廢革膠原纖維水刺非織造材料熱黏合工藝初探

趙國艷 殷保璞 (東華大學紡織學院，上海，201620)

廢革膠原纖維的主要成分是膠原蛋白，膠原蛋白具有良好的生物相容性、低抗原性、生物降解性及良好的成纖、成膜特性。膠原蛋白結構和性能特點的多樣性與復雜性決定了其在許多領域的重要地位及良好的應用前景［1］。近年來，將膠原與其他材料復合應用于皮革、造紙、材料、紡織等方面的研究也越來越多［2］。楊肇劍等［3］通過對從制革行業的邊角廢料進行物理疏解得到的膠原蛋白纖維各項性能的研究，探討了采用水刺纏結的方法對廢革膠原纖維進行加工的可行性。沈戈等［4］的研究發現廢革膠原纖維對重金屬有很好的吸附性能，作為過濾材料能夠去除廢水中的Cu2+等重金屬離子。但研究也表明，膠原纖維水刺非織造材料存在強力不足的缺點，制約了其應用領域的拓展。

本研究將廢革膠原纖維與熱熔纖維按一定比例混合，經過氣流成網、水刺纏結工藝制得非織造材料，再通過熱黏合工藝對材料作進一步加固，試圖在熱和壓力的作用下，使纖維間產生更多的黏結，以達到增加材料強力的目的。

1 試驗部分

1.1 材料

廢革膠原纖維:直接通過物理疏解的方法從皮革制品邊角料中制取，纖維的長度、線密度和強力的離散性都比較大。

熱熔纖維4080:雙組分皮芯結構纖維，圓形截面，皮層是熔點約為77℃的低結晶度聚酯(PET)，芯層是熔點約為256℃的普通PET。

在本試驗中，廢革膠原纖維和熱熔纖維4080的質量比為70∶30。兩種纖維的性能參數見表1。

表1 廢革膠原纖維與熱熔纖維4080的性能參數

1.2 樣品制備

1.2.1 氣流成網

采用Rando-Web Process氣流成網機成網，纖網面密度為300 g/m2，出網速度63 m/min，進網速度131 m/min。

1.2.2 水刺加固

采用Fleissner Maschinenfabric D-63328 Egelabash水刺試驗機進行水刺加固。該設備屬于試驗用的小型平網式水刺機，其射流纏結成型系統只有兩個水刺頭，第一個為預濕水刺頭，第二個為主水刺頭。所用噴水板的孔密度為16個/cm，孔徑為0.1 mm。本試驗采用四道水刺，其水刺壓強依次為6.5、8.0、10.0 和12.0 MPa，輸網簾速度為 2 m/min。

1.2.3 熱黏合工藝

采用XLB-400 X400 X2型平板硫化機進行熱黏合。分別改變熱軋溫度、壓強和時間三個參數中的一個參數，進行熱黏合工藝對產品性能影響的試驗。具體參數設置見表2。

表2 熱黏合工藝試驗的參數設置

1.3 產品性能測試

分別參照標準GB/T 24218.1—2009和GB/T 24218.2—2009測定試樣的面密度和厚度;使用HD026N織物強力儀，參照標準 GB/T 24218.3—2010測定試樣的縱橫向拉伸斷裂強力，參照標準FZ/T 60006—1991測定試樣的撕裂強力;使用YG461E數字式透氣量儀參照標準GB/T 5453—1997測定試樣的透氣性能。

為了避免材料不同厚度和面密度等指標對最終強力造成的影響，采用單位斷裂強度的概念來替換斷裂強力，以評定材料的實際拉伸性能。單位斷裂強度按下式計算:

式中:R——單位斷裂強度(cN/tex);

P——斷裂強力(cN);

b——樣品寬度(mm);

m——樣品面密度(g/m2)。

2 結果與分析

2.1 熱軋溫度

2.1.1 對產品拉伸性能的影響

從圖1可以看出，隨著熱軋溫度的升高，產品的縱橫向單位斷裂強度基本呈先增后減的趨勢。未經熱黏合的單一水刺試樣的縱向和橫向單位斷裂強度分別為1.916和1.788 cN/tex。經不同溫度熱黏合的試樣其縱向和橫向平均單位斷裂強度分別為1.996和1.881 cN/tex，平均增幅分別為4.18%和 5.20%。

隨著溫度的升高，膠原纖維和熱熔纖維4080表層結構都會發生一定的變化，該變化使得纖維間產生黏結，在一定范圍內溫度越高，變化程度越大，纖維間形成的黏結點也越多，對材料的斷裂強力產生積極的影響，使得產品的強力增大。

從圖2可以清晰地看到，除了熱熔纖維4080皮層結構的熔融黏合外，膠原纖維本身也有大量的黏結，說明在一定的溫度條件下，膠原纖維中的某些結構被轉化成黏性物質而相互黏結。通過圖3膠原纖維的DSC曲線可以發現，該纖維在103℃附近出現一個吸收峰，說明膠原纖維在接近該溫度時部分結構開始產生變化，逐漸轉變成黏性物質。

從外觀也可以發現，隨著熱軋溫度提高，所制產品的表面由粗糙變為光滑，厚度明顯減小，手感由柔和變為硬挺。

圖2 不同熱軋溫度樣品的表面形態

圖3 膠原纖維的DSC曲線

2.1.2 對產品撕裂強力的影響

由圖4可以看出，隨著熱軋溫度的升高，產品的縱橫向撕裂強力均呈遞減的趨勢?？椢锼毫褟娏Φ拇笮∨c構成織物紗線強力或纖維成近似正比關系。紗線或纖維的斷裂伸長率越大、摩擦因數越小，受力三角區越大，撕裂強力也越大［5］。

膠原纖維與熱熔纖維4080在熱的作用下會發生變形，在保持熱軋壓強不變的條件下，溫度越高，纖維的變形越大。在變形過程中纖維間的相互滑動阻力增大，撕裂三角形區域減小，同時纖維的斷裂伸長率因熱的作用而下降，故產品的撕裂強力下降。

圖4 熱軋溫度對產品撕裂強力的影響

由圖4還可以看出，產品的縱橫向撕裂強力較為接近，這是由于本試驗采用氣流成網，使得材料呈現各向同性的特征。

2.1.3 對產品透氣性能的影響

由圖5可以看出，隨著溫度的升高，產品的透氣率不斷減小。在熱軋過程中纖維發生變形，纖維集合體受到壓縮，影響到纖維的狀態和排列，材料中的孔隙減少，導致材料透氣性降低。

圖5 熱軋溫度對產品透氣性能的影響

2.2 熱軋壓強

2.2.1 對產品拉伸性能的影響

由圖6可以看出，隨著熱軋壓強的增大，產品的縱橫向單位斷裂強度都呈先增大后減小的趨勢，兩者都存在臨界值點。未經熱黏合的單一水刺試樣的縱向和橫向單位斷裂強度分別為1.916和1.788 cN/tex。經不同壓強熱黏合試樣的縱向和橫向平均單位斷裂強度分別為2.065和1.895 cN/tex，平均增幅分別為7.78%和5.98%。產品縱向和橫向的單位斷裂強度分別在熱軋壓強為5和7 MPa時達到最大值。熱軋壓強的大小對膠原纖維和熱熔纖維4080的變形、流動和擴散產生影響。在一定范圍內，隨著熱軋壓強的增大，兩種纖維的變形都將加劇，在壓力的作用下纖維組分的流動使得材料產生較好的黏合效果;但當熱軋壓強高于某一數值后，過高的壓強反而對纖維的結構造成破壞，導致纖維力學性能下降，整體表現為材料的強力下降。

圖6 熱軋壓強對產品單位斷裂強度的影響

2.2.2 對產品撕裂性能的影響

由圖7可以看出，隨著熱軋壓強的增大，產品的縱向和橫向撕裂強力均先增大后減小。分別在不同的壓強值處取得極值。

圖7 熱軋壓強對產品撕裂性能的影響

在一定范圍內，壓強增大使纖維的變形加劇，纖維間開始產生一定程度的黏結，纖維間黏結作用的增強使纖維間的摩擦阻力增大，因而撕裂強力變大;但當壓強高于某一個臨界值后，繼續增大壓強，纖維的結構受到破壞，纖維的斷裂伸長率下降，材料的撕裂強力開始減小。

2.2.3 對產品透氣性能的影響

由圖8可以看出，隨著熱軋壓強的增大，材料的透氣性不斷下降。熱軋壓強增大使得材料中纖維產生不同程度的變形，孔隙變小，從而使產品的透氣性下降。

2.3 熱軋時間

2.3.1 對產品拉伸性能的影響

從圖9可以看出，隨著熱軋時間的延長，產品縱橫向單位斷裂強度均先增大后稍有減小。未經熱黏合的單一水刺試樣的縱向和橫向單位斷裂強度分別為1.916和1.788 cN/tex。經不同時間熱黏合試樣的縱向和橫向平均單位斷裂強度分別為2.043 和1.861 cN/tex ，平均增幅分別為6.63%和4.08%。熱軋時間對纖網變形的程度以及熱傳遞過程都有較大的影響。熱軋時間越長，纖網受熱作用的時間越長，纖網中纖維在溫度和壓力的作用下發生變形，同時伴隨著纖維組分的流動與擴散，纖維變形部分相互接觸并產生擴散，擴散作用有利于形成良好的黏合。相關研究表明，高聚物在黏合過程中的擴散距離僅為1 nm左右，但對于纖網形成良好的黏合有重要的作用［6］。由此說明，一定范圍內熱軋時間的延長，可以使纖維組分達到較好程度的擴散，纖維間形成較好的黏合;但超過某一時間后，高聚物不再隨時間的延長而繼續流動，對纖維間黏結點的形成不再起作用，而熱和壓力的持續作用會對纖維的力學性能造成更多消極影響，反而使材料的整體強力減小。

圖8 熱軋壓強對產品透氣性能的影響

圖9 熱軋時間對產品單位斷裂強度的影響

2.3.2 對產品撕裂性能的影響

由圖10可以看出，隨著熱軋時間的延長，產品的縱橫向撕裂強力均呈先增后減的趨勢，產品的縱向和橫向撕裂強力分別在熱軋時間為5和3 s時

達到最大值。熱軋時間越長，纖網受熱作用的時間越長，纖網中的纖維在溫度和壓力的作用下發生變形。在臨界時間點之前纖維變形越大，組分的擴散越好，纖維間的黏結作用也越好;當超過臨界時間點后，時間的延長對纖維組分的擴散不再起作用，纖維的黏結點不再增加，而溫度和壓強的作用會對纖維的結構造成破壞，使得纖維的力學性能下降，在宏觀上表現為材料的撕裂性能下降。

2.3.3 對產品透氣性能的影響

由圖11可以看出，隨著熱軋時間的延長，產品的透氣性能不斷下降。熱軋時間越長，纖維產生的變形越大，材料中的孔隙不斷減小，使得材料的透氣性能持續下降。

圖10 熱軋時間對產品撕裂性能的影響

圖11 熱軋時間對產品透氣性能的影響

3 結論

(1)在膠原纖維中混入一定比例的熱熔纖維，經水刺纏結后再進行熱黏合加固能有效提高材料的斷裂強力。

(2)熱黏合工藝參數的變化對產品的拉伸斷裂強力、撕裂強力和透氣性都會產生一定的影響。產品的縱橫向單位斷裂強度隨著熱軋溫度、壓強和時間的增加，基本呈現先增大后減小的趨勢;撕裂強力隨著熱軋溫度的升高而遞減，隨著熱軋壓強的增加和熱軋時間的延長呈現先增大后減小的趨勢;透氣率隨著熱軋溫度、壓強和時間的增加而降低。

(3)在熱軋過程中，除了熱熔纖維4080表層熔融產生黏合外，膠原纖維中某些結構被轉變為黏性物質也發生黏結，也能使材料拉伸斷裂強力提高。

［1］姚理榮，林紅，陳宇岳.膠原蛋白纖維的性能與應用［J］.紡織學報，2006，27(9):105-107.

［2］李曉，馬興元.膠原纖維復合材料的研究進展［J］.中國皮革，2010，39(7):33-37.

［3］楊肇劍，殷保璞，寧菁菁，等.廢革膠原纖維性能及其水刺加工可行性分析［J］.中國皮革，2011，40(1):1-4.

［4］沈戈，何南霏，馮凱，等.廢革膠原纖維對重金屬(Cu2+)吸附性能的研究［J］.產業用紡織品，2011，29(7):20-23.

［5］于偉東.紡織材料學［M］.北京:中國紡織出版社，2006:295-299.

［6］柯勤飛，靳向煜.非織造學［M］.上海:東華大學出版社，2004:144-145.