含量有关，当聚乳酸含量固定时，试样的吸油性变化不大，因而针刺密度对复合试样吸油性的影响较小。

a) 吸油量

b) 吸油倍率

2.2.2 针刺密度对保油性的影响

不同针刺密度下复合试样保油率的测试结果如图4所示。

图4 不同针刺密度下复合试样的保油率

由图4可知，在同一种油剂中，随着针刺密度的增加，复合试样的保油率略呈下降的趋势。这是因为随着针刺密度的增加，受刺针损伤的纤维数量也随之增加，纤维的储油能力下降，从而影响了试样的保油率。

2.2.3 针刺密度对吸油高度的影响

不同针刺密度下复合试样吸油高度的测试结果如图5所示。

图5 不同针刺密度下复合试样的吸油高度

由图5中可知，当复合试样中的黏胶含量一定时，随着针刺密度的增加，复合试样的吸油高度总体呈下降的趋势。这是因为随着针刺密度的增加，复合试样变得更加密实，纤维间的距离变小，因油类物质较黏稠，难以在很小的缝隙中表现出与水类似的芯吸效应，因此复合试样的吸油高度逐渐下降。

3 结论

本研究将聚乳酸纺黏非织造布和水刺黏胶非织造布以夹层的形式置于针刺机中，采用针刺工艺制备出一种兼具吸水和吸油功能的可降解非织造复合产品，并对试样的拉伸强力、剥离强力等相关性能进行测试和分析，得如下结论。

——考虑产品拉伸强力和剥离强力的使用需求，较优的针刺密度为170针/cm2。

——所制备的复合试样的吸油量在吸油30 s时达饱和。

——复合试样的饱和吸油倍率和保油性随着针刺密度的增加先上升后下降，但针刺密度对试样吸油性的影响较小。

——随着针刺密度的增加，复合试样的吸油高度下降。