粘胶水刺非织造布的性能分析与比较

张轩宁,吴改红,刘淑强,王彩柳

(太原理工大学 轻纺工程学院,山西 晋中 030600)

粘胶纤维是以天然纤维(木材、棉短绒和甘蔗渣等)为原料,经过一系列加工工序,最后通过湿法纺丝而制成的纤维素纤维[1]。粘胶纤维具有光滑、透气、可降解和良好的吸湿性等优点,应用粘胶纤维制备的水刺非织造布可用于医疗卫生用非织造材料、湿巾等废即弃产品[2-3]。

目前国内外学者们应用不同纤维原料开发水刺非织造布产品,如陈迟等[4]应用粘胶纤维与壳聚糖纤维开发水刺非织造布,发现粘胶纤维能够有效改善产品的力学性能与热湿舒适性。Gutierrez等[5]使用粘胶纤维、大麻纤维和聚乳酸纤维作为原材料,以质量比1∶8∶1为配比制备水刺非织造布医疗卫生产品,可用于传统水刺非织造材料的升级产品。粘胶纤维制备的水刺非织造布是一种性能优良的医疗卫生材料,但目前国内外还很少关注不同类型(品牌)粘胶纤维制备的水刺非织造布之间的性能差异性。

本文选用不同类型的4种粘胶纤维原料制备成水刺非织造布,并通过对比分析4种类型的粘胶纤维和水刺非织造布的性能差异,来优选适用于不同领域的水刺非织造布产品。

1 试验部分

1.1 原材料

兰精高速粘胶纤维(线密度1.70 dtex,长度40 mm,奥地利兰精公司),适用于运行速度100 m/min以上的宽幅高速水刺非织造生产线;A类普通粘胶纤维(线密度1.70 dtex,长度40 mm,奥地利兰精公司);B类普通粘胶纤维(线密度1.67 dtex,长度38 mm,唐山三友集团);C类普通粘胶纤维(线密度1.70 dtex,长度40 mm,赛得利纤维有限公司)。4种粘胶纤维的价格对比如表1所示。

表1 4种粘胶纤维的价格对比表

1.2 试验工艺

本文试验采用双梳直铺水刺技术,工艺流程简单,梳理效果好,运行速度较高,产品性能优异[6]。试验工艺流程配置如图1所示。主要设备:TBL-FO型开松混棉机、TWF-NCT型高速梳理机、TWB-AJ型高速水刺机、TWD-MDD型多转鼓烘干机(德国Trutzschler公司)。

图1 试验工艺流程配置图

本文试验制备的水刺非织造布面密度为80 g/m2,水刺生产线速度为130 m/min。其中,梳理成网工序中2台梳理机的主锡林转速分别为1 100和1 050 m/min。水刺加固工序分为预湿水刺、平网水刺、转鼓水刺3个部分,共包括7个水刺头,水刺压力参数如表2所示。热风烘燥工序中烘燥机的转鼓温度控制在150℃。

表2 水刺压力参数表

1.3 性能测试

本文试验所采用的测试标准及所用仪器如表3所示。

表3 测试标准表及其实验仪器

2 结果与分析

2.1 粘胶纤维的形态结构

4种粘胶纤维的形态结构如图2所示。兰精高速粘胶纤维断面结构紧实,沟槽深度较浅,A类普通高速粘胶纤维存在螺旋沟槽,B类和C类普通粘胶纤维的沟槽深度更明显,沟槽数量更多,纤维比表面积相对更大,纤维吸湿性能更好。此外,粘胶纤维沟槽数量和沟槽深度对于导湿速率的提升有显著影响[7]。

图2 粘胶纤维的形态结构

2.2 粘胶纤维的结晶和回潮率分析

4种纤维的结晶因子与回潮率测试结果如表4所示。

表4 4种纤维的结晶因子与回潮率测试结果

由表4可知,兰精高速粘胶纤维的结晶度最高,回潮率最低;B类普通粘胶的结晶度最低,无序区域占比大,回潮率最高。纤维结晶度的大小直接影响到纤维的吸湿性能[8]。与其他3种粘胶纤维相比,兰精高速粘胶纤维结晶度高,纤维内部的分子排列有序度高,水分子仅进入纤维的无定形区,因此,兰精高速粘胶纤维的吸湿性较差,断裂强度会得到一定程度的改善,适合高速高产。

2.3 粘胶纤维的力学性能分析

4种纤维的结构参数和力学性能测试结果如表5所示。

表5 四种纤维的结构参数和力学性能测试结果

结晶因子和取向因子是影响纤维力学性能的2个关键结构参数。结晶因子与纤维的强度和形态稳定性有关,取向因子对纤维分子的轴向作用力起重要作用[9]。由表5可知,兰精高速粘胶纤维的断裂强力与初始模量均高于其他粘胶纤维,产品结实耐用,手感硬挺。C类普通粘胶纤维的断裂强力与初始模量最小,产品手感更加柔软舒适。

2.4 水刺非织造布基本结构分析

4种水刺非织造布的面密度和厚度测试结果如表6所示。4种粘胶水刺非织造布的面密度平均值大小依次为:兰精高速粘胶>A类普通粘胶>C类粘胶纤维>B类粘胶纤维;厚度平均值大小依次为:B类粘胶纤维>C类粘胶纤维>兰精高速粘胶>A类普通粘胶,其中A类普通粘胶水刺非织造布面密度CV值最小,兰精高速粘胶水刺非织造布面密度平均值最接近试验设计值80 g/m2且厚度CV值最小,相关产品的面密度均匀程度较高,纤维分布均匀,有利于力学性能的提升,产品使用质量较好。

表6 4种水刺非织造布的面密度和厚度测试结果

2.5 水刺非织造布的白度分析

4种水刺非织造布的白度测试结果如图3所示。

图3 4种水刺非织造布的白度

白度是表示材料表面白色的程度,以白色含有量的百分率来表示[10]。由图3可知,受到水刺工艺的影响,4种非织造布的白度均低于粘胶纤维的白度。其中,兰精高速粘胶水刺非织造布白度为83.76%。兰精高速粘胶纤维白度受水刺技术工艺的影响较小,产品的外观形貌良好。

2.6 水刺非织造布拉伸性能分析

4种水刺非织造布纵向(MD)和横向(CD)的拉伸性能测试结果如图4所示。纵向(MD)方向的断裂强力平均值大小依次为:A类普通粘胶>C类普通粘胶>兰精高速粘胶>B类普通粘胶;横向(CD)方向的断裂强力平均值大小依次为:A类普通粘胶>B类普通粘胶>兰精高速粘胶>C类普通粘胶;MD∶CD数值大小依次为:C类普通粘胶>B类普通粘胶>A类普通粘胶>兰精高速粘胶。其中,兰精高速粘胶水刺非织造布的纵向方向和横向方向断裂强力比值最小,数值为3.27,说明其各向异性优良,纤维纵横向排列均匀度最高;A类和C类普通粘胶水刺非织造布的纵横向断裂强力的CV值相差较大,原因在于纤维纵向排列的均匀度明显优于横向排列的均匀度。A类普通粘胶水刺非织造布面密度均匀度最高,纵向纤维分布数量多,层间紧密性好,纵向(MD)方向的断裂强力最优。对比B类普通粘胶水刺非织造布,由于C类普通粘胶纤维回潮率高,取向因子小,加工过程中接收的水刺能量多,纤维间缠结更充分,拉伸过程不易产生位移,水刺非织造布断裂强力有所提升。

图4 4种水刺非织造布的拉伸性能

2.7 水刺非织造布吸水性分析

4种水刺非织造布的吸水性测试结果如表7所示。

表7 4种水刺非织造布的吸水性测试结果表

由表7可知,4种纯粘胶水刺非织造布吸水率依次为:B类普通粘胶>C类普通粘胶>兰精高速粘胶>A类普通粘胶。非织造布吸水率测试结果与纤维原料回潮率和结晶度的测试结果基本吻合。其中,由于非织造布内部毛细效应与材料均匀度的影响,兰精高速粘胶水刺非织造布的均匀度高,吸水性增大,液体吸收能力增强[11]。

2.8 水刺非织造布透气性分析

4种水刺非织造布的透气性测试结果如图5所示。在相同面密度条件下,4种水刺非织造布透气率的数值差异较小。其中,A类普通粘胶水刺非织造布内部的纤维抱合缠结程度最高,孔隙率最小,透气性最差。兰精高速粘胶水刺非织造布内部纤维间的孔隙较多,纤维间的缠结紧密程度较低,透气性较好。

图5 4种水刺非织造布的透气性测试结果

3 结 论

本文通过对4种不同类型的粘胶纤维及其水刺非织造布进行对比测试,分析得出以下结论:

①兰精公司高速粘胶纤维结晶度达到27.39%,干湿断裂强力最高,分别达到3.57、3.40 cN,纤维干湿断裂伸长率最小,分别达到15.36%和11.39%。相比其他3种粘胶纤维,兰精公司高速粘胶纤维具有优良的力学性能,更适用于高速高产条件下的水刺非织造工艺。

②在相同的试验工艺条件下,兰精公司高速粘胶水刺非织造布内部的纤维缠结更加均匀,面密度稳定,不匀率低。此外,兰精公司高速粘胶水刺非织造布纵横向强力比最小,仅为3.27,透气性为713.5 mm/s,拉伸性能和透气性能优异,在医用绷带基布、手术防护服等医用非织造产品的生产与加工方面具有突出的应用价值。

③兰精公司普通粘胶纤维(A类)的原料成本较低,价格为13 200 元/t。纤维的断裂强力与干湿态初始模量较小,相应水刺非织造布的柔软度较高,材料可广泛应用于柔巾、湿巾等家居日用品领域。

④三友公司(B类)与赛得利公司(C类)普通粘胶水刺非织造布的吸水性能最优,分别达到811.4%和810.2%。透气性能良好,具备良好的吸液性和保液性,并且纤维及其非织造布受烘燥工艺影响小,白度较高,产品表观质量好,适用于面膜基布等护肤产品的开发。