聚乳酸纺粘水刺非织造产品的开发及性能分析

刘 亚，肖家坛，封 严

（天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津300387）

新冠肺炎期间，每天都要消耗大量的口罩、防护服等医用材料。现有的医护材料大都是以聚丙烯（PP）为原料，其难降解的特点致使废弃口罩、防护服的处理成为一大难点。环境友好型的高聚物成为近年的研究热点，聚乳酸（PLA）是脂肪族聚酯的一种热塑性材料，可通过淀粉发酵或化学合成乳酸（LA）制得[1]，具备较好的力学性能、良好的生物相容性以及可降解性等特点[2]，产品应用范围广，但也存在一定的局限性，如降解速率慢[3]、疏水性强[4]、韧性低以及脆性大等[5]。针对其缺点，有学者加入增塑剂或成核剂对聚乳酸进行改性，如聚乙二醇（PEG）[6-7]、磷霉素Fosfomycin[8]、TiO2[9]、滑石Talc[10]等，但或多或少会影响PLA原有的特性，且大多数改性尚处于实验室阶段。

随着PLA合成技术的进步和纺丝技术的日益成熟，PLA在非织造材料方面的使用愈加广泛。目前，在国内市场上，PLA材料在非织领域的应用通常是经纺粘、熔喷纺丝，再经针刺、热轧固网，且技术相对成熟[11]。复合技术是开发新型非织造布产品的有效手段。Blechschmidt等[12]对通过纺粘热轧、纺粘水刺以及纺粘针刺复合工艺进行对比，发现纺粘水刺产品手感柔软、弹性好且强力更大。纺粘与水刺工艺的优越性以及二者的强结合性，决定其具有非常广阔的市场前景[13-14]。

基于此，为了快速实现产学研成果转化，本文通过改良生产工艺，结合纺粘水刺复合技术，以聚乳酸为原料，开发出聚乳酸纺粘水刺非织造新产品，可用于生产性能优良、附加值高的高档无纺布产品，如医用手术服等。与现有医用材料相比，该产品强力大、耐磨性能好，且具有可降解性和环境友好性，废弃物可完全自然降解为二氧化碳和水。

1 实验部分

1.1 原料与设备

实验采用3种聚乳酸原料进行比较：国产原料试样1#，市售；国产原料试样2#，市售；试样3#（6252D），美国Nature works公司产品。

设备：Breeze 2 HPLC System型凝胶色谱仪，美国沃特世公司产品；SDT Q600型热重分析仪，美国TA公司产品；D8 DISCOVER型X射线衍射仪，德国Bruker公司产品；RHEO-TESTER 2000型毛细管流变仪，德国Gottfert公司产品；YG028型拉伸强力仪，温州百恩仪器有限公司产品；YG（B）461D-Ⅱ型数字式组物透气仪，合肥泛远检测仪器有限公司产品；YG（B）522型织物耐磨仪，温州际高检测仪器有限公司产品；纺粘水刺连续工艺线，天津工业大学工程中心制备。

1.2 聚乳酸纺粘水刺产品的制备

使用天津工业大学工程中心的纺粘水刺连续工艺线，纺丝温度240℃。采用管式牵伸，网下吸风为9000 m/min，风压范围为0.1～0.4 MPa，摆丝频率为1 000次/min，摆片式摆丝器左右摆动角度为22.5°。实验中通过改变水刺压力和道数改变产品的性能并进行对比，水针直径为120μm，水针孔密度为16孔/cm，网帘速率范围为1.5～2.0 m/min，水刺压力和道数如表1所示。根据水刺压力和道数的不同，分别产生4种试样。

表1 水刺工艺参数及对应的试样序号Tab.1 Spunlace process parameters and corresponding sample

1.3 性能测试与表征

1.3.1 原料性能表征

（1）凝胶色谱仪测试（GPC）：采用Breeze 2 HPLC System型凝胶色谱仪进行分子质量测试分析，以氯仿为流动相体系，仪器自动测试并采集聚合物分子质量及其多分散指数。

（2）热性能测试（TG-DSC）：采用SDT Q600型热重分析仪，进行TGA和热损失差值分析。测试环境为氮气，以10℃/min的升温速率从30℃加热到600℃，得到试样的TG-DSC曲线。

（3）结晶度测试（XRD）：采用D8 DISCOVER型X射线衍射仪进行结晶结构分析，采用Cu为辐射源，扫描范围5°～40°，扫描速率为5°/min。使用Jade软件处理所得XRD图像，得到最终结晶度数值。

（4）流变性能测试：采用RHEO-TESTER 2000型毛细管流变仪进行流变性能分析，温度测试范围230～250℃，剪切速率范围为0～5 100 s-1。

1.3.2 产品性能表征

（1）力学性能测试。以GB/T 24218.3-2010为参考标准，在三级标准大气环境下预处理24 h后，使用YG028型拉伸强力仪测试非织造布的力学性能，夹距为100 mm，拉伸速率为100 mm/min，预加张力2 N。测试温度（20±2）℃，相对湿度（65±5）%，每块样品得到纵横向各10个数值，取平均值。

（2）透气性能测试。以GB/T 24218.15-2018为参考标准，在三级标准大气环境下预处理24 h后，使用YG（B）461D-Ⅱ型数字式织物透气仪测试非织造布的透气性能。试样为20 cm2的圆形试样，测试温度（20±2）℃，相对湿度（65±5）%，每块样品得到15个数值，取平均值。

（3）耐磨性能测试。以GB/T4802.1-2008为参考标准，使用YG（B）522型织物耐磨仪测试材料的耐磨性能，每块样品裁取5块试样，直径112 mm，中心剪直径6 mm小孔，分别称重，装好试样，设置磨损次数为250次，转速为60 r/min，磨损后进行称重。耐磨指数根据式（1）计算：

式中：n为次数；Δm为平均质量损失。磨损率根据式（2）计算：

式中：m0为磨前质量；m为磨后质量；S为试样面积。

2 结果与讨论

2.1 原料性能分析

2.1.1 原料的相对分子质量及其分布

利用凝胶色谱仪测试原料的相对分子质量及其分布，结果如表2所示。

表2 分子质量测试结果Tab.2 Test result of molecular weight

由表2可以看出，这3种原料的数均相对分子质量相差不太大，3#进口料介于1#、2#两种国产料之间，但是进口料的相对分子质量分布最窄，多分散指数为1.98，而国产料的相对分子质量的多分散指数在2.2～2.4之间。

高聚物流经螺杆挤压机时：分子质量过大，会导致其熔融黏度增大，分子链所需松弛时间变长，拉伸取向困难，需要较高的熔体温度和牵伸力；且高分子质量聚乳酸在纺丝过程中，分子链更易受到高剪切应力和高温影响而降解[15]。分子质量太小，受外力作用拉伸时取向容易，不需要过高的熔体温度，否则会出现分子链的相对滑移。因此，分子质量分布宽对后续的牵伸非常不利。若分子质量分布过宽，熔体强度低，易导致断丝现象。当分子质量分布较窄时，其牵伸丝和未牵伸丝都处于均一状态，熔体强度高，流动性也相对较高，对后续拉伸有利。3#原料分子质量分布较窄，在其纺丝过程中，牵伸时易变形发生取向，有利于形成高强度纤维。

2.1.2 热性能分析

利用SDT Q600型热重分析仪测试原料的热性能，结果如图1所示。

图1 热性能测试结果Fig.1 Test result of thermal performance

由图1可以发现，1#、2#、3#原料试样的熔点依次为179.85、181.32、167.35℃。纺丝过程中，纺丝温度通常比熔点高30～40℃，加工的时候可以降低温度，节约能耗。曲线中3种试样的开始分解温度均在320℃左右，表明3种试样的热稳定性均好，均利于纺丝。

2.1.3 结晶度分析

利用Jade软件分析XRD图像，结果如图2所示。

图2 结晶度测试结果Fig.2 Test result of crystalline

由图2可以看出，1#、2#、3#原料试样的结晶度依次为6.75%、5.25%和9.76%。纺丝条件下，一般要求切片原料结晶度在12%以下，超过这个范围，原料结晶度越大，可纺性越差。在一定范围内，切片原料的结晶度越高，其分子链有序程度越大，在同样纺丝条件下初生纤维的结晶度也相应提高[16-17]，拉伸过程中纤维的屈服应力增大，拉伸应力也相应增大，拉伸比就增大，有利于提高纤维的强度。3#原料结晶度最大，相应地其产品易达到更高强度。

2.1.4 流变性能分析

利用毛细管流变仪测试切片原料的流变性能，结果如图3所示。

由图3可以看出，3种原料均属于切力变稀流体，即剪切黏度与剪切速率呈负相关。当剪切速率小于638 s-1时，3种原料的表观黏度较高。这是因为剪切速率较低时，应力较小，分子链缠结点尚未完全打开，熔体黏稠[18-19]。在熔体纺丝过程中，聚合物熔体在喷丝孔内的切变速率在2 000～3 000 s-1之间，此时1#、2#和3#原料试样的黏度都在10 Pa·s以下，表现出了非常好的流动性能。对于3#试样，切变速率为5 000 s-1时在245℃黏度反常略微升高，考虑到此时流体黏度已经很小，其数值变化不是很大，有可能是实验波动造成的，不过此时的切变速率已经超出喷丝孔中的切变速率范围，对纺丝性能已经没有影响。因此，综合考虑后续的拉伸性能，本文选取黏度最大的温度作为纺丝参考温度，1#、2#国产料选用250℃，3#进口料选用240℃。

图3 流变性能测试结果Fig.3 Test result of rheological property

在实际纺丝过程中发现，国产料的可纺性能比较差，最终本文选用分子质量分布较窄、熔点低的美国Nature works 6252D进口料作为纺丝原料，得到的材料性能较优异，在纺粘牵伸过程中，易形成高强度纤维，可降低生产能耗。

2.2 纺粘水刺非织造产品性能分析

2.2.1 力学性能分析

在熔喷、水刺、纺粘等非织造工艺中，纺粘产品的强度最高、透气性低且舒适度差，水刺产品透气性高但强度差。将纺粘水刺结合，纺粘弥补了水刺易起毛、强力低的缺陷。不同水刺压力、不同水压道数条件下所制备纺粘水刺试样的拉伸断裂性能如图4所示。

图4 试样断裂强度和断裂伸长率Fig.4 Break strength and elongation at break of sample

由图4可以看出，1#→4#产品试样的水压和水刺道数依次增加，其断裂强度先增加后减小，而断裂伸长率却逐渐降低。这是因为随着水压与水刺道数的增加，水针使纤维纠缠越加紧密，缠结效果越好，强度越大[20]，致使纺粘水刺产品的强力在纺粘的基础上进一步提升。表现为1#→3#试样中，2#试样纵横向断裂强度分别为165.8 N/（5 cm）和52.9 N/（5 cm），3#试样纵横向强度最大，分别为193.2 N/（5 cm）和71.6 N/（5 cm），这2种试样的断裂强度都强于现有的纺粘医护材料。但水刺道数或水压过大时，水针能量过大，致使纤网中部分纤维断裂，断裂强度减小，断裂伸长率减小，表现为4#试样和3#试样相比，断裂强度和断裂伸长率有所降低。

2.2.2 透气性能分析

纺粘水刺的结合是相辅相成的，纺粘可以弥补水刺强力低的局限，水刺也可以弥补纺粘透气性差、舒适度差的缺陷。不同水刺工艺条件下所制备纺粘水刺试样的透气性能如图5所示。

图5 试样透气性Fig.5 Permeability of sample

由图5可知，1#→4#试样的透气性先增加后减小。纺粘产品透气性差，水压增加，水针能量增加，水针穿透纤网会留下水针痕，使得产品透气性提升，表现为1#、2#试样透气性依次为329、355 L/（m2·s）。随着水刺道数增加，水针穿透纤网使得纤维的彼此缠结程度加大，纤维之间空隙变小，导致空气穿透过纤维受到的阻力升高，透气性减小[21]，表现为3#、4#试样的透气性降低，依次为296、295 L/（m2·s）。

2.2.3 耐磨性能分析

不同水刺工艺条件下所制备纺粘水刺试样的耐磨性能如图6所示。

图6 试样的耐磨性能Fig.6 Wear resistance of sample

由图6可以看出，随着水压的增加，水针能量加强，产品的磨损率没有太大的变化，保持平稳，表现为1#、2#试样磨损率均为0.12 mg/cm2，且该数据指标强于现有的医用防护材料。此时，水针并没有大幅度改变产品的内部结构。但水压与道数继续增加，导致水针能量过大，使得产品的断裂强度和伸长率降低，耐磨性能也变差，表现为4#试样的耐磨性能显著下降，为0.7 mg/cm2。

3 结论

本文通过比较3种聚乳酸原料性能，选出最优原料，结合纺粘、水刺复合技术成功制备聚乳酸纺粘水刺非织造布，并表征其性能，结果表明：

（1）3种原料中，产于美国Nature works公司的聚乳酸原料相对分子质量较小，分子质量多分散指数为1.693 9，分布较窄，熔点为167.35℃，结晶度为9.29%，更有利于降低纺丝过程能耗，纺丝牵伸时易形成高强度纤维。

（2）随着水压和水刺道数的增加，产品的力学性能和透气性能均表现为先增后减趋势，而耐磨性先保持平稳再减少。

（3）水刺工艺为4、4、8、8 MPa制作的2#产品综合性能最优，拉伸断裂强度横向可达52.9 N/（5 cm），纵向达165.8 N/（5 cm），透气性达到355 L/（m2·s），磨损率为0.12 mg/cm2。与现有医护材料相比，2#产品具有可降解性和环境友好性，力学性能好，耐磨性能更好，可用于开发多个应用领域产品，符合医用防护材料的指标要求，也方便废弃物的处理。