高性能紙尿褲用氨綸的制備及其結(jié)構(gòu)與性能研究

陳厚翔，楊曉印，王建波，梁紅軍，蔣 曙，張經(jīng)瀚

(1. 浙江華峰氨綸股份有限公司，浙江 溫州 325200； 2. 浙江省華峰纖維研究院，浙江 溫州 325200)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，紙尿褲的穿戴舒適性和多功能性成為高性能紙尿褲的研究熱點(diǎn)[1]。因此，開(kāi)發(fā)作業(yè)性優(yōu)異、對(duì)皮膚無(wú)勒痕、固定作用好且不產(chǎn)生側(cè)漏的高性能紙尿褲用氨綸也成為氨綸改性的主要趨勢(shì)之一。氨綸作為一種替代傳統(tǒng)橡膠制松緊線的彈性材料[2]，具有質(zhì)地輕、彈性好、耐候性優(yōu)異等特點(diǎn)，在紙尿褲領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)紙尿褲用氨綸的研究主要是通過(guò)物理改性或者工藝優(yōu)化達(dá)到提高紙尿褲用氨綸的退繞性能和抗蠕變性能[3]，如韓國(guó)曉星株式會(huì)社在氨綸紡絲原液中添加聚苯乙烯提高抗蠕變性和退繞性[4]；美國(guó)英威達(dá)公司通過(guò)添加改性纖維素來(lái)提高退繞性[5]；煙臺(tái)泰和新材股份有限公司采用半連續(xù)聚合工藝制備高黏度原液，在圓形紡絲甬道氮?dú)獗Ｗo(hù)下高速紡絲，采用機(jī)械加捻生產(chǎn)綜合性能優(yōu)異的紙尿褲用氨綸[1]。作者采用物理改性與化學(xué)改性相結(jié)合的方法，化學(xué)改性是提高二異氰酸酯含量，物理改性是添加無(wú)機(jī)納米粒子和內(nèi)外部潤(rùn)滑劑，制備了高性能紙尿褲用改性氨綸(HDS)，研究了HDS的結(jié)構(gòu)與性能，并與常規(guī)紙尿褲用氨綸(CDS)進(jìn)行對(duì)比，期望對(duì)HDS的深入開(kāi)發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

聚四亞甲基醚二醇(PTMG)、乙二胺(EDA)、1,2-丙二胺(PDA)、二乙胺(DEA)：均為德國(guó)巴斯夫公司產(chǎn)；4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)：煙臺(tái)萬(wàn)華化學(xué)股份有限公司產(chǎn)；二甲基乙酰胺、二氧化鈦、油酸酰胺、水滑石和硬脂酸鎂：均為浙江華峰氨綸股份有限公司提供。

1.2 主要儀器

Nicolet iS10傅立葉變換紅外光譜儀:美國(guó)Thermo Fisher公司制；JSM-6700F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)：日本電子株式會(huì)社制；CMT6201型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：美國(guó)MTS系統(tǒng)公司制；CTT-E型多功能動(dòng)態(tài)紗線測(cè)試儀：美國(guó)Lawson-Hemphill公司制。

1.3 紙尿褲用氨綸的制備

將20 kg PTMG與4.839 kg MDI在39.173 kg的DMAC中于50 °C條件下反應(yīng)2 h，得到異氰酸根指數(shù)為1.75的預(yù)聚物，冷卻至12 °C；然后在攪拌條件下加入0.375 kg EDA、0.116 kg PDA、0.071 kg DEA和9.746 kg DMAC的混合胺溶液進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng)；最后加入功能助劑包括0.089 kg硬脂酸鎂、0.089 kg油酸酰胺、0.254 kg二氧化鈦、0.508 kg水滑石，攪拌混合均勻，并經(jīng)熟化后得固含量為35%的紡絲原液；將上述紡絲原液通過(guò)噴絲板在高溫甬道內(nèi)干法紡絲制得線密度為620 dtex的HDS。

采取同樣的方法制備線密度為620 dtex的CDS。但在制備CDS時(shí)，預(yù)聚物的異氰酸根指數(shù)為1.62，纖維中二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%，硬脂酸鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，水滑石含量為0。

1.4 分析與測(cè)試

紅外光譜(FTIR)：分別將2種紙尿褲用氨綸用石油醚萃取后，自然風(fēng)干，采用Nicolet iS10傅立葉變換紅外光譜儀分析其化學(xué)結(jié)構(gòu)。

表面形態(tài)：采用SEM觀察2種紙尿褲用氨綸的表面形貌。

抗蠕變性(即氨綸通過(guò)膠水與無(wú)紡布的粘合牢固性)：采用氨綸的回縮率(S)表征其抗蠕變性，S較低表示抗蠕變性較好。將粘有氨綸的非織造布拉直后固定在平板上，量取長(zhǎng)度(L1)，切斷內(nèi)部氨綸兩端，同時(shí)在其兩端和對(duì)應(yīng)平板上做上標(biāo)記，于40 °C烘箱中放置4 h后量取標(biāo)記處氨綸回縮后的長(zhǎng)度(L2)，按式(1)計(jì)算S。

S=(L1-L2)/L1×100%

(1)

退繞性能：采用多功能動(dòng)態(tài)紗線測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，記錄氨綸絲與卷裝發(fā)生粘連時(shí)的輸出速度與輸入速度，以輸出速度與輸入速度的比值(R)來(lái)表征纖維的退繞性，R越小，表示氨綸絲卷的退繞性越好[6]。

彈性回復(fù)率(E)：將長(zhǎng)度為L(zhǎng)0的氨綸經(jīng)CMT6201型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以500 mm/min速度拉伸至長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，然后再回復(fù)至初始位置處，如此往復(fù)循環(huán)5次，記錄氨綸絲松弛后的長(zhǎng)度L2，氨綸的E按式(2)計(jì)算。

E= (L1-L2)/ (L1-L0)×100%

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR分析

采用紅外光譜分析紙尿褲用氨綸的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，紙尿褲用氨綸的FTIR見(jiàn)圖1，氨綸分子結(jié)構(gòu)中部分紅外吸收峰的歸屬見(jiàn)表1。從圖1和表1可以看出，1 730，1 703，1 637，1 596，1 538 cm-1處吸收峰分別對(duì)應(yīng)游離氨基甲酸酯中CO、氫鍵化氨基甲酸酯中CO、氫鍵化脲基中CO、苯環(huán)骨架CC以及酰胺Ⅱ帶，這些吸收峰均反映的是聚氨酯硬段結(jié)構(gòu)特征，由于HDS中這些吸收峰的強(qiáng)度均高于CDS，說(shuō)明HDS中含有更多的硬段，且HDS的氫鍵化水平更高，這從FTIR中氫鍵化的氨基甲酸酯和脲基的CO吸收峰強(qiáng)度可以證明，這主要是因?yàn)镠DS可提供更多的脲基供體(N—H)和受體(CO)參與形成氫鍵[7]，從而可以達(dá)到更優(yōu)的微相分離程度，獲得更好的性能。

圖1 紙尿褲用氨綸的FTIR圖譜Fig.1 FTIR spectra of spandex for diapers1—HDS；2—CDS

表1 紙尿褲用氨綸的FTIR中部分譜峰歸屬Tab.1 Peak assignment of FTIR spectrum of spandex for diapers

2.2 表面形貌

從圖2所示的HDS和CDS縱向形態(tài)結(jié)構(gòu)的SEM照片可以看出，相比CDS，HDS的表面有大量顆粒狀凸起。這主要是由于HDS中增加了無(wú)機(jī)納米粒子二氧化鈦和水滑石的含量，其中二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%，水滑石質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.0%，而CDS中僅含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%的二氧化鈦。無(wú)機(jī)納米粒子一方面具有較大的比表面積，增加了熱熔膠與纖維的接觸面積，并可顯著提高纖維的表面粗糙度；另一方面其表面富含大量羥基，會(huì)產(chǎn)生顯著的界面效應(yīng)，改善纖維與熱熔膠之間的黏結(jié)惰性，最終使得纖維在熱熔膠的作用下更牢固的黏結(jié)在無(wú)紡布上。

2.3 抗蠕變性

在紙尿褲領(lǐng)域，氨綸的抗蠕變性反映的是氨綸通過(guò)熱熔膠與無(wú)紡布結(jié)合的牢固程度，若氨綸在無(wú)紡布上不發(fā)生滑移，則認(rèn)為抗蠕變性好，即回縮小，S較低，氨綸的固定作用得以發(fā)揮，紙尿褲的形態(tài)才能維持正常[2]。從表2可知，HDS的S為2.6%，而CDS的S為9.8%，HDS較低的S顯示出纖維更好的抗蠕變性，這對(duì)于保證氨綸在紙尿褲中發(fā)揮彈性功能具有重要意義，還能夠確保在較少的熱熔膠用量下達(dá)到優(yōu)異的黏合性，提高紙尿褲的舒適性和經(jīng)濟(jì)環(huán)保性。

表2 紙尿褲用氨綸的抗蠕變性Tab.2 Creep resistance of spandex for diapers

2.4 退繞性能

從表3可以看出，HDS絲卷的表層、中層和里層的退繞性均比CDS要好，而且其表層、中層、里層相互之間的退繞性差異也更小。HDS表層的R為1.20、里層的R為1.30，而CDS表層的R為1.25、里層的R為1.80。因此，HDS的退繞過(guò)程更加均勻順暢，這主要是由于HDS中內(nèi)部潤(rùn)滑劑油酸酰胺與外部潤(rùn)滑劑硬脂酸鎂協(xié)同作用的結(jié)果[8]，一方面在經(jīng)過(guò)高溫甬道的過(guò)程中，紡絲原液中外部潤(rùn)滑劑會(huì)發(fā)生遷移，進(jìn)而在固化的纖維表面間形成潤(rùn)滑膜，保證了隔離性；另一方面內(nèi)部潤(rùn)滑劑降低了聚氨酯分子鏈間的運(yùn)動(dòng)摩擦熱，并減弱剪切力對(duì)潤(rùn)滑膜的破壞，而CDS僅含外部潤(rùn)滑劑，這種綜合作用避免了僅含有外部潤(rùn)滑劑的CDS因高溫、長(zhǎng)期放置等過(guò)程引起卷裝絲線與絲線之間的發(fā)黏現(xiàn)象。

表3 紙尿褲用氨綸的退繞性Tab.3 Unwinding property of spandex for diapers

2.5 彈性回復(fù)性能

纖維的E高，則纖維的彈性好，變形恢復(fù)的能力強(qiáng)。氨綸在經(jīng)過(guò)反復(fù)拉伸后，殘余形變低，彈性回復(fù)性能好，從而保證紙尿褲中氨綸在穿戴時(shí)的固定作用。E主要受硬段位移取向、軟段應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶與軟段推遲高彈形變的影響，其中硬段位移取向?qū)的影響具有不可逆性，而其他兩者的影響是可逆的[9]。將紙尿褲用氨綸經(jīng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以500 mm/min速度拉伸，然后再回復(fù)至初始位置處，如此往復(fù)循環(huán)5次，其分析結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可看出：HDS第5次去負(fù)荷時(shí)的殘余伸長(zhǎng)更小，最終殘余伸長(zhǎng)為7.03 cm，E為92.97%；而CDS第5次去負(fù)荷時(shí)的最終殘余伸長(zhǎng)為10.92 cm，E為89.08%。因此，HDS具有更加優(yōu)異的彈性回復(fù)性能，這主要是由于HDS的硬段結(jié)晶度更高，硬段微區(qū)更加穩(wěn)固，硬段發(fā)生位移取向的可能性更低。

表4 紙尿褲用氨綸的彈性回復(fù)性能Tab.4 Resilience of spandex for diapers

3 結(jié)論

a. 相比CDS， HDS的分子結(jié)構(gòu)中具有更高的硬段含量和更高的氫鍵化水平，可以達(dá)到更優(yōu)的微相分離程度，獲得更好的性能。

b. 通過(guò)添加無(wú)機(jī)納米粒子二氧化鈦和水滑石進(jìn)行物理改性，HDS的表面含有大量的納米顆粒狀凸起，起到提高抗蠕變性的作用，HDS的S為2.6%，CDS的S為9.8%，HDS顯示出更優(yōu)異的抗蠕變性。

c. 內(nèi)外部潤(rùn)滑劑的協(xié)同改性能顯著改善紙尿褲用氨綸的退繞性，HDS的表層、中層和里層的退繞性均優(yōu)于CDS，整體退繞性差異更小，退繞過(guò)程更加均勻順暢。

d. HDS的E為92.97%，而CDS的E為89.08%，HDS具有更加優(yōu)異的彈性回復(fù)性能。