中空桔瓣型高收縮聚酯/聚酰胺6超細(xì)纖維非織造布的制備及其性能

朵永超， 錢曉明， 郭 尋， 高龍飛， 白 赫,2， 趙寶寶

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，天津 300387； 3. 安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

桔瓣型復(fù)合纖維是將2種不相容的高聚物通過雙組分紡粘法制備，然后采用物理或化學(xué)方法裂離得到超細(xì)纖維，其裂離程度取決于紡絲工藝參數(shù)、纖維的幾何形狀以及聚合物的組成[1-2]。雙組分紡粘水刺工藝是將雙組分紡粘工藝與水刺工藝相結(jié)合的一種非織造材料生產(chǎn)技術(shù)，雙組分紡粘水刺非織造布是紡粘長(zhǎng)絲纖維網(wǎng)經(jīng)高壓水射流的沖擊，桔瓣型纖維裂離并相互纏結(jié)形成的綠色、高強(qiáng)、輕薄的超細(xì)纖維非織造材料，可廣泛應(yīng)用于高檔擦拭布、高級(jí)合成革基布、醫(yī)療衛(wèi)生用品、高精密過濾材料等各個(gè)領(lǐng)域[3-5]。目前，市場(chǎng)上桔瓣型復(fù)合纖維以16瓣聚酯/聚酰胺6(PET/PA6)纖維為主，通過高壓水刺制備的超細(xì)纖維非織造布，由于纖維多為平行走向[6]，其截面呈多角形，編織比較緊實(shí)，但纖維織角很小，且部分纖維沒有完全裂離，導(dǎo)致非織造布的手感扁薄，豐滿度不足，彈性和延伸性很小[7]。

針對(duì)上述問題，有研究學(xué)者通過改變聚合物組分來(lái)改善非織造布的性能。Prahsarn等[8]利用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)進(jìn)行復(fù)合紡絲，指出纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)取決于2種聚合物之間的流變性能和結(jié)晶性。Ayad等[9]通過對(duì)熔融溫度不同的PP與PA6進(jìn)行紡絲，指出聚合物黏度是影響雙組分纖維紡絲過程中界面穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。Chureerat等[10]通過對(duì)聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)進(jìn)行復(fù)合紡絲，指出纖維的分裂機(jī)制不僅取決于每種聚合物組分的特性，還取決于他們之間的相互作用。以上這些研究?jī)H局限于對(duì)纖維成形、單根纖維性能的研究表征上，對(duì)其制成的非織造布的性能均沒有表述。有研究對(duì)PET/PA6非織造布進(jìn)行柔軟整理發(fā)現(xiàn)，開纖率越大，非織造布的柔軟度越高，懸垂性越好[7]；且混合納米纖維使得PET/PA6桔瓣型纖維開纖后形成的鍥型纖維有了相對(duì)滑移，提升了其柔軟度[11-12]。趙寶寶等[13]通過調(diào)控水刺壓力制備具有梯度結(jié)構(gòu)的雙組分紡粘水刺非織造材料，可有效改善非織造布的透氣性；同時(shí)，雙組分纖維與單組分纖維復(fù)合形成雙層或三層結(jié)構(gòu)，經(jīng)水刺后可以防止纖維的密集堆積，可有效改善織物蓬松度及透氣性[14-15]。

柔軟劑整理、聚合物組分改變、結(jié)構(gòu)調(diào)整可解決中空桔瓣型雙組分紡粘水刺非織造布的柔軟度問題，但制備的非織造布手感扁薄、豐滿度不足、彈性和延伸性很小的問題不能得到有效解決。研究指出利用熱收縮使纖維產(chǎn)生卷曲可提高非織造布的豐滿度、延展性[16-17]。為此，本文采用高收縮聚酯(HSPET)與PA6聚合物進(jìn)行復(fù)合紡絲，制備了HSPET/PA6中空桔瓣型超細(xì)纖維非織造布，探討了熱收縮對(duì)非織造布性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

材料：聚酯(PET，特性黏度0.650 dL/g)、高收縮聚酯(HSPET，特性黏度為0.692 dL/g)，工業(yè)級(jí)，恒逸石化股份有限公司；聚酰胺6(PA6，特性黏度為2.460 dL/g)， 工業(yè)級(jí)，湖南岳化化工股份有限公司。

1.2 超細(xì)纖維非織造布的制備

將HSPET和PA6(二者熔體體積比為7∶3)分別加入雙組分紡粘水刺非織造材料生產(chǎn)線的干燥塔中進(jìn)行預(yù)結(jié)晶和干燥處理；然后通過螺桿擠壓機(jī)擠壓進(jìn)入紡絲箱體，經(jīng)噴絲板(中空桔瓣型，16瓣)噴出得到HSPET/PA6復(fù)合纖維，纖維通過側(cè)吹風(fēng)冷卻(溫度為22 ℃)、管式牽伸(牽伸壓力為0.55 MPa) 后均勻地鋪置在輸網(wǎng)簾上形成纖維網(wǎng)；最后纖維網(wǎng)經(jīng)預(yù)加濕后進(jìn)入水刺區(qū)，在高壓水流(水刺總壓力為100 MPa)作用下，纖維開纖并纏結(jié)在一起得到HSPET/PA6雙組分紡粘水刺非織造布。通過調(diào)節(jié)輸網(wǎng)簾的速度制備了面密度為80、120、140 g/m2的HSPET/PA6雙組分紡粘水刺非織造布。同時(shí)，本文在相同水刺工藝條件下制備了PET/PA6雙組分紡粘水刺非織造布作為對(duì)比。

將HSPET/PA6非織造布在熱收縮處理裝置(熱收縮條件為水浴100 ℃或干熱180 ℃)中進(jìn)行熱收縮處理，使HSPET組分纖維受熱能夠充分收縮卷曲；最后經(jīng)烘干、切邊、卷繞成卷，形成超細(xì)纖維非織造布。

1.3 超細(xì)纖維非織造布性能表征

1.3.1 結(jié)構(gòu)表征

采用TM3030型臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀察超細(xì)纖維非織造布的表面及橫截面形態(tài)。

1.3.2 開纖率計(jì)算

經(jīng)水刺作用后的雙組分紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布中，通常存在未開裂的雙組分纖維和裂離后的超細(xì)纖維，根據(jù)掃描電鏡照片中相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算各樣品的開纖率(SR，%)。

式中：L為電鏡照片中非織造布的長(zhǎng)度，m；h為電鏡照片中非織造布的寬度，m；P為材料的孔隙率，%；N為未開裂纖維根數(shù)；df為未開裂纖維直徑，m；u為材料的面密度，g/m2；Tk為材料的厚度，mm；Pf為纖維的平均密度，kg/m3。

1.3.3 熱收縮率測(cè)試

通過測(cè)量熱收縮前后試樣的面積變化，計(jì)算HSPET/PA6雙組分紡粘水刺超細(xì)纖維非織造布的熱收縮率(Hs，%)，計(jì)算公式為

式中，S0和S1分別為熱收縮前后非織造布的面積，m2。

1.3.4 透氣性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第15部分：透氣性的測(cè)定》，采用YG461H型全自動(dòng)透氣儀測(cè)試試樣的透氣性，實(shí)驗(yàn)壓差為100 Pa，測(cè)試面積為20 cm2。

1.3.5 過濾性能測(cè)試

采用PSM-165型濾料孔徑測(cè)定儀測(cè)試非織造布料的過濾效率及過濾阻力，氣溶膠使用癸二酸二辛脂(DEHS)，質(zhì)量濃度為300 mg/m3。測(cè)試時(shí)將非織造布試樣剪裁為圓形(直徑為170 mm)，測(cè)試流量為3.4 m3/h(即風(fēng)速5.33 cm/s)。

1.3.6 柔軟度測(cè)試

采用TX013 ST300型皮革柔軟測(cè)試儀測(cè)試非織造布的柔軟度，測(cè)試選用縮環(huán)直徑為35 mm。每個(gè)樣品測(cè)試5次，取平均值。

1.3.7 懸垂性測(cè)試

按照GB/T 23329—2009《紡織品 織物懸垂性的測(cè)定》，采用YG811L型織物動(dòng)態(tài)懸垂性風(fēng)格儀測(cè)試非織造布的懸垂性能，分別用靜態(tài)懸垂系數(shù)和動(dòng)態(tài)懸垂系數(shù)表征懸垂性。

1.3.8 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》，借助5969型萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)測(cè)試試樣的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率。根據(jù)GB/T 3 917.2—2009《紡織品 織物撕破性能 第2部分：褲型試樣(單縫)撕破強(qiáng)力的測(cè)定》，借助5969型萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)測(cè)試非織造布的撕裂強(qiáng)力。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形貌特征及物理性能分析

通過調(diào)整紡絲工藝，制備了HSPET/PA6中空桔瓣型復(fù)合纖維，其初生纖維截面如圖1(a)所示。可知，HSPET和PA6裂片交替排列，且界面清晰。經(jīng)高速氣流牽伸后，HSPET/PA6復(fù)合纖維的表面如圖1(b)所示。可知，纖維表面光滑，表明HSPET/PA6中空桔瓣型復(fù)合纖維被成功紡出。進(jìn)一步對(duì)牽伸后纖維的直徑進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖2所示，可得到HSPET/PA6復(fù)合纖維的平均直徑為16.33 μm。

圖1 HSPET/PA6中空桔瓣型復(fù)合纖維SEM照片

圖2 HSPET/PA6中空桔瓣型復(fù)合纖維直徑分布

HSPET/PA6與PET/PA6纖維性能對(duì)比如表1所示。可知，PET/PA6纖維在干熱條件(180 ℃)和沸水條件下的收縮率僅為1.09%和1.23%，當(dāng)復(fù)合纖維中PET組分替換為HSPET組分，HSPET/PA6纖維的干熱收縮率和沸水收縮率分別達(dá)到了10.57%和12.27%。通常，HSPET纖維的沸水收縮率為35%～45%，但對(duì)于HSPET/PA6纖維，當(dāng)HSPET組分受熱收縮時(shí)，由于雙組分界面的作用力，PA6組分束縛了HSPET組分的收縮，因此，收縮率相對(duì)較低。同時(shí)，高收縮聚酯切片通常加入第3或第4單體，增加了其無(wú)定形區(qū)域，制備的纖維具有低結(jié)晶高取向的特點(diǎn)[17]，因此，HSPET/PA6纖維的斷裂強(qiáng)力低于PET/PA6纖維，斷裂伸長(zhǎng)率高于PET/PA6纖維。

表1 中空桔瓣型復(fù)合纖維的基本性能

2.2 非織造布形貌特征分析

圖3示出HSPET/PA6雙組分紡粘水刺非織造布的微觀形貌。經(jīng)高壓水射流沖擊后，非織造布表面的纖維充分裂離，并相互纏結(jié)在一起，纖維多為平行走向，無(wú)立絨產(chǎn)生，同時(shí)從非織造布橫截面觀察到非織造布上下表面開纖率高，中間層開纖率低，存在“夾心”現(xiàn)象。由熱收縮處理后HSPET/PA6非織造布表面形貌可知，HSPET組分裂離后受熱充分收縮產(chǎn)生立絨，顯現(xiàn)出蓬松的效果，同時(shí)HSPET組分的收縮促進(jìn)了非織造布中間層復(fù)合纖維的裂離(見圖3(d))。 HSPET組分纖維的收縮避免了復(fù)合纖維裂離后截面呈鍥型結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維緊密堆積，可有效提升非織造布的飽滿度。

圖4示出不同面密度下桔瓣型雙組分紡粘水刺非織造布的開纖率變化。在相同的水刺壓力下，HSPET/PA6與PET/PA6非織造布的開纖率隨著面密度的增加而降低，其原因是隨著纖維網(wǎng)面密度的增加，纖維網(wǎng)厚度增加，其內(nèi)部所承受的高壓水射流沖擊的作用力降低，使得非織造布開纖率降低。但是當(dāng)面密度一定時(shí)，在相同的水刺壓力下，HSPET/PA6非織造布的開纖率高于PET/PA6非織造布，這是因?yàn)镠SPET與PET結(jié)晶度及分子鏈結(jié)構(gòu)的差異，使得HSPET與PA6界面之間的作用力更弱導(dǎo)致的。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過熱收縮可促進(jìn)復(fù)合纖維的裂離，提高非織造布的開纖率，其中非織造布沸水收縮后的開纖率高于干熱收縮，這是由于復(fù)合纖維在水浴中受熱收縮時(shí)，水分子的介入削弱了HSPET和PA6界面間的黏附力，在HSPET組分收縮時(shí)進(jìn)一步促進(jìn)了纖維的裂離[2]。

圖4 不同面密度的非織造布的開纖率

表2示出不同面密度下桔瓣型雙組分紡粘水刺非織造布的熱收縮率。HSPET/PA6非織造布受熱后，HSPET纖維的收縮使得非織造的收縮率最高達(dá)到20.31%。同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明，HSPET/PA6非織造布的開纖率越高其收縮率越高，這是因?yàn)槲戳央x的復(fù)合纖維束縛了非織造布的收縮，而PET/PA6非織造布的熱收縮率相對(duì)很低。

表2 雙組分紡粘水刺非織造布的收縮率

2.3 透氣性分析

圖5(a)示出不同面密度的非織造布的孔隙率。可知，在水刺總壓力為100 MPa時(shí)，雙組分紡粘水刺非織造布的孔隙率在80%～85%之間，PET/PA6非織造布的孔隙率高于HSPET/PA6非織造布。HSPET/PA6非織造布經(jīng)熱收縮處理后，隨著開纖率的增加，非織造布的孔隙率逐漸降低。圖5(b)示出不同面密度的非織造布的透氣性。可知，隨著面密度的增加，非織造布的透氣性逐漸降低，在相同面密度下，開纖率越高非織造布的透氣性越低。這是由于隨著面密度的增加，非織造布的厚度逐漸增加，加之纖維裂離程度的增加，促使非織造布的屈曲狀孔徑增多，導(dǎo)致透氣性下降。

圖5 非織造布的孔隙率及透氣性

2.4 過濾效率

圖6、7分別示出3.4 m3/h流量下，不同面密度非織造布的分級(jí)過濾效率和過濾阻力。由圖6可明顯看出，在面密度相同時(shí)，HSPET/PA6非織造布的過濾效率優(yōu)于PET/PA6非織造布。對(duì)于PET/PA6非織造布，面密度為80 g/m2時(shí)由于單位面積的纖維束較少，因此，過濾效率較低；當(dāng)面密度增加到140 g/m2時(shí)，非織造布的開纖率低，使得非織造內(nèi)的通孔較多，孔徑較大，因此，過濾效率最低；當(dāng)面密度為120 g/m2時(shí)，非織造布的過濾效率最優(yōu)，對(duì)粒徑≥2.5 μm顆粒物的過濾效率接近于100%。對(duì)于HSPET/PA6非織造布，由于其開纖率較高，纖維比表面積增加，在相同面密度的條件下HSPET/PA6非織造布過濾效率優(yōu)于PET/PA6非織造布；HSPET/PA6非織造布面密度為80 g/m2時(shí)，對(duì)粒徑≥4.5 μm 顆粒物的過濾效率接近于100%；當(dāng)面密度為120 g/m2時(shí)，對(duì)粒徑≥2.0 μm顆粒物的過濾效率接近于100%；當(dāng)面密度為140 g/m2時(shí)，對(duì)粒徑≥1.5 μm 顆粒物的過濾效率接近于100%。經(jīng)熱收縮處理后，HSPET/PA6非織造布的過濾效率有略微下降，這是因?yàn)镠SPET組分的收縮卷曲雖然促進(jìn)了纖維的裂離，但收縮使得非織造布變得蓬松，致密性下降，因此，過濾效率降低。

圖6 不同面密度的非織造布的過濾效率

由圖7可明顯看出：PET/PA6非織造布的過濾阻力受到面密度和開纖率的雙重影響，當(dāng)面密度為120 g/m2時(shí)過濾阻力達(dá)到最大，為70.4 Pa；對(duì)于HSPET/PA6非織造布，隨著面密度增加其過濾阻力逐漸增加，在140 g/m2時(shí)過濾阻力達(dá)到112.6 Pa，由于熱收縮使非織造布的蓬松性提高，因此，過濾阻力較未處理非織造布有所降低。

圖7 不同面密度的非織造布的過濾阻力

2.5 柔軟度分析

圖8示出不同面密度的非織造布的柔軟度變化。可知，隨著面密度的增加，非織造布的柔軟度逐漸降低，且HSPET/PA6非織造布柔軟度優(yōu)于PET/PA6非織造布，這是因?yàn)榉强椩觳嫉拈_纖率越高，纖維的平均直徑越小，使得纖維的抗彎剛度降低，因此，HSPET/PA6非織造布的柔軟度有了很大的提升。對(duì)于HSPET/PA6非織造布，沸水收縮處理使其開纖率提高和蓬松度提升，柔軟度大幅度提高；但是經(jīng)干熱收縮處理后，纖維分子鏈的移動(dòng)將引起重新折疊，導(dǎo)致纖維結(jié)晶度的提高，纖維的剛性增加，使非織造布的柔軟度降低[17]。

圖8 不同面密度的非織造布的柔軟度

表3示出非織造布的懸垂性能。可知，面密度相同時(shí)，非織造布開纖率越高則單根纖維的抗彎剛度越低，非織造布的懸垂性能越優(yōu)。經(jīng)沸水收縮后由于促進(jìn)了非織造布纖維的裂離開纖，且結(jié)構(gòu)變得疏松，便于纖維之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，因此，非織造布的懸垂性能得到進(jìn)一步提升。

表3 不同面密度的非織造布的懸垂性

2.6 力學(xué)性能分析

表4示出不同面密度的非織造布的力學(xué)性能。可知，隨著面密度的增大，非織造布的縱、橫向強(qiáng)力均逐漸增加。對(duì)于相同面密度的非織造布，其縱向斷裂強(qiáng)力大于橫向，但縱向斷裂伸長(zhǎng)率小于橫向。這是生產(chǎn)過程中采用直接鋪網(wǎng)的成網(wǎng)方式?jīng)Q定的。且面密度相同時(shí)，HSPET/PA6非織造布的斷裂強(qiáng)力低于PET/PA6非織造布，但斷裂伸長(zhǎng)率高于PET/PA6非織造布，這是由于HSPET纖維的特點(diǎn)決定的。熱收縮處理可使非織造布的面密度增加，因此，斷裂強(qiáng)力有所提高；同時(shí)沸水收縮處理可有效地提高非織造布的開纖率和蓬松性，使其在拉伸過程中纖維之間有較大的滑移距離，因此斷裂伸長(zhǎng)率有所提高，說明沸水收縮可有效改善HSPET/PA6非織造布的延展性。

表4 不同面密度的非織造布的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

1)本文研究制備了高收縮聚酯(HSPET)/聚酰胺6(PA6)中空桔瓣型復(fù)合纖維，其熱收縮率最高達(dá)到12.27%，與PET/PA6中空桔瓣型復(fù)合纖維相比，斷裂強(qiáng)力降低，斷裂伸長(zhǎng)率提高。HSPET/PA6非織造布中纖維的開纖率高于PET/PA6非織造布，熱收縮處理促進(jìn)了HSPET/PA6非織造布中纖維的裂離。

2)在面密度相同的條件下，HSPET/PA6非織造布的過濾效率優(yōu)于PET/PA6非織造布，且過濾效率隨著開纖率的增加而增加，當(dāng)HSPET/PA6非織造布面密度為140 g/m2時(shí)，對(duì)粒徑≥1.5 μm顆粒物的過濾效率接近于100%。經(jīng)熱收縮處理后，HSPET/PA6非織造布的過濾效率有略微的下降，這是因?yàn)镠SPET組分的收縮雖然促進(jìn)了纖維的裂離，但收縮使得非織造布變得蓬松，致密性下降，因此，過濾效率降低。

3)HSPET/PA6非織造布受熱收縮，HSPET組分的收縮使得非織造布表面產(chǎn)生立絨，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得相對(duì)蓬松，可有效改善雙組分紡粘水刺非織造布的柔軟度、懸垂性、飽滿度以及延展性。