濕法水刺可分散材料的結構與性能及其發展趨勢

張寅江， 王榮武， 靳向煜

(東華大學 產業用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620)

用水刺非織造技術制備的便捷濕紙巾擦拭材料越來越受到消費者青睞，全球約有72%的水刺非織造布被用于一次性擦拭材料[1-2]。然而當前使用的水刺濕紙巾摻入大量不可降解化學纖維，丟棄掩埋易造成環境污染，在抽水馬桶又不易沖散，易引起城市管道堵塞和影響污水處理運行等系列環保問題[3]。濕紙巾可沖散的評定，目前只有北美非織造布協會(INDA)/歐洲非織造協會(EDANA)制定的《可沖散性指南》行業準則第3版(GD3)[4]。盡管市場上已有符合準則要求的濕紙巾，但仍易堵塞城市管道，同時第四版行業準則(GD4)依然在修訂完善中[5]。

可沖散性是濕紙巾具備可穿過廁所抽水馬桶底部排水孔而不易堵塞下水道的能力，并且一段時間后產品在環境中不能被辨認出來。可分散性是濕紙巾受水流場剪切力作用而發生瓦解的能力。同時根據GD3規定，真正具有“完全”可沖散性是可沖出性、可分散性和可生物降解性3項性質的綜合評定[6]。針對濕紙巾沖散性仍無合適標準評定，同時可分散概念包括可沖散范疇[7-8]，因此本文中討論材料可分散性來代替可沖散性。另外市場上雖有 3種普遍被認為可分散/沖散濕紙巾[9-10]，但往往添加暫緩濕強劑，跟人體接觸有危害且廢棄后污染環境。

濕法成網發展于造紙技術，生產速度快且可加入特種纖維[11-12]。水力纏結使纖維集合體物理性加固，從而替代黏合劑固結[13]。濕法水刺技術開發的新型純纖維素纖維濕紙巾，在使用時有一定強度，可在抽水馬桶下水道中快速分散，不引起城市管道堵塞[7]；同時無需傾倒或焚燒可完全降解，減少了對環境的污染。該工藝制備濕紙巾已成為可分散濕紙巾的發展方向[14]，然而，目前只有對濕法水刺制備的可分散濕紙巾基材初步研究[15-16]。本文通過分析當下濕法水刺可分散材料的發展現狀，介紹該材料結構特點及其性能，并從短切纖維優化、輔助增強體應用和設備工藝改進等角度提出濕法水刺可分散材料未來發展趨勢。濕法水刺工藝屬于造紙與非織造交叉領域，利用二者優勢互補制備新型有濕強且用后又可分散擦拭基材，對行業發展和技術進步具有積極的推動作用。

1 濕法水刺可分散材料

1.1 制備工藝

濕法水刺可分散材料制備包括纖維原料準備，木漿板碎漿，然后與短切再生纖維素纖維均勻混合，通過濕法成型器形成纖維網，再經過水力纏結進行加固后烘干，制得濕法水刺可分散材料[17]。濕法成網是讓纖維漿液均勻分布形成纖網，設備主要包括斜網成形器和圓網成形器[18]；而水力纏結加固需要考慮到纖維集合體使用性能，可分為正反面平網水刺加固，和一面平網與一面轉鼓加固。濕法水刺設備示意圖如圖1所示。

圖1 濕法水刺設備Fig.1 Wetlaid/hydroentanglement equipment.(a) Inclined former;(b) Cylinder former;(c) Double flat screen hydroentanglement;(d) Flat screen and drum hydroentanglement

1.2 纖維構成

濕法水刺可分散材料由木漿和短切再生纖維素纖維構成，以木漿為主體。木漿纖維可來自Buckeye公司的絨毛漿和Weyerhaeuser公司的闊葉漿，長度在1～3 mm，木漿具有良好的親水性，浸透水時可達33%～35%的含水率，同時具有良好的柔軟性[10]。短切再生纖維素纖維長度高于木漿，要求在6～20 mm，可由天絲、Lyocell纖維，異形粘膠(Vioft纖維, Danufil纖維, Bramante纖維, Dante纖維)等構成。異形粘膠是由人工從木漿中提取原料，通過溶劑法紡絲制得的纖維，縱向表面有明顯的溝槽且橫截面無皮芯層[19]。其中：Viloft纖維截面近似矩形；Danufil纖維截面為圓形；Bramante纖維截面為多孔狀中空結構；Dante纖維截面為大中空結構。異形粘膠吸水性好，在水系統中能完全分散，無凝聚現象[20]。

1.3 材料屬性

圖2 材料微觀結構Fig.2 Material microstructures.(a) Surface of wetlaid/hydroentanglement material;(b) Cross-section of wetlaid/hydroentanglement material;(c) Fiber entanglement model of wetlaid/hydroentanglement material;(d) Fiber entanglement model of carding/hydroentanglement material;(e) Fiber model of tissue paper

根據GB/T 5709—1997《紡織品 非織造布 術語》規定，材料纖維成分中長徑比大于300的纖維占全部質量的50%以上，或長徑比大于300的纖維雖只占全部質量的30%以上，但材料密度小于 0.4 g/cm3的，屬于非織造材料，反之為紙[13, 21]。濕法水刺可分散材料面密度按65 g/m2計算，密度平均為0.1 g/cm3。 短切再生纖維素纖維長徑比大于300，且其含量占材料全部質量可在30%以上或小于30%。按照標準，改變短切再生纖維素纖維比例致使材料屬性發生變化，因此濕法水刺可分散材料兼具紙和非織造材料屬性。

1.4 材料用途

濕法水刺可分散材料具有較好的柔軟舒適吸水性，產品孔狀結構與被擦拭物體表面接觸摩擦面積大，且無任何黏合劑，可用于一次性成人嬰兒護理擦拭濕巾、婦女衛生用品、廁所擦拭巾、眼睛擦拭布、成人失禁用品、洗澡巾、卸妝巾和特殊護理等衛生產品[6]，有望完全替代現有一次性擦拭材料。

2 材料結構與性能

2.1 材料結構特征

圖2示出3種擦拭材料的微觀結構[2]。圖 2(a)示出濕法水刺材料表面，其表面有凸條狀水刺紋結構，纖維大都以“U”形纏繞抱合。材料為長短纖維(短切再生纖維素纖維和木漿)纏繞抱合集合體，以木漿為主。短切再生纖維素纖維相互纏繞抱合形成纖維增強體，木漿短纖維纏繞抱合其中。在持續水流剪切場下，木漿易從纖維集合體中分散出來；圖2(b)示出材料橫截面的纖維布局，凸條橫截面處纖維蓬松排列，凹處纖維密實排列；圖2(c)～(e)示出常用的3類濕紙巾基材模型，梳理水刺濕巾基材模型由聚酯和粘膠緊密纏繞抱合構成，纖維集合體整體穩定[22-24]；紙基濕紙巾材料的結構模型主要由木漿和黏合劑構成，用黏合劑固定纖維集合體。

2.2 材料濕態強力

濕紙巾在使用過程中力學上主要涉及使用濕態強力即濕強，其值越大，則品質越好[25]。圖3示出木漿和3種短切再生纖維素(Lyocell纖維, Danufil纖維和Viloft纖維)質量比均為80∶20，在4種水刺壓力(8、13.5、19和24.5 MPa)的作用下，縱橫向濕強和的算術平均值[26]。3種短切再生纖維素纖維長度均為12 mm，線密度為1.7 dtex。

圖3 水刺壓力與濕強關系Fig.3 Relationship between pressure sums and wet strength

3種材料的濕強均可線性擬合，且高度線性相關。水刺壓力和從8至24.5 MPa，材料的濕強從起初差別不明顯(1.8 N/(50 mm))到后期的逐漸拉大(8～10 N/(50 mm))，明顯與短切再生纖維素本身纏繞抱合屬性有關。水刺壓力和在 13.5 MPa以上，3種材料滿足行業規定濕紙巾縱橫向算術平均濕強大于4.5 N/(50 mm)的要求[17]。最終3種材料濕強排列順序是木漿/Lyocell纖維>木漿/Danufil纖維>木漿/Viloft纖維，因此，在同等材料濕強情況下，Lyocell纖維的用量可少于粘膠(Danufil纖維和Viloft纖維)。同時，Lyocell纖維光滑的表面使濕紙巾具有良好的親膚性，產品在使用中不易產生皮膚過敏[27]。

2.3 材料分散性

材料的可分散性決定材料在使用后丟入抽水馬桶下水道能否快速瓦解。常用的材料可分散性測試方法有搖瓶測試法[9]、分散管分散法[28]，攪拌器測試法[29]、Snag-Breakup測試法、搖床法、Hobar測試法[30]等。圖4(a)示出分散管測定材料分散性裝置。該裝置由德國特呂茨勒公司所開發[28]。測試過程首先是將樣品(10 cm×10 cm)放入分散管并用橡皮塞密封，其次分散裝置夾住分散管使其順時針旋轉180°后保持1 s，再順時針旋轉180°回到原來位置，將該過程設為一次循環，如圖4(b)所示。重復該過程，直到樣品被分散成至少25塊。同時根據測試規定，所需的分散循環200次為臨界值，超過該值被測材料無分散性。圖4(c)示出為濕法水刺材料分散性測試的開始，逐步瓦解和最終分散狀態。

圖4 分散管測試Fig.4 Flush tube test.(a) Dispersibility measurement device;(b) One circulation; (c) Dispersion process including start, break up and complete dispersion

圖5中所測定的材料為上述2.2中的3種材料，采用分散管分散方法測得材料在4種水刺壓力和加固作用后分散所需的循環次數[26]。可以看出3種材料隨水刺壓力和增加，所需分散循環次數均，可用指數函數擬合，且高度相關。很明顯，水刺壓力和在8～13.5 MPa間，3種材料所需的分散循環次數接近。主要是該水刺壓力和的作用下，纖維間纏繞抱和較弱，易在水流剪切場中瓦解分散。但是水刺壓力和高于13.5 MPa，材料間所需的分散循環次數續逐漸拉大，所需的分散循環次數排列順序是木漿/Lyocell纖維>木漿/Danufil纖維>木漿/Viloft纖維，跟其濕強最大的性能相對應。原因在于水刺壓力和加大，纖維間纏繞抱合更加緊密，Lyocell纖維表面光滑，纖維間接觸面積較大，纏繞抱合穩定。而Danufil纖維和Viloft纖維表面有溝槽，纖維間接觸面積較小，在水流場中易瓦解分散。同時在相同纖維線密度下，Viloft纖維扁平的截面形態相比Danufil纖維具有較小的纖維彎曲剛度，纏繞抱合的纖維集合體更易在水流剪切作用下瓦解分散[2,26]。同時得出木漿/Lyocell纖維、木漿/Danufil纖維和木漿/Viloft纖維材料可分散性臨界值的水刺壓力和分別為19.5、20.5、和22 MPa。

圖5 水刺壓力和與分散管循環次數的關系Fig.5 Relationship between pressure sums and cycle times of flush tube device

2.4 材料手感

手感是擦拭材料的重要使用性能。手感/柔軟度分析儀(TSA)是通過模擬人手觸感，獲取生活紙、衛生用紙等材料的手感值[31]，其中平滑度和柔軟度是重要表征值[32-33]。圖6示出分析儀測得的3類材料柔軟度與平滑度關系圖[34]。可以看出，濕法水刺可分散材料柔軟度值分布在4～13，平滑度值分布在20～38，比常用的可分散濕紙巾材料具有更好的手感(柔軟和平滑)，但比梳理水刺非織造材料要略差。

圖6 材料柔軟度和平滑度關系Fig.6 Relationship between softness and smoothness

3 發展趨勢

濕法水刺材料由長短纖維集合體構成，在保證可分散、手感舒適等性能基礎上，需要不斷提升材料使用干濕態強力，同時降低生產成本。濕法水刺技術介于紙與非織造材料的交叉領域，未來對濕法水刺材料進一步研究是該領域的發展趨勢。

3.1 短切纖維優化

短切纖維影響材料性能。短切纖維長徑比影響纖維纏繞抱合效果，為滿足材料使用濕強和在水流剪切場中可分散特性，需要合理選擇不同短切纖維的長徑比[2]。短切纖維的抗彎剛度越弱同等條件下越易纏繞抱合，而同一種材料纖維截面形態決定材料的抗彎性能[35]。可對纖維進行截面異形化處理，如科恩公司研發的異形粘膠是通過溶劑法紡絲改變紡絲頭的形狀，制得各種截面形狀的粘膠纖維[36-37]。另外也有提升纖維的比表面積方式，如再生纖維素纖維經拋毛處理，使纖維表面拉毛，既可極大提高纖維的表面積，加強纖維的抱合纏結力，又不影響材料分散性[38]。同時可對短切纖維表面進行改性，增加多孔狀提升表面積，減少表面張力。也可對短切纖維親水性整理從而增加纖維親水性基團，達到良好的分散效果便于濕法成網[12, 39]。

另外，可發揮短切纖維本身特性，如可采用本色木棉與本色棉纖維，二者都無需漂白，減少纖維漂白過程中產生的廢水對環境造成的污染，與木漿粘膠相比具有更佳的柔軟性、舒適性、親水性[40]。帶有保濕因子的材料具有長久較好的手感，也可試著開發帶有保濕因子的短切纖維從而提升產品手感品質[41]。可對短切纖維進行預處理達到在擦拭過程中遇污變色，可感知被擦拭材料的受污狀況。當然短切纖維可擴展為芳綸、玻璃纖維、錦綸、碳纖維、金屬纖維，在木漿為主體的纖維集合體中，無需黏合劑加固。盡管不可降解，但纏繞抱合的短切纖維賦予材料特殊功能。

3.2 輔助增強體應用

纖維間的纏繞抱合有時不足以提供濕法水刺可分散基材使用強力，可應用輔助增強體。濕法水刺材料烘干后進行點線面熱軋，可讓受壓區域纖維緊密結合，形成大量的氫鍵增加使用強力，也有利于消除木漿短纖維易掉毛的問題[42]。同時在材料分散過程中，水分子可以完全破壞纖維間的氫鍵，水流剪切力可以破壞纖維間的纏繞抱和。

在短切纖維纏繞加固同時，可少量引入加強型超短纖維。加強型超短纖維包括雙組分皮芯結構復合纖維(ES)熱熔超短纖維，聚酯(PET)/科佩特聚酰胺(COPET)，聚乙烯醇(PVA)熱熔超短纖維等[39, 43]。熱熔ES纖維或PET/COPET共混纖維的配比可控在1%～5%，進入烘箱或熱軋，熱熔纖維的融化來加固纖維集合體，可明顯提升材料的濕強，但可分散性能略有下降[37]且熱熔纖維不可降解。PVA也可作為黏合劑增強濕法水刺可分散材料[44]，PVA纖維是水溶解性纖維，在溫水中即溶解，水分蒸發后PVA就會重新成膜，從而填補在纖維縫隙，與其相接觸的纖維黏結，可提升使用濕強，同時可避免黏合纖維影響產品降解，實現水中可分散全降解目的。另外在濕法水刺工藝中加入紡絲裝置，高速水針射流使長纖維有規律方向性纏繞增強[45-46]。該長纖維可以是聚乳酸或可降解聚酯，再局部熱軋達到減少掉毛現象，該產品可分散也可降解。另外材料添加有抗黏附成分(有機多分子硅醚)，可減少纖維集合體間的黏附，提高濕紙巾厚度和柔軟性，同時保持良好的濕強和可分散性[47]。

3.3 設備工藝改進

改進設備工藝，提升產品質量。在用轉鼓水刺加固中，可改進不銹鋼轉鼓，使轉鼓不銹鋼絲網的經緯向鋼絲交織處的上下層夾角變得圓潤光滑，產生纖維轉移倒角，使表面不易掛纖同時纖維不會在交織處堆積[48]；在廢水的回用工藝中，通過弧形篩清洗過濾裝置將廢水全部回用，可大大降低能耗和生產成本[49]；采用微針水刺頭出口徑0.08 mm的設計，從而提升水針對短纖維有效作用力，促進纖維的相互纏結[50]；在纖網進入烘箱前，可經過多道全幅寬和雙邊抽吸，降低纖網含水率，從而降低烘干能耗；且烘箱可采用熱風對流式烘干代替缸式接觸烘干，提升烘干效率[13]。

另外可采用多層復合技術制備擦拭材料。木漿濕法成網纖維層與再生纖維素纖維梳理層二者水刺加固制備可沖散可降解的木漿復合非織造布[51]；可代替常規的紙卷復合，減少木漿纖維烘干工藝，降低生產成本；同時粘膠纖維與木漿纖維的比例可靈活調整，不存在換卷接頭[52]。可明顯提升使用強力，且減少纖維流失且吸水性優異。也可采用單斜網多層成形與水刺加固制備濕法水刺可分散材料。

4 結束語

濕法水刺可分散材料根據濕法成網材料具有紙的屬性，水刺加固使長短纖維纏繞抱合材料具有水刺非織造布的特性，且無需任何黏合劑。采用長纖維纏繞抱合作為增強體，具有良好的使用濕強，同時手感接近梳理水刺非織造材料，且可完全分散降解，是一種不堵塞城市衛生系統的理想濕紙巾基材，未來有望完全取代當前不可降解分散的濕紙巾，具有巨大的社會經濟效益。

同時未來可優化短切纖維的形態來制備高濕強且易分散的濕紙巾基材，采用改進短切纖維制備具有特殊功能化的纖維集合體材料。點線面熱軋，少量熱熔纖維和化學助劑引入在不降低分散性基礎上提升材料的濕強。也可從設備工藝角度來提升材料的性能。這些均對濕法水刺可分散材料以及擦拭材料發展具有重要的意義。

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