熱塑性聚氨酯非織造材料成型工藝與應用

倪鄭曉，徐玉康，陳 廷

（蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021）

中國是全球最大的非織造布生產與消費國，近年來，非織造布產業規模逐年穩步增長。2020年，紡熔非織造產品產能達592.4萬t，其中，紡黏非織造布占據50.0%。2020年全行業實際產量較2016年增長89.0%，年均增長7.7%[1]。

彈性非織造材料主要由熱塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane，TPU）非織造材料與其他材料采用熱軋技術復合而成。其中，TPU非織造材料主要通過紡黏非織造技術制備獲得，部分通過熔噴非織造技術加工制成。優異的回彈性能使聚氨酯彈性非織造材料廣泛應用于一次性衛生護理用品、醫用繃帶、醫用敷料等領域。

TPU種類較多，原料特性差異較大，致使聚氨酯非織造材料制備工藝難度增加、產品性能均勻性降低。基于聚氨酯非織造材料存在的缺陷，本研究綜述了聚氨酯非織造材料成型工藝特點、聚氨酯原料性能要求以及聚氨酯非織造材料在不同領域的應用。

1 彈性紡黏/熔噴非織造材料

1.1 紡黏/熔噴非織造材料成型工藝原理

紡黏非織造技術是基于熔體紡絲原理，使高聚物熔體從噴絲板擠出、經高速氣流牽伸形成連續長絲，長絲在網簾上相互粘合，經熱軋處理形成結構緊密、力學性能優異的紡黏非織造材料。

在熔噴非織造材料成型工藝中，高聚物熔體經計量泵調控、定量流經噴絲孔形成熔體細流，在兩側經高速高溫熱空氣的噴吹形成纖維，纖維在網簾上相互粘合，形成連續狀熔噴非織造材料。

1.2 紡黏/熔噴非織造技術原料特性

紡黏/熔噴非織造材料都是熔體直接紡絲成網的一步法工藝，可紡性是評估高聚物能否成纖的關鍵指標。聚合物原料可紡性影響因素主要包括分子鏈分布特征、相對分子質量和分布以及熔融指數。

1.2.1 分子鏈分布特征

高聚物原料分子鏈排列規整度高有利于材料成型工藝中的溫度調控，分子鏈排列越規整、有序排列區域尺寸均勻性越好，在成纖工藝中溫度的可控性越好，更有利于提高纖維的結構和尺寸均勻性，進而提高紡黏/熔噴非織造材料性能的穩定性。

1.2.2 相對分子質量和分布

相對分子質量和分布顯著影響高聚物成纖性能。在一定范圍內，隨著分子質量的增加，纖維強度逐漸增大、高聚物形變量增加，進而改善了纖維的彈性與抗疲勞性能，而降低或提高分子質量均無法實現連續成纖。紡黏成纖技術要求聚合物原料平均分子質量適中且分子質量分布較窄；熔噴成纖技術要求高聚物原料具有較低的分子質量，且分子質量分布較窄。

1.2.3 熔融指數

熔體流動性能一般采用熔融指數（Melt Flow Index，MFI）來表征，其單位為g/10 min，MFI值越大，熔體的流動性越好。紡黏非織造材料成纖用原料的熔融指數通常為20～300 g/10 min，熔噴非織造材料成纖用高聚物原料的熔融指數要求高于400 g/10 min。

1.3 彈性非織造材料

紡黏/熔噴非織造材料以其成型工藝流程短、生產速度快、材料結構性能優異等特點在過濾、防護、衛生用品等領域應用廣泛[2]。然而，紡黏/熔噴非織造材料內纖維間黏合點結構緊密且固結度高，使該材料彈性性能較差，限制其應用。彈性非織造材料的評價方法為材料在外載荷作用下，伸長率需高于60.0%，去除載荷后材料恢復初始長度的占比要高于55.0%。為改善紡黏/熔噴非織造材料的彈性性能，研究人員已展開多項研究，采用具有彈性的高聚物顆粒為原料制備紡黏/熔噴非織造材料成為行業研究熱點。目前，采用的原料主要有聚氨酯彈性體、聚酯類彈性體、聚醚酯類彈性體，其中，聚氨酯彈性體最佳[3-7]。

2 TPU非織造材料成型技術發展

2.1 TPU的結構特征

TPU的結構為(AB)n嵌段線型聚合物，由二異氰酸酯、聚醚（或聚酯）等低聚物二元醇與小分子擴鏈劑聚合而成。TPU主要有兩種：（1）由低聚物二元醇柔性長鏈構成的軟鏈段，以提高延伸性、柔韌性等性能；（2）二異氰酸酯及擴鏈劑構成的硬鏈段，以調控TPU剛性、硬度等性能，可通過調控軟硬鏈段含量來制備結構不同的TPU材料。

根據合成所用的不同低聚物二元醇，TPU可分為聚醚型和聚酯型。聚醚型TPU中醚鍵的內聚能低、旋轉位壘小，TPU分子鏈具有較優異的柔順性和流動性[8]。聚醚型TPU耐水解性好、回彈性及抗沖擊性能優異，而聚酯型TPU具有較優異的耐熱性能、可拉伸性及耐磨性能。

2.2 TPU非織造材料制備技術

較高的熔體黏度和熔體彈性使TPU紡黏/熔噴非織造材料制備工藝難度增加，限制了該材料的產業化發展[9]。為制備結構連續且性能均勻的紡黏/熔噴非織造材料，企業和科研人員已開展較多技術研究。

Sun等[10]先將TPU與其他聚合物顆粒共混，再經熔噴技術加工制備彈性熔噴非織造材料，該制備技術的工藝連續性較差。彭孟娜等[11]制備了聚丙烯PP/TPU海島型復合纖維結構的熔噴非織造材料，其中，TPU為“島”，該纖維平均直徑為4.53 μm且拉伸強度高。Md Obaidur等[12]首先將TPU與聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）混合，其次將混合顆粒通過二次造粒制備出具有兩種成分的顆粒，最后采用熔噴技術制備混合均勻度高的TPU/PLA熔噴非織造材料。然而，采用混合顆粒方法制成的熔噴非織造材料的回彈性能較差。

2.2.1 國外TPU非織造材料制備技術

Lee等[13]采用兩種TPU原料（TPU245和TPU280）制備獲得纖維平均直徑約6.00 μm的熔噴彈性非織造材料。測試顯示，TPU280熔噴非織造材料的回彈性能幾乎是TPU245熔噴非織造材料的兩倍。3M公司分別采用聚氨酯彈性體、聚酯類彈性體、聚酰胺類彈性體、A-B-A型嵌段共聚物（B為彈性段）等顆粒為原料制備獲得熔噴非織造材料。研究表明，聚氨酯彈性熔噴非織造材料力學性能最佳[14]。日本Kanebo公司采用聚氨酯切片為原料制備獲得的商品名為Espansione厚重型彈性非織造布，其纖維直徑為0.02～0.04 mm，最大拉伸率為350.0%～700.0%[15]。Wadsworth等[16]利用熱塑性聚氨酯切片制成熔噴彈性非織造布，纖維平均直徑為5.20 μm，斷裂伸長率最高可達444.0%。

2.2.2 國內TPU非織造材料制備技術

王新元[17]采用兩種纖維級聚氨酯切片（G83是聚醚型，B87是聚酯型）為原料制備了兩種TPU熔噴非織造材料，研究表明，材料的最大斷裂伸長率均高于500.0%。韓亞元等[18]制備了5種不同TPU熔噴非織造材料，力學數據顯示，TPU熔噴非織造材料的縱向強度和回彈性均優于橫向。閆新等[19]采用德國巴斯夫的TPU顆粒為原料制備了熔噴非織造材料，纖維平均直徑為18.00 μm，力學性能、回彈性能優異。

綜上所述，國外已開發力學性能優異且力學回彈性較好的TPU熔噴非織造材料，國內雖開展了較多TPU非織造材料成型技術的探索，但尚未研發出一種能規模化連續生產的TPU非織造材料制備技術。

3 應用領域

由于具有優異的結構特性和力學回彈性能，TPU非織造材料可以應用于一次性衛生產品、醫療防護用品、服裝襯里等。

3.1 衛生護理用品

一次性吸收性衛生用品也稱用即棄產品，包括女性衛生用品、嬰兒紙尿褲或嬰兒尿片和成人失禁用品等，其縱向抗張強度不低于400 N/m，縱向伸長率不低于20.0%。TPU非織造材料主要用于衛生護理用品的腰圍以及產品與身體接觸部位，符合產品使用性能要求。

3.2 醫療防護用品

醫療防護用品主要包括醫用防護服、口罩、醫用敷料等一次性醫用耗材。

3.2.1 醫用防護服

醫用防護服既要能保護醫護人員免受有毒有害的液體、氣體或具有傳染性病毒和微生物的侵襲，又要能排汗且保證穿著舒適，同時還需具備一定的抗菌性、防致敏性、阻燃性。目前，TPU非織造材料主要用于防護服的領口、袖口以及腿口等需伸縮且回彈性較好的部位，這些部位材料的斷裂強力應不小于45 N，斷裂伸長率應不小于15.0%。

3.2.2 醫用口罩

按性能特點及適用范圍進行分類，醫用口罩可分為醫用防護口罩、醫用外科口罩和一次性使用醫用口罩，均能較好地阻隔外部的膠粒狀細菌或顆粒[20]。TPU非織造材料因具有優異的回彈性能，可用于口罩的耳帶以及鼻梁等部位。

3.2.3 醫用敷料

醫用敷料是用于覆蓋瘡、傷口或其他遭損害部位的醫用材料，為受創體表提供適合的愈合環境，主要包括紗布、繃帶、膠帶等材料，這類產品對技術要求較高。敷料要能杜絕細菌繁殖，同時具有透氣、透濕、隔水和防菌等性能[21]。TPU非織造材料主要作為高透氣、高回彈性能材料用于醫療敷料表面層以及支撐層，能滿足使用要求。

3.3 服裝襯里

黏合襯可以增強服裝的輪廓感，借助自身的硬挺和彈性，可使服裝平挺或達到預期的造型。TPU非織造材料可作為服裝黏合襯的內部疊合復合材料，縱橫向斷裂強力均能滿足不同部位服裝襯里的要求。

4 結語

TPU非織造技術的開發能促進彈性非織造材料快速發展。TPU非織造材料具有彈性高、彈性回復性能好等特點，成為護理用品材料、醫用材料、服裝輔助材料等具有高附加值的材料。在彈性非織造材料領域，美國和日本等發達國家較早地投入了大量的基礎研究，技術水平處于世界領先地位。我國醫療、衛生、服裝等領域對彈性非織造材料的需求較大，通過技術創新、品質提升，國產TPU非織造材料獲得了較好的市場前景。