聚乳酸纖維熱軋非織造布熱軋溫度的優化

(常州紡織服裝職業技術學院，常州市新型紡織材料重點實驗室，常州，213164)

熱軋非織造布是通過纖維的開松、混合、梳理，形成纖網，輸送給一對加熱的軋輥，纖網中的纖維受到軋輥的加熱和壓力作用，發生熔融黏結，從而實現纖網固結而制得的［1］。熱軋法具有工藝流程短、生產速度高、能耗低、產品不帶有任何化學試劑和對人體無害的特點。熱軋非織造布主要用于加工醫療衛生材料、手術衣帽、包裝材料、農用材料和墊材等。

可用于生產熱軋非織造布的纖維品種較多，性能差異大，故需根據產品的用途，充分利用各種纖維的特點，適當選配使用，以改善非織造布的質量。

用于生產衛生材料的非織造布常用的原料是ES復合纖維。ES纖維是用不同熔點的聚合物經復合紡絲制成的。如由聚乙烯(PE)與聚丙烯(PP)復合的皮芯型纖維，其外層組分PE的熔點較低，在外力和熱的作用下，與主體纖維相互黏結，而構成非織造布。該非織造布產品手感柔軟，強度和尺寸穩定性好，能滿足衛生巾、尿片等使用的包覆材料的要求，但是難以降解，存在使用廢棄后造成大量白色污染的問題。

聚乳酸(PLA)纖維也稱為玉米纖維，是采用可再生的玉米、小麥等淀粉原料經發酵轉化成乳酸，然后經聚合、紡絲而成。PLA纖維是一種可完全生物降解的合成纖維［2］，其制品廢棄后在土壤或海水中經微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時不會散發毒氣，不會造成污染，是一種可持續發展的生態纖維。研究PLA纖維在熱軋非織造布中的應用，對于該纖維的產業化推廣，促進非織造布產品的發展具有重要意義。

1 PLA纖維的特點

本研究選用日本產PLA纖維，其與PP/PE復合短纖維物理性能的比較見表1。

表1 PLA纖維與PP/PE復合短纖維物理性能比較

由表1可知:PLA纖維的熔點與PP纖維接近，適宜采用熱軋工藝生產非織造布;PLA纖維的斷裂強度和斷裂伸長率比PP/PE復合短纖維小，而卷曲數比PP/PE復合短纖維略多。

2 PLA纖維熱軋非織造布的工藝技術路線

本試驗在常州某公司進行，該廠的生產設備為臺灣產熱軋機，其工藝流程配置如下:

兩臺開包機→一次開松→立箱(含回棉機構)→二次開松→風壓式振動棉箱→梳理機→皮簾→熱軋機→卷取機→分切驗布機。

2.1 梳理

梳理工序是熱軋非織造布生產的關鍵工序，其主要任務是:進一步開松纖維，將纖維梳理成單根纖維狀態;進一步使纖維混合均勻并梳理成網;在錫林和道夫間插入高速旋轉的雜亂羅拉，使纖網的纖維雜亂排列，減小產品縱橫向強度差異。

2.2 熱軋

熱軋工藝的要素主要是熱軋溫度、軋輥壓力和熱軋線速度［3］。

有關研究表明［4］，熱軋溫度的選擇要根據原料的熔融點來確定。當溫度偏低時，纖維間不能構成一個相互熔融的網狀整體，使纖網黏合不足，達不到應有的強度;當溫度超過最大設定值時，纖維黏合點易發生斷裂，破壞纖維原纖化結構，使非織造布強度下降。

本研究上軋輥采用花輥，下軋輥采用光輥。當纖網通過熱軋輥時，花輥表面占一定比例的花紋凸點與纖網及光輥表面接觸，對纖網施熱和加壓，使纖網在接觸點形成黏結點，從而達到固結纖網的目的。為了防止纖維黏結在花輥上，因而設定花輥的溫度比光輥的溫度低。

熱軋非織造布是靠纖維與纖維之間的熱黏合來固結的，需要軋輥有適當的溫度和壓力，壓力的大小直接影響產品的縱橫向強度及柔軟度。研究表明［5］:在其他條件一定時，軋輥有一個最佳線壓力;當軋輥壓力小于最佳線壓力時，增加軋輥壓力，其產品的強度和柔軟度會隨之提高。在PLA纖維熱軋非織造布生產中，軋輥壓力一般控制在3.9～4.5 MPa范圍內。

熱軋機的生產線速度直接影響纖網受壓受熱時間。當熱軋線速度過慢時纖網會粘在軋輥上，當熱軋線速度過快時部分纖維沒有黏結或黏結不牢，從而使產品的強度降低。本試驗使用的設備，其生產線速度范圍為60～85 m/min。

3 試驗部分

熱軋工藝直接影響熱軋非織造布的強度及柔軟度。本研究采用傳統的軋輥壓力和熱軋線速度，重點討論熱軋溫度對非織造布強度和柔軟度的影響。

3.1 性能測試

(1)拉伸性能:采用YG026M電子織物強力儀，夾持距離100 mm，拉伸速度100 mm/min，試樣寬度5 cm。

(2)硬挺度:采用LLY-01電子硬挺度儀，儀器的測量角度45°，試樣規格25 mm×250 mm，試樣壓板推速0.3～0.5 cm/s。取正反兩次的平均抗彎長度作為某方向的抗彎剛度。

上述試驗試樣數量均為10塊，其中5塊試樣的長邊平行于非織造布的縱向，5塊試樣的長邊平行于非織造布的橫向。

3.2 試驗方案與結果

在4.4 MPa的軋輥壓力和65 m/min的熱軋線速度條件下，改變熱軋溫度，生產20 g/m2的PLA熱軋非織造布，并對其縱橫向斷裂強度和硬挺度進行測試分析，以期尋找最優的熱軋溫度。

PLA纖維的熱熔溫度范圍在165～175℃之間，因而選擇上下軋輥表面溫度為155～165℃之間，以2℃為間隔在該溫度范圍內改變上下軋輥的溫度。

軋輥表面溫度對熱軋非織造布縱橫向強度的影響見圖1。

軋輥表面溫度對熱軋非織造布柔軟度的影響見表2。非織造布的抗彎長度值大，說明其比較硬挺，柔軟度較差。

試樣總抗彎長度VH按下式計算:

式中:Cj——縱向平均抗彎長度;

Cw——橫向平均抗彎長度。

圖1 軋輥表面溫度與熱軋非織造布縱橫向強度的關系曲線

表2 不同軋輥溫度條件下非織造布抗彎長度測試結果

4 結果分析

圖1顯示，隨著軋輥溫度的升高，樣品的縱橫向斷裂強度增大，但是當軋輥溫度達到161℃時再提高軋輥溫度，樣品的強度反而下降。主要原因是在一定的溫度范圍內，軋輥溫度的提高使纖維表面熔融效果改善，增加了纖維間的黏結牢度;而當軋輥溫度超過纖維的熔點后，纖維大分子結構遭到破壞，造成樣品強度下降。

表2顯示，熱軋非織造布的彎曲長度隨著軋輥溫度的上升而增加，說明其柔軟度隨著軋輥溫度增加而下降。這是因為軋輥溫度越高，PLA纖維熔融越充分，從而使纖維之間的黏結狀況變好，硬挺度增加，柔軟度下降。

以最高強度80%的熱軋溫度區域為熱軋溫度黏合窗口［6］，計算得出PLA纖維的熱軋溫度黏合窗口為157～164℃。生產中，可以根據用戶對產品強度和柔軟度的要求在此窗口中進行熱軋溫度的選擇。

5 結論

(1)PLA纖維的熔點為165～170℃，與PP/PE復合短纖維中的芯層PP纖維接近，適宜采用熱軋工藝生產PLA纖維非織造布。

(2)隨著軋輥溫度的升高，PLA纖維熱軋非織造布的縱橫向斷裂強度增大，但是當軋輥溫度達到161℃時，再增加軋輥溫度，其強度反而下降。

(3)隨著軋輥溫度的升高，PLA纖維熱軋非織造布的彎曲長度增加，說明其柔軟度隨著軋輥溫度增加而下降。

(4)PLA纖維的熱軋溫度黏合窗口為157～164℃。生產中，可以根據用戶對產品強度和柔軟度的要求在此窗口中進行熱軋溫度的選擇。

［1］ 言宏元.非織造工藝學［M］.北京:中國紡織出版社，2010.

［2］ 陳寬義，沈季疆.玉米纖維水刺非織造布的研究開發［J］.產業用紡織品，2009，27(7):6-9.

［3］ 張玉慶，吳宏明，李忠明.熱軋非織造布熱軋黏合機理的初步探討［J］.合成技術及應用，1994(3):20-23.

［4］ 張月慶，錢曉明.紡粘法非織造布的黏合機理及熱軋工藝對產品性能的影響［J］.非織造布，2011(6):11-14.

［5］ 周宏輝，尹寶林.薄型熱軋非織造布強力與柔軟度平衡關系的研究［J］.產業用紡織品，2000，18(7):16-19.

［6］ 鄧福元，李翠蘭.衛生用薄型熱軋非織造布的生產技術及其展望［J］.西北紡織工學院學報，1999(12):403-407.