香蒲絨高蓬松絮片制備與壓縮性能評(píng)價(jià)

游香瑾,曹勝彬,徐廣標(biāo),b

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院;b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620)

香蒲絨高蓬松絮片制備與壓縮性能評(píng)價(jià)

游香瑾a,曹勝彬a,徐廣標(biāo)a,b

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院;b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620)

采用氣流成網(wǎng)并結(jié)合熱風(fēng)黏合法制備了4種不同混比的香蒲絨及木棉高蓬松絮片,測(cè)試評(píng)價(jià)了絮片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和壓縮性能.通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),制備的絮片中纖維隨機(jī)排列,纖維間由ES纖維(聚乙烯、聚丙烯共混)熔融黏結(jié),絮片孔隙率高達(dá)90%以上.利用KES-FB3壓縮測(cè)試儀測(cè)試,結(jié)果發(fā)現(xiàn)，香蒲絨/ES(80/20)絮片壓縮功為15.52 cN·cm/cm2,而木棉/ES(80/20)絮片壓縮功為17.36 cN·cm/cm2,香蒲絨/ES (80/20)絮片壓縮回復(fù)率為46.32%,略大于相同混比的木棉/ES絮片壓縮回復(fù)率,絮片中加入低比例的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維對(duì)絮片壓縮性能影響不大.

香蒲絨纖維;高蓬松絮片;形態(tài)結(jié)構(gòu);壓縮性能

香蒲絨是香蒲植物所結(jié)果實(shí)上緊密排列、結(jié)構(gòu)類似羽絨的朵狀纖維,主要包括主干、單纖和種子[1].基于蒲絨纖維的特性而被應(yīng)用到一些領(lǐng)域: 如蒲絨纖維質(zhì)地柔軟,常用來(lái)做枕絮[2]； 截面不規(guī)則,可積聚相當(dāng)多的靜止空氣,有保暖隔熱的作用,可利用香蒲絨纖維生產(chǎn)隔熱材料[3];香蒲絨纖維表層有蠟質(zhì)和果膠,密度小于水且不溶于水,能做浮力材料[4],也能用做吸油材料[5],已有學(xué)者研究香蒲絨集合體的吸油性能[6].

但是,由于香蒲絨具有纖維短、輕、不易收集、易折斷等缺點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)大部分香蒲絨處在自生自滅狀態(tài),香蒲絨纖維的開發(fā)與利用受到了極大的限制,造成了天然資源的浪費(fèi)[7].蒲絨纖維來(lái)源廣泛,成本低,纖維自身可以生物降解,對(duì)環(huán)境友好[8],其具有廣泛的應(yīng)用前景.因此,本文制備了不同混比的香蒲絨高蓬松絮片,并研究了絮片的壓縮性能,為進(jìn)一步應(yīng)用在浮力、吸油領(lǐng)域提供依據(jù).

1 絮片制備

1.1 纖維原料

本文從松江的某湖泊中采集香蒲絨纖維原料,從浙江海寧某公司取得木棉、ES(聚乙烯、聚丙烯共混)纖維、PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)纖維.香蒲絨如圖1所示,具有樹枝狀結(jié)構(gòu),類似羽絨纖維.

圖1 香蒲絨的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cattail

1.2 絮片試制

采用氣流法制作纖維網(wǎng),結(jié)合熱風(fēng)黏合法來(lái)固結(jié)纖維網(wǎng)[9],從而制備絮片.首先按比例稱取纖維樣品,通過(guò)刺輥分別開松4種纖維,再將開松后的纖維按比例橫鋪至直取式角釘簾混棉機(jī)中進(jìn)行預(yù)混合,再通過(guò)混棉機(jī)重復(fù)一次混合,采用美國(guó)Rando氣流成網(wǎng)機(jī)制網(wǎng),得到片狀纖維集合體.最后,用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱干燥烘制,為使得熱黏合纖維融化,黏結(jié)纖維網(wǎng),需要給纖維網(wǎng)加熱， 同時(shí)為了保證絮片有穩(wěn)定蓬松度,需要給纖維網(wǎng)施加一定壓強(qiáng). 試驗(yàn)中,烘制溫度調(diào)至150 ℃,集合體表面所施加壓強(qiáng)為1.4×105Pa.

ES纖維是一種最理想的熱黏合纖維[10],熱定形加固過(guò)程中形成纖維間黏結(jié)結(jié)構(gòu),提高絮料的綜合性能.加入PET纖維,用于測(cè)試絮片加入化學(xué)纖維后的性能變化情況.

為了使樣品受熱均勻,在加熱到一半時(shí)間時(shí)要將樣品翻面.由于香蒲絨與木棉纖維的體積密度相差近2倍,因此在烘制時(shí)間上有所不同.采用不同混比方案,制備4種高蓬松絮片如表1所示.

表1 纖維絮片試樣
Table 1 Fiber wadding samples

參數(shù)ABCD絮片成分香蒲絨/ES香蒲絨/ES/PET木棉/ES木棉/ES/PET成分比例80/2060/20/2080/2060/20/20加熱時(shí)間/h1.51.52.02.0

1.3 絮片形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用日立3000型臺(tái)式掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試樣A、B、C、D進(jìn)行形態(tài)觀測(cè).根據(jù)試驗(yàn)需求撕取適量試樣輕輕貼在圓形樣品臺(tái)上,注意保持撕取的樣品平整,對(duì)試樣噴金后放入電鏡真空箱里進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖2和3所示.

圖2 不同混比的香蒲絨絮片表面形態(tài)Fig.2 Surface morphology of cattail wadding with different blending ratios

圖3 不同混比的木棉絮片表面形態(tài)Fig.3 Surface morphology of kapok wadding with different blending ratios

由圖2和3可知：纖維在絮片中隨機(jī)分布,自身形態(tài)保持良好;絮片中添加的ES纖維,作為熱黏合纖維在高溫條件下會(huì)發(fā)生熔解從而將周圍的纖維黏合起來(lái).

1.3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)試

在室內(nèi)溫度為(20±5)℃和相對(duì)濕度為(60±5)%條件下，用FA2002A型電子天平(精度為0.000 1 g)稱取圓形絮片的質(zhì)量,絮片面積為0.007 2 m2,換算求得面密度;用YG141N型數(shù)字織物厚度儀,參照GB/T 3820—1997測(cè)量絮片厚度,壓腳壓力設(shè)定為20 cN.根據(jù)孔隙率的計(jì)算公式[11](如式(1)所示)得出絮片的孔隙率(φ).

φ=1-ρA/ρ×h×1 000

(1)

其中:ρA為絮片面密度,g/m2;ρ為混合纖維的加權(quán)平均密度,g/cm3;h為絮片厚度,mm.

4種高蓬松絮片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示,除密度之外其余參數(shù)均取自5個(gè)試樣的平均值.

表2 絮片參數(shù)
Table 2 Wadding parameters

指標(biāo)ABCDρ/(g·cm-3)0.460.360.320.34ρA/(g·m-2)322.8202.3295.0213.1h/mm9.839.249.799.93φ/%93.6295.9595.7197.04

2 壓縮性能測(cè)試及評(píng)價(jià)

2.1 壓縮性能測(cè)試

采用KES-FB3型壓縮測(cè)試儀,壓頭面積設(shè)定為10 cm2,壓腳升降最大速度設(shè)定為0.1 cm/s,最大壓力設(shè)定為10 cN,參照FZ/T 01051.2—1998測(cè)試絮狀纖維集合體的壓縮性能.各絮片均取5份試樣,每份試樣測(cè)試5次.壓縮性能指標(biāo)[12]分別為壓縮功(WC)、壓縮彈性回復(fù)率(RCn)和壓縮曲線的線性度(LC).

(2)

式中: P為壓縮過(guò)程中的外力.

(3)

式中:n為連續(xù)壓縮中的第n次壓縮循環(huán);1表示第1個(gè)壓縮循環(huán).

LC=2WC/Pm(T0-Tm)

(4)

式中: Pm為最大壓力值，Pm值越大,表明壓縮曲線越接近于直線,壓縮功越小；T0為0.05 kPa輕壓時(shí)絮片的厚度,即初始厚度;Tm為9.80 kPa重壓時(shí)絮片的厚度,即最大壓力時(shí)的厚度.

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 壓縮曲線

利用KES-FB3型壓縮測(cè)試儀得到4種隨機(jī)排列絮狀纖維集合體的壓縮回復(fù)曲線如圖4所示.

圖4 4種纖維絮片壓縮回復(fù)曲線Fig.4 Compression resilience curves of four fiber waddings

由圖4可以看出,4種高蓬松絮片的壓縮曲線形狀相似,都為平凹型且存在壓縮滯后.對(duì)于4種不同混比的高蓬松絮片而言,初始階段隨著施加壓力的增大,厚度迅速減小,出現(xiàn)拐點(diǎn)后,壓力迅速增大,厚度變化變小至穩(wěn)定,即Tm;隨著壓力緩慢減小,絮片緩慢回彈,厚度會(huì)漸漸增加.由于壓縮彈性回復(fù)率不能達(dá)到100%,壓縮回彈具有滯后性,相同壓力下,回復(fù)后的絮片厚度要小于壓縮前絮片厚度.

香蒲絨/ES和香蒲絨/ES/PET絮片的壓縮曲線位置比較接近,壓縮性能相差不大,而木棉/ES和木棉/ES/PET絮片的壓縮曲線相距較遠(yuǎn).

2.2.2 壓縮性能測(cè)試結(jié)果

每種試樣進(jìn)行20次壓縮回復(fù)試驗(yàn),壓縮性能指標(biāo)取其平均值,結(jié)果如表3所示.

表3 壓縮性能測(cè)試結(jié)果
Table 3 Testing results of compression property

指標(biāo)ABCDWC/(cN·cm·cm-2)15.5215.4917.3617.54RC/%46.3247.1145.2243.13LC/%37.4537.7629.2829.48

由表3可以看出， 香蒲絨/ES(試樣A)、香蒲絨/ES/PET(試樣B)絮片的壓縮性能相近,木棉/ES(試樣C)、木棉/ES/PET(試樣D)的壓縮性能相近,這說(shuō)明PET纖維的加入對(duì)絮片的壓縮性能沒(méi)有太大影響.

表3中試樣A和B的壓縮功小于試樣C和D的壓縮功.壓縮功表示壓縮過(guò)程中外力P對(duì)單位面積試樣所做的功,壓縮功數(shù)值越大表示絮片越蓬松.木棉絮片的壓縮功大于香蒲絨絮片的壓縮功,所以木棉絮片要比香蒲絨絮片更蓬松、柔軟.原因可能是木棉纖維是中空纖維,中空度很大,為80%～90%.絮片孔隙率對(duì)絮片壓縮功有著很大的影響.

表3中試樣B的壓縮彈性回復(fù)率大于試樣A.與木棉絮片相比,香蒲絨絮片壓縮彈性回復(fù)率較大,與孔隙率的大小成反比,壓縮后,香蒲絨絮片的回復(fù)性較好.孔隙率不利于提高絮片壓縮回復(fù)性,因?yàn)榭紫对趬嚎s后不易回復(fù).一定比例的PET纖維加入對(duì)壓縮回復(fù)性影響不大.

試樣A和B線性度接近,試樣C和D線性度接近,但試樣A和B的線性度要大于試樣C和D的線性度. 線性度等于壓力變形曲線下的面積對(duì)該曲線兩端點(diǎn)連線下面積之比,表示壓縮曲線接近于直線的程度.從表3中得知木棉絮片的線性度小,木棉絮片被壓縮時(shí)單位質(zhì)量所需要的壓力小,使得絮片易被壓縮.這和木棉本身的大中腔結(jié)構(gòu)有關(guān).

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)氣流成網(wǎng)結(jié)合熱風(fēng)黏合法加工工藝,制備香蒲絨絮片,選用木棉絮片作為對(duì)比試樣.在掃描電子顯微鏡下觀察絮片的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),內(nèi)部纖維隨機(jī)排列,ES纖維形成黏合點(diǎn),孔隙率達(dá)到90%以上.

研究了高蓬松絮片的壓縮性能,得到香蒲絨/ES壓縮功為15.52 cN·cm/cm2,香蒲絨/ES/PET壓縮功為15.49 cN·cm/cm2,與之相比木棉/ES壓縮功為17.36 cN·cm/cm2,木棉/ES/PET壓縮功為17.48 cN·cm/cm2.香蒲絨絮片的壓縮功小于木棉絮片的壓縮功,木棉絮片更蓬松、柔軟.香蒲絨絮片的壓縮回復(fù)性能優(yōu)于木棉絮片的壓縮回復(fù)性能.香蒲絨絮片相較于木棉絮片，不易被壓縮.一定比例的PET纖維的加入對(duì)絮片的壓縮性能影響不大.

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Preparation and Compression Evaluation of Cattail High-Loft Wadding

YOUXiang-jina,CAOSheng-bina,XUGuang-biaoa,b

(a. College of Textiles;b. Key Laboratory of Textile Science &Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Four kinds of high-loft wadding with different blending ratios of cattail and kapok were prepared by adopting air laying web and hot air-through bonding process. These wadding’s structural parameters and compressive properties were tested and evaluated. It was found that fibers in the wadding were arranged randomly and bonded by the melting ethylene-propylene side by side (ES) fibers using the scanning electron microscope;the wadding porosities were up to 90%. The results which got by the KES-FB3 compression tester show that the compress work of cattail/ES (80/20) wadding is 15.52 cN·cm/cm2,the compress work of kapok/ES (80/20) wadding is 17.36 cN·cm/cm2,the compress recovery rate of cattail/ES (80/20) wadding is 46.32%,which is larger than the same ratio of cattail/ES wadding slightly. The low proportion of polyethylenetere-phthalate (PET) has little effect on the wadding’s compressibility.

cattail fiber;high-loft wadding;morphology;compressibility

1671-0444 (2016)05-0689-04

2015-08-20

游香瑾(1991—)，女，河南周口人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔棽牧系慕Y(jié)構(gòu)與性能. E-mail: 2130083@mail.dhu.edu.cn 徐廣標(biāo)(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail: guangbiao_xu@dhu.edu.cn

TS 102.2

A