黏膠纖維的截面形狀對非織造材料可沖散性能的影響*

常敬穎 李素英 張 旭 孫 信 王建軍

1. 南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通226019；2. 南通威爾非織造新材料有限公司，江蘇 南通 226144；3. 柯恩纖維(德國)北京辦事處，北京100020

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黏膠纖維的截面形狀對非織造材料可沖散性能的影響*

常敬穎1李素英1張 旭1孫 信2王建軍3

1. 南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通226019；2. 南通威爾非織造新材料有限公司，江蘇 南通 226144；3. 柯恩纖維(德國)北京辦事處，北京100020

非織造材料的可沖散性受纖維間摩擦作用的影響，而纖維間摩擦作用又與纖維截面形狀有關。采用木漿纖維、黏膠纖維、PLA纖維為原料，并通過濕法成網工藝，制備面密度為40～60 g/m2的非織造材料，研究黏膠纖維的截面形狀對非織造材料可沖散性能的影響。試驗結果表明，當黏膠纖維長度為8 mm、PLA纖維長度為7 mm、木漿/黏膠纖維質量比為5∶4、熱風溫度為65 ℃時，采用花朵狀截面、表面溝槽多且深的Danufil纖維制成的非織造材料的可沖散性最佳。

截面形狀，濕法成網，可沖散，非織造材料

隨著人們生活水平的不斷提高，日常生活中衛生用品的需求量在不斷增加[1]。近幾年，非織造材料衛生用品的銷售額飛速增長，其中，隨著“二孩”政策的逐步放開，尿不濕的需求增長尤為迅速。相關統計顯示，2014年紙尿褲市場銷售額約290億元人民幣，比2013年的250億元人民幣增長了16%，成人失禁產品的平均年增長率為28%。美國MPE公司預計，到2017年，中國紙尿褲市場銷售額將增長到1 200億元人民幣。北美、西歐、亞太三大地區的非織造材料衛生用品用量最多，總占比接近68%，亞太地區的占比接近35%，增長速度約為8%[2]。

傳統的衛生用品材料一般采用滌綸、丙綸等合成纖維，但這些纖維廢棄后不易被降解。一次性衛生用品材料在使用后一般采用焚燒、填埋等方式進行處理，但這種方式會對環境產生二次污染。此外，科學研究人員通過考察得出，絕大多數的水管堵塞都是由不可沖散的一次性衛生用品所造成的[3]。近幾年新推出的可沖散非織造材料可以廣泛應用于濕紙巾、女性衛生用品、抽水馬桶擦拭紙等[4]。本文采用可生物降解的木漿纖維、黏膠纖維、PLA纖維為原料，并通過濕法成網工藝，制備可降解、可沖散的非織造材料，研究黏膠纖維的截面形狀對非織造材料可沖散性能的影響，通過試驗與分析得出優化工藝參數，以期為可沖散材料的工業化生產提供技術指導。

1 試樣制備

1.1 試驗原料與器材

1.1.1 試驗原料

Bramante、Danufil、Galaxy和Viloft異形截面黏膠纖維(德國Kelheim Fibres公司)，普通黏膠纖維(山東雅美科技有限公司)，PLA短纖維(江陰市杲信化纖有限公司)，木漿短纖維(加拿大West Fraser公司)。

1.1.2 使用設備

濕法成網設備，熱風烘箱。

1.2 試驗方案設計

本試驗主要研究不同截面形狀的黏膠纖維對非織造材料的可沖散性能的影響，因此采用單一變量法，即設置不同截面形狀的黏膠纖維為變量，木漿纖維質量分數、PLA纖維長度及質量分數、黏膠纖維長度和烘箱溫度為定量。單因素試驗方案設計見表1。

表1 單因素試驗方案設計

1.3 制備工藝與流程

可沖散濕法非織造材料的制備流程：原料準備→打漿→稱重混合→攪拌→濕法成網→熱風加固→ 可沖散濕法非織造材料。

按照試驗方案設計要求，用電子分析天平稱取相應質量分數的三種纖維(黏膠纖維為40%，木漿纖維為50%，PLA纖維為10%)，并將稱取的木漿纖維用水浸泡2 h。然后將浸泡后的木漿纖維放入間歇式研磨杯中，研磨5 min，使木漿纖維在水中能夠均勻分散。接著，將PLA纖維和黏膠纖維及攪拌后的木漿纖維一起倒入2 000 mL料桶中，用攪拌機攪拌10 min，使三種纖維混合在一起，并均勻分散在料桶中。將均勻混合的纖維輸送到濕法成網設備，用擠壓板不停地上下擠壓，使纖維進一步混合均勻，并加速將水排出。最終，在成形網上形成一張纖網，待水分去除后將其從成形網上取下，平放靜置晾干后置于烘箱中，設置烘箱溫度為65 ℃，烘干1 h，進一步去除水分，并將PLA纖維熔融而實現黏合作用。

2 性能測試與數據分析

2.1 測試儀器及測試項目

測試過程中使用的儀器及測試項目見表2。

表2 測試儀器及測試項目

2.2 纖維性能測試與分析

濕法成網非織造材料中，纖維既作為主體成分又作為纏結成分和黏合成分，因此纖維性能對非織造材料的最終性能的影響很大。纖維的截面形狀復雜、比表面積大，非織造材料的吸水性好；纖維的斷裂強力高，則非織造材料的斷裂強力高、彎曲剛度小。

2.2.1 纖維截面SEM觀測與分析

將5種不同截面形狀的黏膠纖維制作切片并鍍金，在SEM下觀測的截面形狀如圖1所示。

(a) Bramante纖維

(b) Danufil纖維

(c) Galaxy纖維

(d) Viloft纖維

(e) 普通黏膠纖維 圖1 5種黏膠纖維的截面形狀

由圖1可以得知，Bramante纖維的橫截面呈扁平空心狀，表面有溝槽分布，纖維細度較小；Danufil纖維的橫截面呈花朵狀，表面布有多且深的凹槽，纖維細度較小；Galaxy纖維的橫截面呈Y形或人字形，表面較規整，纖維細度較小；Viloft纖維的橫截面近似矩形，截面四周為波浪形，纖維細度較小；普通黏膠纖維的橫截面呈橢圓形，截面四周為波浪形，纖維細度較大。

2.2.2 纖維斷裂強度測試與分析

纖維斷裂強度采用一次拉伸試驗，預加張力0.5 cN/tex，夾持距離20 mm，拉伸速度20 mm/min；5種黏膠纖維的強度如圖2所示。

圖2 5種黏膠纖維的斷裂強度

由圖2可以得知，Galaxy纖維的斷裂強度最高，普通黏膠纖維次之，其余三種纖維較低。

Galaxy纖維的截面形狀為Y形，進行拉伸試驗時，纖維各角度受力較均勻，不容易產生應力集中，因此能承受的拉伸負荷最大。一般情況下，纖維越粗，其拉伸斷裂強度越高。普通黏膠纖維的細度較大，因此能承受的拉伸負荷較大。

2.3 非織造材料試樣性能測試與分析

2.3.1 均勻性

試樣的均勻性可用試樣厚度及面密度的標準差及變異系數表示。變異系數(CV)可按下式計算：

(1)

式中：R——數據均值；S——標準差。 標準差(S)按下式計算：

(2)

根據式(1)和(2)計算出5種試樣的厚度及質量的標準差和變異系數，結果見表3。

表3 試樣的均勻性

注：R1、R2分別為試樣厚度和50 mm×200 mm的試樣質量(間接反映面密度指標)的平均值(面密度=R2×100)；S1、S2分別為試樣厚度和試樣質量的標準差；CV1、CV2分別為試樣厚度和試樣質量的變異系數

由表3可以看出，5號試樣的厚度和面密度的變異系數都較大，表明普通黏膠纖維制成的試樣的均勻性最差，因為其截面形狀最接近圓形，表面雖有溝槽但不是很多，所以纖維在成網時容易滑移，纖維間抱合力差；2號試樣的厚度和面密度的變異系數都較小，說明Danufil纖維制成的試樣的均勻性最優，因為其截面形狀呈花朵狀，表面的溝槽多且深，成網時纖維間抱合力強。

2.3.2 斷裂強力測試與分析

對5種試樣進行拉伸試驗，結果如圖3所示。

圖3 試樣的斷裂強力

由圖3可知，干態下，采用Viloft纖維制成的試樣的斷裂強力高于其余四種；Viloft纖維經濕法成網后在纖網中呈不規則三維分布，因其截面形狀為扁平狀，且截面四周為波浪形，因此纖維間抱合力較強，能承受的拉伸負荷也最大。濕態下，采用Bramante纖維制成的試樣的斷裂強力高于其余四種，但其在干態下的抗拉伸能力并不出眾，因此，有理由推測這與水的介入有關。Bramante纖維的截面為空心形結構，當其被浸濕后，水進入空心部分使纖維膨脹，導致纖維間抱合力增大，因此能承受較大的拉伸負荷。

2.3.3 吸水率測試與分析

對5種試樣進行吸水率測試，結果見表4。

表4 試樣的吸水率

由表4可知，1號試樣的吸水率最高，這是因為Bramante纖維的橫截面為扁平空心狀；2號試樣的吸水率次之，這是因為Danufil纖維表面具有很多較深的凹槽，水分很容易進入并儲存；其余三種試樣的吸水率相對較低。

2.3.4 可沖散性測試與分析

試樣的可沖散性利用分散性進行表征。將試樣放在裝有300 mL蒸餾水的500 mL燒杯中，用保鮮膜封住杯口，并用橡皮筋將保鮮膜和燒杯固定住，放在THZ-82水浴恒溫振蕩器中，在溫度為35 ℃和1個標準大氣壓的條件下，以500次/min的頻率振蕩[6]，分別在1、2和3 min后觀察試樣在水中的分散情況并拍照(圖4)。

圖4 試樣的可沖散性

由圖4不難看出，2號試樣的分散情況最好，3號試樣次之，1號和4號試樣有一定的分散性但伴有沉淀，5號試樣的分散性較差。

由前文可知，Danufil纖維表面具有很多較深的凹槽，這些凹槽可以作為水的流動通道，纖維在水中浸濕后，水分很容易滲入纖維內部，因此2號試樣的可沖散性最好；Galaxy纖維的截面呈Y形，成網后纖維間隙較大，水分也較容易進入，因此3號試樣的可沖散性較好；普通黏膠纖維的截面形狀較接近圓形，成網后纖維間隙較小，導致水分不易進入，所以5號試樣的可沖散性最差。

3 結語

(1) Bramante纖維的橫截面呈扁平空心狀，表面有溝槽分布，纖維細度較小；Danufil纖維的橫截面呈花朵狀，表面布有多且深的凹槽，纖維細度較小；Galaxy纖維的橫截面呈Y或人字形，纖維表面較規整；Viloft纖維的橫截面呈扁平狀，截面四周為波浪形；普通黏膠纖維的橫截面呈橢圓形，截面四周為波浪形，纖維細度較大。

(2) 當黏膠纖維長度為8 mm，PLA纖維長度為7 mm，木漿/黏膠纖維質量比為5∶4，熱風溫度為65 ℃ 時，2號試樣的均勻性最好；4號試樣在干態下的斷裂強力最大，5號試樣次之；1號試樣在濕態下的斷裂強力最大、吸水率最高，Danufil纖維制品次之；2號試樣的可沖散性最優，3號試樣次之。

(3) 在5種不同截面形狀的黏膠纖維中，截面呈花朵狀、表面溝槽多且深的Danufil纖維是制備可沖散材料的最佳選擇。

[1] 徐紅，汪輝，邵志華，等.新型棉混紡熱熔保暖絮片的開發[C]//雪蓮杯第10屆功能性紡織品及納米技術應用研討會論文集. 2010：391-395.

[2] 張傳雄，趙靜，李桂梅，等.全球非織造衛生用品市場和產業發展研究[J].紡織導報，2011(7)：89-91.

[3] 唐瑤.可沖散非織造材料的工藝及其分散機理的研究[D]. 上海：東華大學，2013.

[4] JONES R B，BOYLAN J R，HOBAR B R，et al. 用即棄產品的可沖散性、可分散性和生物降解性的測定[J].生活用紙，2007(11)：41-44.

[5] 高居義，吳海波.可沖散性濕巾基材水刺加固工藝研究[J].產業用紡織品，2012，30(5)：11-14.

[6] FATIH K，DREW M，BRUCE R．Development of a mathematical model for physical disintegration of flushable consumer products in wastewater systems[J]. Water Environment Research，2009，81(5)：459-465.

Effects of cross-sectional shape of viscose fibers on flushable performance of non-woven materials

ChangJingying1，LiSuying1，ZhangXu1，SunXin2，WangJianjun3

1. School of Textiles，Nantong University，Nantong 226019，China；2. Nantong Well Nonwoven Materials Co.，Ltd., Nantong 226114，China；3. Kelheim Fibres Beijing Office，Beijing 100020，China

Flushable performance of non-woven materials is influenced by the friction between fibers，and the friction between fibers is related to the fiber’s cross-sectional shape. By using wood pulp fibers，viscose fibers，and PLA fibers，non-woven materials with areal densities from 40 to 60 g/m2were prepared through the wet-laying process，and then the effects of cross sectional shape of viscose fibers on flushable performance of non-woven materials were studied. The experimental results showed that when the fiber length of viscose fibers was at 8 mm，the fiber length of PLA fibers was at 7 mm，the weight ratio of wood pulp fibers and viscose fibers was at 5∶4，and the hot air temperature was at 65 ℃，the non-woven materials made of Danufil fibers which had flower-shaped cross-section and many deep trenches on its surface possessed the first-rate flushable performance.

cross-sectional shape，wet-laying process，flushable，non-woven material

*江蘇省產學研聯合創新資金項目(BY2014081-01)

2015-12-10

常敬穎，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向為非織造材料的結構及成型機理與產品開發

李素英，E-mail: lisy@ntu.edu.cn

TS172

A

1004-7093(2016)10-0026-06