梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的制備及其性能

趙寶寶， 錢 幺， 錢曉明， 范金土,2， 朵永超

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 康奈爾大學 人類生態學院， 紐約 14850)

超細纖維非織造材料具有比表面積大、手感柔軟等特點，廣泛應用于國防軍工、環境治理、能源、服裝和建筑等領域。現有的超細纖維非織造材料制備方法主要有靜電紡絲法[1]、熔噴法[2]、閃蒸法[3]和雙組分復合紡絲法[4]，但分別存在纖維強度低、溶劑殘留和技術封鎖等問題。

裂離型(如中空桔瓣型)雙組分紡粘技術是基于復合紡絲的新型非織造材料成型方法，具有高速、高效、高產的特點。該技術所制備的雙組分中空桔瓣型長絲在外力(如高壓水射流)擠壓剪切下，可以克服纖維中2種高聚物組分間的分子間作用力，打破組分間界面，進而實現高效、高速綠色生產高強長絲超細纖維非織造材料，成為目前最具前景的超細纖維非織造材料制備技術[5-7]。目前國內外利用雙組分紡粘水刺技術生產超細纖維非織造材料存在如下問題：現有的紡粘固網方式簡單導致了紡粘非織造材料的結構性能單一；中空桔瓣型雙組分紡粘水刺長絲超細纖維非織造材料屬于一種新型的高強輕薄柔軟綠色超細材料，國內外受限于對其結構和特性的深層認識，其高品質環保終端制品有待進一步開發。這些問題嚴重制約了超細纖維非織造材料的發展，成為行業進步的瓶頸[8]。

梯度功能材料是將2種或2種以上具有不同性質的原材料，通過采用不同以往的復合技術控制構成材料的要素(組成、結構)沿某一方向呈連續變化，從而使材料的性質和功能也呈梯度變化的新型材料[9-10]。大量研究表明，梯度功能材料對改善材料本身的熱學性能[11]、力學性能[12]、舒適性能[13]和過濾性能[14-15]等具有顯著作用，已被廣泛應用于紡織、化學、電磁學、生物醫藥等領域。

本文基于雙組分紡粘水刺非織造技術，通過調控水刺工藝(水針壓力)實現對雙組分紡粘水刺非織造材料的梯度開纖，從而制備梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料，并研究了水針壓力對材料結構和性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：聚酯切片(PET，FC510)，工業級，中國石化儀征化纖有限責任公司；聚酰胺6(PA6，1013B)，工業級，日本宇布公司。

儀器：雙組分紡粘水刺非織造材料生產線(天津工業大學)；YG141型織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)；Hitach S-4800型場發射掃描電子顯微鏡(FESEM，日本日立公司)；PSM-165型濾料孔徑測定儀(德國Topas公司)；YG461H型全自動透氣量儀(寧波紡織儀器有限公司)；YG(B)216-Ⅱ型織物透濕測量儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)；萬能強力機(美國Instron公司)；AFC-131型濾料測試臺(德國Topas公司)。

1.2 中空桔瓣型超細纖維非織造材料制備

將PET和PA6 2種切片分別經輸送、干燥、螺桿擠壓機擠壓熔融、過濾器過濾、計量泵定量(PET/PA6質量比為7∶3)后送入紡絲箱體中(280 ℃)，并經噴絲板噴出(16瓣中空桔瓣型：8+8型)，側吹風冷卻(15 ℃)，管式牽伸器高速牽伸后，均勻地鋪置在輸網簾上形成纖網；然后纖網經預加濕后進入水刺區，在高壓水流的作用下纖維開纖并纏結在一起；最后濕纖網經烘干、切邊、卷繞成卷，形成非織造材料。通過改變第3道水刺中水針板5的水針壓力，在水刺固網時實現非織造材料斷面的不同程度開纖，并制備了不同面密度(80、120、160 g/m2)的梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料。梯度結構紡粘水刺非織造材料制備工藝參數如表1所示。

注：第1道水刺和第3道水刺作用于非織造布正面；第2道水刺作用于非織造布反面;K80、K20、K160分別表示不同面密度的水刺非織造材料，-后數值15、22、28分別表示不同的水針壓力。

1.3 測試方法

1.3.1厚度測試

按照GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》，采用YG141 型織物厚度儀測試梯度結構紡粘水刺非織造材料的的厚度。所用壓腳面積為20 cm2，壓重砝碼為100 cN，壓重時間為10 s，每個試樣隨機選擇10個位置進行測試，結果取其平均值。

1.3.2結構表征

采用Hitach S-4800型場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察梯度結構紡粘水刺非織造材料的表面形態和斷面微觀形貌。

1.3.3開纖率計算

雙組分紡粘水刺非織造材料是由未開裂的雙組分纖維和超細纖維(開裂的雙組分纖維)組成，開纖率(SR)不僅是表征雙組分纖維開纖程度的指標，也是表征材料內部各組分纖維混合程度的一個重要指標，由下式進行計算：

式中：L為電鏡照片下的長度，m；h為電鏡照片下的寬度，m；P為材料的孔隙率，%；N為未開裂纖維根數；df為未開裂纖維直徑，m。其中：

式中：u為面密度，g/m2；Th為厚度，mm；ρf為纖維的平均密度，kg/m3。

1.3.4孔徑分布測試

圖1 樣品K120-28 FESEM照片Fig.1 FESEM images of K120-28 sample. (a) Cross section(×200); (b) Front surface (×200); (c) Opposite surface(×200); (d) Enlarged partial cross section closer to front surface(×500); (e) Enlarged partial middle cross section(×500);(f) Enlarged partial cross section closer to opposite surface(×500)

采用PSM-165型濾料孔徑測定儀測試梯度結構紡粘水刺非織造材料的平均孔徑。待測樣品夾具直徑為23 mm，測試液為Topor，測試流量為2 000 L/h。

1.3.5透氣性能測試

按照GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測試》，采用YG461H型全自動透氣儀測試梯度結構紡粘水刺非織造材料的透氣性能。測試壓強為125 Pa，測試面積為 20 cm2。

1.3.6透濕性能測試

采用YG(B)216-Ⅱ型織物透濕測量儀，按照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分：蒸發法》測試梯度結構紡粘水刺非織造材料的透濕性能。測試環境溫度為(38±2)℃，濕度為(50±2)%。由下式可計算透濕率：

式中：W為透濕率，g/(m2·24 h)；Δm為同一實驗組合2次稱量之差，g；Δm0為空白試樣的同一實驗組合2次稱量之差，g；A為有效實驗面積0.00 283 m2；t為實驗時間，h。

1.3.7力學性能測試

采用萬能強力機，參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定 條樣法》測試梯度結構紡粘水刺非織造材料的斷裂強力、斷裂伸長率和撕裂強力。試樣寬度為50 mm，隔距為200 mm，拉伸速度為100 mm/min。

1.3.8過濾性能測試

采用AFC-131型濾料測試臺測試梯度結構紡粘水刺非織造材料的過濾效率和過濾阻力，實驗所用氣溶膠為癸二酸二辛脂(DEHS)，顆粒物質量濃度設定為300 mg/m3，光學粒子計數器可測定0.2～4 μm的分級效率。試樣需裁剪成直徑為170 mm的圓形，夾持在測試夾具中，有效測試面積約為176 cm2，在3.4 m3/h(即風速5.33 cm/s)的標準流量下進行測試。

2 結果與討論

2.1 非織造材料的結構表征

圖1示出樣品K120-28的電鏡照片。

從圖1可看出，雙組分紡粘長絲纖維網的正/反面經不同水針壓力作用后，所制備的非織造材料的截面均具有明顯的梯度結構。這主要是由于非織造材料正面(見圖1(b))的水針壓力大(5、18、22、15 MPa)，靠近正面的雙組分纖維得到較充分的水流作用力而產生裂離，使雙組分纖維的開纖率較高(SR為88.7%)，進而纖維較細(平均直徑為4 μm)，并且纖維在高壓水射流的作用下相互糾纏、抱和而形成致密結構，如圖1(d)所示；隨著水刺深度的增加，雙組分纖維所承受的水刺壓力逐漸減小，開纖率有所降低，如圖1(e)所示；非織造材料反面(見圖1(c))的水針壓力小(10、10 MPa)，作用于雙組分纖維的水流作用力較小而未能產生充分的裂離，使雙組分纖維的開纖率較低、進而纖維相對較粗(平均直徑為20 μm)，纖維層結構較為疏松，如圖1(f)所示。

表2示出不同面密度條件下梯度結構紡粘水刺非織造材料的特征參數。可知，當面密度一定時，隨著水針壓力的增大，梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的平均厚度均減小，表層開纖率均增大。這是因為高壓水射流使纖網中的纖維發生裂離并不斷纏結，纖網結構變得致密，梯度結構更明顯。還可發現，隨著水針壓力的增大，非織造材料的平均孔徑逐漸減小。對于梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料來說，材料的孔徑主要取決于正面超細纖維層。表層開纖率增大導致厚度方向上纖維變細，堆疊的纖維數量增多，使得纖維間彎曲的孔隙相互貫通的概率減小。此外，水針壓力增大使得纖維間的纏結、抱和更加緊密，纖維間的孔隙減小，超細纖維層結構更加致密。

表2 梯度結構紡粘水刺非織造材料的特征參數Tab.2 Characteristic parameters for gradient bicomponent spunbond-hydroentangling nonwoven materials

2.2 非織造材料的透氣透濕性能分析

圖2、3分別示出不同面密度下水針壓力對透氣性能和透濕性能的影響。由圖可知，梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的透氣率和透濕量都較高，分別為474.06 mm/s和4 486.32 g/(m2·24 h)。這主要是由于：1)梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料具有多孔的結構；2)開纖后多角形的纖維形成的微孔具有很好的毛細管效應；3)PA6 纖維具有較好的親水性。

圖2 不同水針壓力下面密度對透氣性能的影響Fig.2 Influence of different weights on air permeability under different hydroentangling pressures

圖3 不同水針壓力下面密度對透濕性能的影響Fig.3 Influence of different weights on water vapor permeability under different hydroentangling pressures

從圖2可看出，當面密度一定時，梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的透氣率隨著水針壓力的增大而下降。其原因是隨著水針壓力的增大，非織造材料的梯度結構更明顯(開纖率的變化)，正面的開纖程度高，平均纖維直徑較細，纖維間的纏結更緊密，在表面形成致密層，非織造材料的孔徑減小(見表2)，導致透氣率下降。另外，當水針壓力一定時，梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的厚度增大(見表2)，促使非織造材料的屈曲狀孔徑增多，直接連通狀的孔徑減少，導致透氣率下降。

從圖3可看出，當面密度一定時，梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的透濕量隨著水針壓力的增大而下降。原因主要有2個方面：一方面是較高的水針壓力導致非織造材料的開纖率增加、平均直徑和孔徑減小，不利于非織造材料向空氣中釋放表面吸附水；另一方面，隨著水針壓力的增大，非織造材料的厚度減小，水汽散發的路徑縮短，利于水汽的快速傳遞，導致散濕速度增加。可看出梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的透濕性能主要受材料梯度開纖程度的影響。另外，當水針壓力一定時，梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的透濕量隨著面密度的增加而減小，這是因為非織造材料整體的開纖程度差不多，主要受厚度的影響。

2.3 非織造材料的力學性能分析

表3示出梯度結構紡粘水刺非織造材料的力學性能。可知，當面密度一定時，隨著水針壓力的增大，梯度結構紡粘水刺非織造材料的縱/橫向強力先增大后減小，斷裂伸長率先減小后增大。這是因為隨著水針壓力的增大，纖維的糾纏緊密，纖維間相互包纏，非織造材料的斷裂強力隨水針壓力增大而增加，斷裂伸長率隨水針壓力增大而減小。另一方面，在高壓水針沖擊下，圓形復合纖維分裂成三角扁平形超細纖維，纖維的細度減小，使得纖維間接觸面積增大，纖維間摩擦力增加，加強了握持力的作用和效果，導致非織造材料的斷裂強力增加和斷裂伸長率減小。隨著水針壓力的進一步增大，纖維間的移動、貫穿和相互糾纏不再增加，水針壓力過大反而可能損傷部分裂離后的超細纖維，造成非織造材料的斷裂強力減小和斷裂伸長率增加。

2.4 非織造材料的過濾性能分析

圖4、5分別示出3.4 m3/h的流量下不同面密度的梯度結構紡粘水刺非織造材料在不同水針壓力下的分級過濾效率和過濾阻力。

圖4 不同面密度下水針壓力對過濾效率的影響Fig.4 Influence of different hydroentangling pressures on filtration efficiency at different weights

由圖4可明顯看出，各試樣的過濾效率均隨粒徑的增加而提高。對于80 g/m2的低面密度試樣，隨著水針壓力的增大(由15 MPa升至22 MPa)，分級過濾效率顯著提高，其中對于0.85 μm粒徑的顆粒物過濾效率從31.3%提高到66.8%(相對提高了113.4%)，但繼續增加水針壓力(由22 MPa升至28 MPa)過濾效率反而降低。原因是，在一定水針壓力范圍內，隨著水刺壓力的增加，開纖率顯著提高，薄型試樣的開纖層多于未開纖層；超過一定水刺壓力時，有可能破壞局部的梯度結構，導致過濾效率降低。對于120、160 g/m2的相對較高面密度試樣，過濾效率隨著水針壓力增加而有所提高，其變化規律一致，原因是高面密度試樣需要受到較大的水刺作用力才能更好地實現由外到內的開纖，隨著水針壓力的不斷增加，表層纖維開纖變細，內部的開纖程度也在逐漸提高，形成的梯度結構更明顯，因此過濾效率不斷提高。

由圖5可明顯看出：隨著面密度的增大，各試樣的過濾阻力顯著增加；在相同面密度下，紡粘水刺非織造材料的過濾阻力隨著水刺壓力的增大而增加；當面密度為80 g/m2、水針壓力為22 MPa時，過濾阻力僅為25.1 Pa。其原因是較高的水針壓力導致非織造材料的開纖率增加、纖維平均直徑和孔徑減小，纖維之間纏結更加緊密，導致透氣性能降低，這與上述透氣率的規律恰好相反。

圖5 不同面密度下水針壓力對過濾阻力的影響Fig.5 Influence of different hydroentangling pressures on filtration resistance at different weights

3 結 論

1)在相同面密度下，隨著水針壓力的增大，雙組分紡粘水刺非織造材料的厚度減小，表面開纖率增大，梯度結構更明顯；平均孔徑減小，透氣透濕性能下降。

2)在相同面密度下，隨著水針壓力的增大，梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的縱/橫向斷裂強力先增加后減小，斷裂伸長率先減小后增加。

3)在相同面密度下，隨著水針壓力的增大，梯度結構雙組分紡粘水刺非織造材料的過濾過濾阻力增加；80 g/m2的低面密度試樣，隨著水針壓力的增大，分級過濾效率顯著提高，其中對于0.85 μm粒徑的顆粒物過濾效率提高了35.5%，但繼續增加水針壓力過濾效率反而降低；對于120、160 g/m2的相對較高面密度試樣，過濾效率隨著水針壓力增加而有所提高。

參考文獻：

[1] BHARDWAJ N, KUNDU S C. Electrospinning: a fascinating fiber fabrication technique[J]. Biotechnology Advances, 2010, 28(3): 325-347.

[2] ELLISION C J, PHATAK A, GILES D W, et al. Melt blown nanofibers: fiber diameter distributions and onset of fiber breakup[J]. Polymer, 2007, 48(20): 3306-3316.

[3] XIA L, XI P, CHENG B. High efficiency fabrication of ultrahigh molecular weight polyethylene submicron filaments/sheets by flash-spinning[J]. Journal of Polymer Engineering, 2016, 36(1): 97-102.

[4] ZHANG Z, TU W, PEIJS T, et al. Fabrication and properties of poly(tetrafluoroethylene) nanofibres via sea-island spinning[J]. Polymer, 2017, 109: 321-331.

[5] ZHANG H, QIAN X M, ZHEN Q, et al. Research on structure characteristics and filtration performances of PET-PA6 hollow segmented-pie bicomponent spunbond nonwovens fibrillated by hydro entangle method[J]. Journal of Industrial Textiles, 2014, 45(1): 48-65.

[6] ZHANG H, QIAN X M, ZHEN Q. Study on the pore size distribution of the bicomponent spunbond nonwoven geotextiles[J]. Materials Science Forum, 2016, 852: 1404-1408.

[7] 王敏，韓建，于斌，等. 雙組分橘瓣型紡粘水刺材料的過濾和力學性能[J]. 紡織學報, 2016, 37(9): 16-20.

WANG Min, HAN Jian, YU bin, et al. Filtration and mechanical performance of orange petal shape bicomponent spunbond-spunlace nonwoven materials [J]. Journal of Textile Research, 2016, 37(9): 16-20.

[8] HOLLOWELL K B, ANANTHARAMAIAH N, POURDEYHIMI B. Hybrid mixed media nonwovens composed of macrofibers and microfibers: part I: three-layer segmented pie configuration[J]. Journal of the Textile Institute, 2013, 104(9): 972-979.

[9] NAEBE M, SHIRVANIMOGHADDAM K. Functionally graded materials: a review of fabrication and proper-ties[J]. Applied Materials Today, 2016, 5: 223-245.

[10] GUPTA A, TALHA M. Recent development in modeling and analysis of functionally graded materials and structures[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2015, 79: 1-14.

[11] WANG Y, WANG Y, ZHANG H, et al. A novel approach to prepare a gradient polymer with a wide damping temperature range by in-situ chemical modification of rubber during vulcanization[J]. Macromolecular Rapid Communications, 2006, 27(14): 1162-1167.

[12] LI X, XIE J, LIPNER J, et al. Nanofiber scaffolds with gradations in mineral content for mimicking the tendon-to-bone insertion site[J]. Nano Letters, 2009, 9(7): 2763-2768.

[13] 唐虹，張渭源，黃曉梅. 機織面料吸濕快干梯度結構的構建[J]. 紡織學報, 2006, 27(8): 41-44.

TANG Hong, ZHANG Weiyuan, HUANG Xiaomei. Construction of moisture absorbent and dry fast woven fabrics[J]. Journal of Textile Research, 2006, 27(8): 41-44.

[14] 申瑩，鄧炳耀，劉慶生，等. 不同填充密度的梯度結構復合濾材的制備及其性能[J]. 紡織學報, 2017, 38(7): 23-27.

SHEN Ying, DENG Bingyao, LIU Qingsheng, et al. Preparation and properties of gradient filter materials with different packing density[J]. Journal of Textile Research, 2017, 38(7): 23-27.

[15] 張恒，甄琪，王俊南，等. 梯度結構耐高溫纖維過濾材料的結構與性能[J]. 紡織學報, 2016, 37(5): 17-22.

ZHANG Heng, ZHEN Qi, WANG Junnan, et al. Structure and performance of high temperature resistant fibrous filters with gradient structure[J]. Journal of Textile Research, 2016, 37(5): 17-22.