Lyocell短切纖維在濕法成網水刺非織造布中的應用

S. Schlager， T. Maier， S. Jary， S. Rahbaran， S. Kulka

蘭精集團(奧地利)

濕巾類非織造產品不僅在醫療、衛生和化妝品等領域的應用日益增長，同時還拓寬至工業領域。濕巾生產工藝具有多樣性，從而豐富了織物面料的種類和功能，提高了不同類型產品在市場中的競爭力。利用濕法成網工藝，再分別通過水力糾纏或水刺加固處理，可生產不同種類的濕巾產品。對含有紙漿和纖維素纖維等可完全生物降解材料的非織造材料來說，濕法成網工藝是一種非常具有優勢的成網方法，尤其是滿足了可持續性發展的要求。紙漿和纖維素纖維(如黏膠短切纖維)的混合物，通常被用于制造高端產品。然而，這些材料的拉伸強度較低，或需要通過添加大量的黏膠短切纖維來彌補材料在性能上的不足。通過在這些非織造布的生產過程中使用Lenzing Lyocell短切纖維，在較低黏膠短切纖維添加量下即可提高產品的干、濕拉伸強度，而不需要添加任何合成纖維或化學濕強添加劑。由于在產品制造過程中只使用這類植物纖維，從而保證了產品具有生物降解性和高性能，從而擴寬了水刺非織造布產品的應用領域。

如今，非織造產品的需求量日益增加，這不僅是因為人們對更方便、更高端的身體和美容護理產品的需求量越來越大，也由于人們逐漸增強的衛生意識。非織造布產品廣泛，涵蓋了如嬰兒濕巾、濕廁紙、洗臉濕巾、家用和工業濕巾等單一用途產品和一次性用品。在當今社會，人們在可持續發展、廢棄物管理和回收利用方面的意識不斷提高，使得生產商需要對非織造產品進行設計并再設計。除了要求非織造布生產線具有良好的可加工性外并滿足可持續性發展的要求，還要滿足客戶對產品性能的要求，這使得產品設計具有了極高的難度，也是產品生產所經歷最多的挑戰。

高端非織造產品的一項要求是拉伸強度。為了提高纖維間的纏結從而提高織物的強度，許多產品都使用了切斷長度在30 mm或更長的合成纖維和短纖維。使用如聚酯類合成纖維是當前的討論熱點。眾所周知，這種纖維是不可生物降解的，若直接丟棄則不符合廢棄物管理要求，且含有該短纖維的非織造織物的拉伸強度通常很高，這些纖維在產品使用后會抑制其進一步分解，因而被禁止丟棄于馬桶中。合成纖維材料的處理已成為非常有爭議的問題，像“海洋垃圾”和“微塑料”等已成為近年來全社會討論最多的話題。現在，這些合成纖維也有了可替代品。

產品的生物可降解特性可通過使用具有專門成分的植物原料來獲得。此外，通過將材料的拉伸強度適當降低而使用更短的短切纖維，可使材料易分解從而更利于處理。在濕法成網水刺非織造布生產過程中使用Lenzing Lyocell短切纖維，能很容易地使產品保持易降解和高強度兩種特性。Lenzing Lyocell短切纖維是一種纖維素纖維，其原料來源于可再生木材材料，因此該纖維具有良好的生物降解特性。即使使用長度在12 mm以下的短切纖維也可對其進行濕法成網水刺加工，同時確保制成品的生物降解特性。

目前，濕法成網水刺非織造布的拉伸強度，尤其是濕態拉伸強度還有待提升，其在潤濕狀態下的產品性能，與短纖維梳理成網等其他工藝成網非織造布相比還存在差距。本文采用濕法成網水刺工藝和Lenzing Lyocell纖維，可制備具有中等到高等濕態拉伸強度，并能生物降解的高性能非織造布。探索了以Lenzing Lyocell短切纖維為原料，利用濕法成網和水刺加固處理技術，從而制備具有高拉伸強度和生物可降解性能等較多優異性能的非織造產品的技術。

濕法成網水刺非織造產品在產品的各項性能要求有矛盾時能提供折中的方案。濕廁紙就是一個例子，它的儲存和使用需要高濕強度，但在沖洗后，又必須確保材料能被快速分解并生物降解。因此，必須平衡材料的拉伸強度和分解率。另一個例子則是包括一次性濕巾在內的周轉率高的工業非織造布。這類產品要求價廉，同時要求對環境影響小、可生物降解。此外，這些產品還要求具有高面密度和高強度，以提高實際工業應用中的擦拭性能。

基于這些不同種類的非織造布，下面將展示如何通過改變Lenzing Lyocell纖維組合和濕法成網水刺工藝來調整材料的性能。

1 研究

在這項關于濕法成網水刺纖維素濕巾的研究中，重點研究了該濕巾在要求完全不同的兩個應用領域的性能表現。研究的第一部分涉及濕廁紙或可沖洗濕巾領域。這種濕巾的使用要求是具備適度的面密度和較為均衡的濕拉伸強度，同時確保此類織物在處理和沖洗時能夠被快速分解并生物降解。較高的濕拉伸強度和沖洗后的快速分解是兩種相互矛盾的特性，尤其難以同時實現。可沖洗濕巾存在的另一個問題則是確保其可生物降解，因為在沖洗過程的最后一步要求濕巾材料必須能被污水處理廠污泥中的微生物降解掉。Lenzing Lyocell纖維是木質纖維素纖維，本身具備良好的生物可降解特性，因此這些纖維是制備可沖洗濕巾的理想材料。為了獲得高濕強度且具有可沖洗性的高性能材料，在制備原料中加入少量這種短纖維就足以提高材料的性能。濕法成網水刺可沖洗濕巾的最佳共混材料是木漿。圖1分別比較了不同共混比例的木漿與Lenzing Lyocell短切纖維和木漿與黏膠短切纖維濕巾的強度。結果表明：與黏膠纖維相比，Lenzing Lyocell纖維在纖維含量較低的情況下，可獲得相同甚至更高的濕強度。與此同時，Lenzing Lyocell纖維共混物不僅具備很高的拉伸強度，還可保證實現共混物在模擬沖洗晃蕩盒中30 min分解率達100%，遠優于Edana GD4沖洗率指南中要求的60 min濕巾分解率達60%的標準。

圖1 不同比例纖維素纖維混紡濕廁紙(MTT)的濕強度(縱向)及分解率

Lenzing Lyocell纖維除了在上述性能方面具有與黏膠等其他纖維素纖維相媲美的優良性能外，還可通過纖維切斷長度和線密度對其拉伸強度進行調節。圖2和圖3描述了通過改變Lenzing Lyocell短切纖維長度、纖維線密度和纖維含量來控制混紡非織造材料的濕拉伸強度。從圖中可知，在潮濕狀態下，混紡材料的濕拉伸強度從最小值4 N/(5 cm)開始，具有非常寬的可調節范圍。除了現有的線密度為1.40和1.70 dtex的短切纖維外，Lenzing Lyocell還將纖維組合拓展到線密度更低的1.15 dtex的短切纖維，從而拓寬了水刺材料的特性范圍。即便通過使用1.15 dtex的纖維將材料的濕拉伸強度提高到13 N/(5 cm)，甚至更高，材料依舊可以保持其降解性和可沖洗性。

圖2 Lenzing Lyocell短切纖維長度對材料的濕拉伸強度(縱向)的影響

此外，還對現有短切纖維混合濕法成網織物工藝設置進行了大量研究。下面是濕法成網水刺非織造布的全方位研究，該研究結論不僅適用于需要平衡拉伸強度和分解率的可沖洗濕巾，而且適用于韌性要求更高，可用于個人護理、家庭護理和工業領域的其他種類的濕巾。使用Lenzing Lyocell全系列短切纖維，可使濕法成網和水刺加固工藝適用性增強，從而擴大產品的應用范圍。除改變材料的面密度外，還可根據所用纖維的種類和目標屬性調整輸入的水刺能量。水刺能量可通過輸入的高壓水束壓力和成網傳輸速度來調節。對于新開發的線密度為1.15 dtex、長度為10 mm的Lenzing Lyocell短切纖維，以其質量分數為20%與木漿混合制備可沖洗濕巾，通過改變水刺能量可使其濕拉伸強度從4 N/(5 cm)逐漸提高，如圖4所示。

圖4 水刺能量對材料濕拉伸強度(縱向)及分解率的影響

通過將短切纖維與不同的生物可降解高性能纖維組合，同時結合濕法成網和水刺法的可調節技術，可使生產的非織造產品具有一些獨特的特性，從而使非織造產品從一次性產品轉向高性能產品具有可能性。

圖5顯示了另一種制備濕法水刺非織造產品的方法。由圖可見，采用同種線密度(1.4 dtex)和長度(10 mm)的Lenzing Lyocell短切纖維與木漿的共混物所制備的材料同樣具有高拉伸強度。通過調整材料面密度和水刺能量，可獲得拉伸強度比標準要求還要高的可沖洗濕巾。

圖5 水刺能量及材料面密度對材料干拉伸強度的影響

除了改變纖維線密度和纖維長度外，增加水流壓力以增大水力糾纏能力并增加水刺能量輸入，是在不添加任何化學濕強助劑的情況下提高濕法成網材料強度的關鍵因素。通過調整纖維類型、共混比例、材料面密度以及水刺能量等參數，可制備種類繁多并可適用于多種領域的產品。

2 結論

含Lenzing Lyocell短切纖維的濕法成網水刺材料可廣泛用于各種非織造布應用領域。材料的性能既可以通過設置水刺工藝和能量輸入來調整，也可以通過調整面密度、纖維線密度和切斷長度等參數來進行調控。通過上述方法，可制備出具備適當拉伸強度的一次性非織造材料。一方面該材料在沖洗時能迅速分解，另一方面也具有更高拉伸強度和更堅固耐用的性能。用這些短纖維與木漿混合制備而成的材料具有生物可降解性，能滿足可持續發展要求。此外，與黏膠纖維等其他有競爭力的纖維相比，在共混中使用少量的Lenzing Lyocell纖維，也可使混合材料在濕態下能夠保持高拉伸強度。Lenzing Lyocell纖維具有較好的生物降解性能，可作為合成纖維的替代品，符合近年來一直討論的“無塑料”理念。結合水刺加固技術，所制備的產品性能可以滿足各種應用領域的要求。

Lenzing Lyocell為注冊商標