木棉纖維絮片制標中關鍵指標的確立

董激文 李素英 陳 蕾 鄧紅霞 徐 磊

1. 南京海關紡織工業產品檢測中心,江蘇 無錫 214174;2. 南通大學 紡織服裝學院,江蘇 南通 226019

1 木棉纖維產業現狀

木棉為木棉科木棉屬植物,常見于干熱河谷、稀樹草原、溝谷季雨林內。木棉易栽種,且生長迅速,適合荒漠或高原山區大面積種植。木棉樹形高大雄偉,樹冠整齊,多呈傘形,早春時花開如火如荼,十分紅艷美麗。木棉花是廣州市、高雄市、崇左市及攀枝花市的市花。木棉纖維是一種非石化資源的環境友好型天然纖維,全生命周期對環境無污染,符合人類社會綠色環保的發展理念。但我國木棉受種植條件、采摘技術限制,纖維產量并不高,且多數依賴進口,這制約了我國木棉纖維產業及其產品應用的拓展。目前,我國云南元陽、紅河、金平等縣已大規模推廣人工種植木棉,中國治理荒漠化基金會也在致力于打造木棉產業基地,我國木棉纖維產品的開發與應用值得期待。

木棉纖維是高度木質化的有機種子纖維,是典型的纖維素纖維,常見的顏色有黃色、白色及黃棕色等[1],具有細胞壁薄、管腔大、密度低等特點,適合開發功能性紡織品。我國木棉纖維的運用最早可以追溯到漢代,民間將木棉纖維作為填充材料裝入枕頭、被褥等床品中。隨著紡織產業的不斷進步,木棉纖維現已逐漸進入工業化生產加工階段。此外,木棉纖維作為一種可再生的天然植物纖維,具備生物相容性和生物降解性,已在學術和工業領域受到越來越廣泛的關注[2]。目前,國內外普遍針對木棉纖維的保暖、吸油和抗菌等特性進行了相關產品的生產和推廣。

南通大學、南通新綠葉非織造布有限公司、佛山市天纖紡科技有限公司、中山市寶福龍紡織有限公司等一直致力于木棉纖維非織造產品的研發工作。其中,南通大學在木棉纖維填充類、食品接觸類、一次性衛生用品類等產品開發方面取得了一定的成效。例如:針刺法木棉纖維絮片作為填充物用于保暖、吸油、救生衣等產品已比較成熟;熱風法木棉纖維非織造布因具有較好的吸油性和保油性而被用于制備食品接觸類產品;水刺法木棉纖維非織造布因具有一定的抗菌性而被用于制備食品接觸類產品,又因具有較好的帶液率和保水率,可用于面膜等一次性衛生用品,且經親水整理的水刺法木棉纖維非織造布既具有良好的表面導水效果,又具備良好的抗液體返滲性能,可用于一次性紙尿褲的面層。

此外,東華大學、金考拉服飾有限公司、際華三五四二紡織有限公司、上海攀大實業(集團)有限公司、上海鼎乘生物科技有限公司、三弘集團、浙江羽寶羽絨有限公司、山東陵縣寶鼎紡織公司、江蘇東華紡織公司等多年來致力于木棉纖維紡紗工藝的探究。其中,上海攀大實業(集團)有限公司在紅河州、江蘇等地都建立了木棉紗線生產基地,多家企業應用嵌入紡、緊密紡等技術研發出多種木棉混紡紗線產品,并獲得了一定的市場認可。木棉纖維產品的研究帶動了木棉纖維產業的不斷提升,為紡織產業的綠色可持續發展增添亮色。

2 制定標準的意義

關于木棉纖維,目前國內外主要的關注點是其特有的保暖、吸油、大浮力、抗菌、吸聲等功能,以及其紡紗工藝的改進、產品功能的疊加等,但有關木棉纖維絮片產品質量的考核規范還尚未形成,因此,建立一套木棉纖維絮片產品的考核標準顯得既迫切又有意義。

木棉纖維絮片產品考核標準的制定將有助于規范和評價木棉纖維絮片產品質量,更好地促進生產和使用木棉纖維絮片產品,同時對推動木棉纖維絮片產業的技術進步、促進企業的技術升級、引領使用環境友好型紡織原料具有積極意義。

3 標準制定的總體思路

3.1 產品對象

目前,木棉纖維應用最廣的領域是非織造領域。有關一次性衛生用品及食品包裝用木棉纖維非織造布的研究已陸續開展,但產品多數處于實驗室開發階段,尚未量產,應用還不成熟。而木棉纖維絮片多以填充物的形式用于保溫、吸油及浮力等場合,國內外應用廣泛且較成熟。例如:我國南通新綠葉非織造布有限公司生產的面密度為150 g/m2和300 g/m2的針刺法木棉纖維非織造布已獲得較好的市場反饋;佛山天纖紡科技有限公司生產的木棉纖維保暖被也獲得了良好的市場反映。

故基于上述產品現狀,確定木棉纖維絮片制標的總體思路如圖1所示。

木棉纖維絮片中,木棉纖維含量影響產品的諸多性能,如含量過低難以發揮出木棉纖維的特性,尤其是當產品用于保溫、吸油和浮力等場合時。因此,基于行業調研及產品性能分析,確定標準的對象為經針刺、水刺、熱黏合等工藝加工而成的木棉纖維純紡或混紡絮片,且絮片中木棉纖維含量(質量分數)明示值不低于40%。

圖1 木棉纖維絮片制標總體思路Fig.1 General idea of standard formulation for wadding of kapok fiber

3.2 總體設計思路

為使木棉纖維絮片標準的指標體系更合理,應用和操作更便利,制標將結合木棉纖維絮片相關生產企業在生產和驗收等環節對產品質量提出的要求,建立一套外觀質量和內在質量考核指標。

3.2.1 外觀質量考核指標

結合生產企業和下游企業驗收規范,綜合制定木棉纖維絮片的外觀質量指標,涉及破洞、分層、破邊、厚度均勻性、油污和斑漬、雜質,以及每卷允許段數、段長等。

3.2.2 內在質量指標

除了常規的單位面積質量、厚度和透氣性等指標外,標準的內在質量指標將圍繞對產品最終性能起關鍵作用的如木棉纖維含量、保溫性能、壓縮性能、吸油量、吸水性能、浮力性能等加以制定。

4 標準關鍵指標的研究和確定

標準研制過程中,選擇了多款木棉纖維絮片樣品進行測試,部分樣品歸納見表1。

后文將重點介紹本次指標中木棉纖維絮片關鍵指標的設定依據、測試方法及指標體系的確立。

4.1 纖維含量

木棉纖維具有輕質、中空的特點,其既短又脆,故生產加工過程中很容易發生脆斷,這使得木棉纖維成品中木棉纖維含量常低于投料比。而木棉纖維含量又直接影響木棉纖維產品的性能,因此考核木棉纖維含量很有必要。

對于木棉纖維與非纖維素纖維的混紡產品,可按紡織品常規的含量檢測方法進行檢測;而對于木棉纖維與棉纖維的混紡產品,因同屬天然纖維素纖維,采用化學方法無法進行有效的鑒別,故按照SN/T 5239—2020《進出口紡織品 纖維定量分析 顯微投影儀法 木棉/棉混紡產品》[3]進行,但該標準中第7章計算式(1)有誤,經與標準制定方確認,將計算式(1)的分母修改為“n1d12p1k1+n2d22p2k2”,其中,木棉纖維的折算系數為0.728 9,棉纖維的折算系數為0.293 9。表2為部分樣品纖維含量測試結果。

由表2的數據可知,木棉纖維含量實測值與明示值相比偏差較大,這與木棉纖維中空且脆性大,生產過程較難控制有關。考慮到本次制標針對的是填充用木棉纖維絮片,參照GB/T 29862—2013《紡織品 纖維含量的標識》[4]對填充物含量的規定,確定將木棉纖維含量允差確定為10%,據此可判斷表2中樣品的合格率達到76.9%。

4.2 保溫性能

木棉纖維是現有的中空度最大的一種天然纖維,其內靜止空氣多,熱阻高,是理想的保暖填充用纖維。保溫性能是木棉纖維絮片類保溫產品的重要考核指標。按GB/T 35762—2017《紡織品 熱傳遞性能試驗方法 平板法》[5]進行保溫性能測試,部分樣品保溫性能測試結果見表3。

表1 部分木棉纖維絮片樣品Tab.1 Some samples of wadding of kapok fiber

表2 部分樣品纖維含量測試結果Tab.2 Fiber content test results of some samples

表3 部分樣品保溫性能測試結果

參考現有紡織絮片類產品保溫性能標準即GA 353—2008《警服材料 保暖絮片》[6]中復合毛滌絮片產品的熱阻考核指標,本次制標確定木棉纖維絮片熱阻≥0.24 m2·K/W。從表3可以得出,木棉纖維絮片樣品具有良好的保溫性能,所選樣品合格率為70%。

此外,考慮到木棉纖維絮片多用于被子、枕頭等床品,實際使用可能涉及洗滌,故本次制標增加了洗滌后保溫性能指標,洗滌過程參照FZ/T 60014—2017《絮片耐洗滌性能試驗方法》[7],設定洗滌次數為1,部分樣品1次洗滌后的保溫性能測試結果見表4。

表4 部分樣品1次洗滌后保溫性能測試結果

從表4可以看出,洗滌后樣品的保溫性能總體呈上升趨勢,這與木棉纖維的中空結構使得洗滌后纖維更加膨松有關。

基于樣品洗滌前后的熱阻值,本次制標將洗滌前后的保溫性能指標統一設定為熱阻≥0.24 m2·K/W。表4中,樣品1次洗滌后的保暖性能合格率為75%。供需雙方還可按協議規定的洗滌次數對保暖性能進行考核。

4.3 壓縮性能

高蓬松性是木棉纖維絮片產品的特性。木棉纖維的中空結構賦予木棉纖維絮片很好的壓縮性能,因此木棉纖維絮片被廣泛應用于填充保暖類產品中。較好的耐壓縮性及較高的回彈性是木棉纖維絮片產品重要的性能指標,故標準設置了壓縮率和回復率兩項指標用于考核木棉纖維絮片產品的壓縮性能。

研究發現,GB/T 24442.1—2009《紡織品 壓縮性能的測試 第1部分:恒定法》[8]中的方法A即儀器定壓法是常用的壓縮性能測試方法,測試時輕壓選擇0.02 kPa,重壓選擇1.00 kPa。而在被類產品標準如GB/T 22796—2021《床上用品》[9]、GB/T 32605—2016《羊毛、羊絨被》[10]、GB/T 24252—2019《蠶絲被》[11]等中,壓縮性能測試多采用FZ/T 64003—2021《噴膠棉絮片》[12]中附錄A的手動方法,測試時輕壓選擇0.50 kPa,重壓選擇1.00 kPa。故制標時對手動方法與儀器定壓法進行了比較,發現兩者的測試原理基本一致,僅測試方式、輕壓力值、恢復時間及試樣面積等參數不同。對比分析兩種方法測得的壓縮性能數據發現,兩種方法的測試結果趨勢一致。考慮到GB/T 24442.1—2009中涉及的定壓儀市場上目前暫無供應,而FZ/T 64003—2021中規定的方法可推廣性更好,故本次制標確定壓縮性能測試采用FZ/T 64003—2021中附錄A的手動方法。部分樣品壓縮性能測試結果見表5。

表5 部分樣品壓縮性能測試結果(手動方法)

此外,考慮到木棉纖維絮片多用于被子、枕頭類床品,故本次制標增加了洗后壓縮性能指標。洗滌測試過程參照FZ/T 60014—2017《絮片耐洗滌性能試驗方法》,設定洗滌次數為1。部分樣品1次洗滌后的壓縮性能測試結果見表6。

表6 部分樣品1次洗滌后的壓縮性能測試結果

洗滌后發現,木棉纖維絮片產生了一定的氈化現象,洗滌后壓縮性能有所下降,但木棉纖維的中空結構使得樣品洗滌后的回復率保持較好。

故基于測試的數據,本次制標將洗滌前壓縮性能考核指標設定為壓縮率≥40%、回復率≥85%,所選樣品的合格率為83.3%;將洗滌后壓縮性能考核指標設定為壓縮率≥35%、回復率≥85%,所選樣品的合格率為66.7%。針對特殊要求的產品,供需雙方還可根據協議規定的洗滌次數進行考核。

4.4 吸油量

木棉纖維密度為0.29 g/m3,約為棉纖維的1/5,是現已發現的中空率最大、密度最小的天然纖維,其超大的空腔結構為油污的吸儲提供了條件。對于吸油性能指標,測試起初按照FZ/T 01130—2016《非織造布 吸油性能的檢測和評價》[13]中“吸油量”的規定執行,但測試過程中發現,木棉纖維超高的吸油性能會導致絮片吸油后充分膨脹,質量增加,瀝油時纖維團不斷墜落,使測試無法順利完成,故對測試方法進行了調整,即參照GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第6部分:吸收性的測定》[14]中5.2.1節規定,將吸油后的試樣放置于金屬網試樣支撐架上進行瀝油,以免纖維團墜落,使測試順利完成。部分樣品吸油量測試結果見表7。

結合表7的測試結果,并參考FZ/T 01130—2016《非織造布 吸油性能的檢測和評價》中吸油性能的評價,即當吸油量≥10 g/g時樣品具有吸油性能,以及JT/T 560—2004《船用吸油氈》[15]中吸油性能考核指標,即吸收油的質量為本身質量的10倍以上,再結合市場應用需求,本次制標確定將吸油性能考核指標提高到吸油量≥25 g/g,所選樣品的合格率為90.0%。

表7 部分樣品吸油量測試結果Tab.7 Oil absorption test results of some samples

4.5 吸水性能

對于吸油產品,較低的吸水性是要求之一。木棉纖維絮片具備高吸油、低吸水等特性,滿足吸油產品的要求。此外,木棉纖維表面存在的蠟質還賦予纖維超強的疏水性。本次制標通過設置吸水性能指標判定木棉纖維的疏水性能。吸水性能值越小,則疏水性能越好。

測試起初按照GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第6部分:吸收性的測定》中第5章“液體吸收量”的規定執行,即在規定的條件下經規定時間處理后,計算單位面積樣品所吸收的液體質量,即被樣品吸入內部的液體質量。但測試發現,部分液態水沒有被吸入木棉纖維內部,而是以圖2中表面水珠的形態沾掛在樣品表面,故此水珠質量并非“液體吸收量”概念所指的質量。考慮到木棉纖維絮片樣品表面所沾水珠會導致吸水性能值與設計初衷存在偏差,在反復試驗后,本次制標確定增加表面水珠去除步驟,即在樣品浸水結束并垂直懸掛瀝液后,用定量濾紙輕吸樣品表面的可見水珠,濾紙在樣品表面做提吸動作,反復多次直至絮片表面無肉眼可見水珠(圖3),然后稱取樣品質量。部分樣品吸水性能測試結果如表8所示。

結合測試數據,并參考JT/T 560—2004《船用吸油氈》等標準中吸水性<10%的要求,本次制標設置吸水性能≤10%,所選樣品的合格率為70%。

4.6 浮力性能

木棉纖維首尾兩端封閉,中空率達80%～90%。單根木棉纖維就是一個小氣囊,加之其表面含天然蠟質,這賦予纖維很好的拒水性,故用其制作浮體材料有著其他材料無法比擬的優勢。資料顯示,松散狀態下首次使用的優質木棉纖維絮片材料在水中能浮起大于自身數十倍質量的物體。作為浮力支撐用產品,本次制標參考GB 4303—2008《船用救生衣》[16]和GB/T 32227—2015《船用工作救生衣》[17]等,就浮力性能設置了負重倍數和浮力損失兩項考核指標。

圖2 樣品表面的水珠形態Fig.2 Water droplets on the surface of sample

表8 部分樣品吸水性能測試結果(使用濾紙吸除表面水珠)

4.6.1 負重倍數

負重倍數是能較直觀地體現材料浮力性能的一項指標。在本次制標中,負重倍數是指在模擬漂浮的狀態下,木棉纖維絮片浮于水面所能承載的總質量與其本身質量的比值。

采用10 cm×10 cm的木棉纖維絮片樣品進行測試。且為了防止絮片散開,選擇符合FZ/T 62014—2015《蚊帳》[18]中表1要求的網眼密度的蚊帳布對木棉纖維絮片進行包裹,再將組合試樣放入圓柱形洗衣網兜中,并用一定質量的不銹鋼珠或不銹鋼片模擬負重,測試并計算樣品的負重倍數。部分樣品負重倍數測試結果見表9。

眾所周知,人漂浮于海面上等待救援的時間極限為7 d。分析表9的數據發現,木棉纖維絮片樣品測試至第8天的負重倍數基本保持在77或更高,從第9天起負重倍數才開始有所下降。可見,木棉纖維絮片具有良好的浮力保持能力,滿足救援等待時間的要求。

研究還發現,GB 4303—2008《船用救生衣》附錄A對浮力的要求為,救生衣應能確保被救人員胸部以上浮出水面,救生衣總設計浮力為不小于155.6 N;GB/T 32227—2015《船用工作救生衣》中4.6節要求救生衣浸入淡水24 h后的浮力應不小于74 N;市售的民用成人救生衣的浮力設計一般均按照不小于75 N來執行。一件普通的泡沫填充型成人救生背心質量通常不大于1 kg。一件由木棉纖維絮片填充的成人救生背心,其中的木棉纖維絮片填充質量僅300 g,不考慮樣品及負重物體積等因素,當木棉纖維絮片的負重倍數超過25,即可滿足≥75 N的浮力需求;當負重倍數超過52.9,可滿足≥155.6 N的總浮力要求。故結合表9中樣品第7天的負重倍數,本次制標將負重倍數設定為55,所選樣品的合格率達100%。

4.6.2 浮力損失

木棉纖維絮片用于救生衣時,浮力損失是考核耐久性的一項指標。試驗同樣采用10 cm×10 cm的木棉纖維絮片樣品進行。且為防止木棉纖維絮片散開,同樣選擇符合FZ/T 62014—2015《蚊帳》表1中網眼密度要求的蚊帳布對木棉纖維絮片進行包裹,再將組合樣品放入圓柱形洗衣網兜中,用一定質

表9 部分樣品負重倍數測試結果Tab.9 Weight bearing multiple test results of some samples

量的不銹鋼珠或不銹鋼片模擬負重,采用數顯推拉力計測量試驗袋、洗衣網兜和負重物在水中的總重量W1,然后將試驗袋、洗衣網兜、負重物和樣品一起浸入水中,并確保整個組合的上表面不浮出水面,分別測量5 min和24 h后的總重量,記為W2和W3。最后,根據Ws=[(W3-W2)/(W1-W2)]×100%,計算得到樣品24 h后的浮力損失Ws。測試參考GB 4303—2008《船用救生衣》6.6節、GB/T 32227—2015《船用工作救生衣》5.6節進行,部分樣品的測試結果見表10。

表10 部分樣品浮力損失測試結果Tab.10 Buoyancy loss test results of some samples

由表10的數據可知:木棉纖維含量為60%及以上的樣品,浮力損失均控制在5%以內,滿足業內對于浮力材料的通用要求。加入了丙綸或滌綸等纖維的木棉纖維混紡絮片,其浮力性能不及純木棉纖維絮片,因此作為浮力支撐用木棉纖維絮片產品,應對其中的木棉纖維含量加以限定。當然,浮力的大小還與絮片的生產工藝有一定的關聯,如針刺工藝中,針刺力度影響木棉纖維的受損程度,進而影響絮片整體的浮力性能,故這也是生產過程中需要加以控制和注意的事項。參考GB 4303—2008《船用救生衣》、GB/T 32227—2015《船用工作救生衣》中浮力損失≤5%的考核指標要求,針對在浮力領域應用的木棉纖維絮片產品,本次制標規定木棉纖維絮片產品中木棉纖維含量應≥60%,浮力損失應≤5%。所選樣品的合格率達100%。

5 結語

結合生產企業和下游企業的驗收規范,并基于一系列的數據分析,確立了木棉纖維絮片標準中的關鍵指標,制定出符合木棉纖維絮片產品質量特點的指標體系,即FZ/T 64087—2022《木棉纖維絮片》。經應用驗證發現,該標準的制定有利于促進木棉纖維絮片產品質量的提升,對上下游產品銜接有積極作用,對木棉纖維絮片生產企業有指導作用,能在一定程度上促進行業的發展及生產企業技術的提升,符合國內生產企業的實際水平,同時體現了行業水平的先進性。