再生纖維素非織造材料的性能對比分析

張 帆,張 東,郭翠彬,黃 偉,李 婷,程春祖,程 敏

(中國紡織科學研究院有限公司 生物源纖維制造技術國家重點實驗室, 北京 100025)

以再生纖維素纖維為原料制備的非織造材料相較于丙綸、滌綸等其他石油基纖維非織造材料,具有柔軟度高、吸濕透氣性好和可生物降解等優點,可用于面膜、擦拭紙巾、醫用衛生等領域。目前再生纖維素非織造材料原料主要有棉、粘膠、銅氨纖維、Lyocell纖維等[1-2]。

Lyocell纖維除了具有天然纖維本身的特性,如吸濕性、透氣性、舒適性、光澤性、可染色性和可生物降解性外,還具有合成纖維強度高的優點。另外,制備Lyocell纖維使用的溶劑N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)可高效回收利用,生產過程無廢氣排放、無明顯噪聲,且廢水排放量非常少,生產過程較為環保。但目前以Lyocel短纖為原料的Lyocell非織造材料生產成本相對較高[3-5]。

本文使用的Lyocell長絲非織造材料,采用干噴濕法液流牽伸直接成網工藝制成,其具體流程為:紡絲液從噴絲板擠出后,經過一段氣隙進入到凝固浴裝置中,凝固浴裝置為采用了特殊結構的矩形漏斗,紡絲液在凝固浴裝置中完成凝固和牽伸。成形長纖維從凝固浴裝置出來后直接落在鋪網裝置上,鋪網裝置在向前傳動的同時做左右往復擺動,纖維最終在鋪網裝置上形成相互交錯的纖網,再經過水刺、水洗、烘干、卷繞等后處理,制備出Lyocell長絲非織造材料樣品。相較于短纖非織造材料,直接成網工藝省去了切斷、烘干、開松、梳理等工序,流程短,設備投資少。

本文將Lyocell長絲非織造材料與Lyocell短纖、粘膠短纖、銅氨長絲3種非織造材料進行對比分析,測試4種非織造材料的微觀形貌、結晶度、吸水性、透氣性、柔軟度、強度等性能,探究Lyocell長絲非織造材料的性能優勢及其可應用的領域。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

Lyocell長絲非織造材料(面密度38 g/m2,自制);Lyocell短纖非織造材料(面密度38 g/m2,東綸科技實業有限公司);銅氨長絲非織造材料(面密度38 g/m2,日本旭化成公司);粘膠短纖非織造材料(面密度為38 g/m2,東綸科技實業有限公司)。

1.2 測試與表征

1.2.1 微觀形貌結構觀察

采用S4800型場發射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對4種非織造材料樣品的微觀形貌進行觀察。使用Image Pro Plu6.0軟件(美國Media Cybernetics公司)觀察樣品的電子顯微鏡照片,取50根測量單根纖維直徑,取平均值。

1.2.2 單根纖維性能測試

采用D8ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)(德國布魯克公司)對4種非織造材料樣品的結晶性能進行分析測試,掃描的范圍為10°～60°,掃描速度為0.02 (°)/s。采用Peakfit軟件(AISN公司)進行分峰處理,計算纖維的結晶度。

分別從4種非織造材料中抽取單根纖維,采用XQ-1C型纖維強伸度儀和XD-1纖維細度儀(上海利浦應用科學技術研究所),分別測試4種纖維在干濕態下的斷裂強度、斷裂伸長率和纖維細度。

1.2.3 掉屑性能測試

將透明膠帶分別與4種非織造材料黏合,然后剝離,過程重復5次,用黏下來的纖維質量和樣品初始質量的比值來表示掉屑率,并使用顯微鏡(日本OLYMPUS株式會社)觀察膠帶上脫落的纖維。

1.2.4 吸濕性能測試

參照GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分:厚度的測定》,使用YG141型數字式織物厚度儀(常州雙固頓達機電科技有限公司)測試樣品的厚度,預加壓力為100 cN,壓腳面積為2 000 μm2,加壓10 s。

非織造材料孔隙率計算公式[6-8]為:

(1)

(2)

式中:n為孔隙率,%;ρ為纖維密度,g/m3;σ為材料厚度,mm;m為材料面密度,g/m2;T為纖維線密度,dtex;d為纖維直徑,μm。

參照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分:吸濕法》,使用DH-450型透濕試驗裝置(日本大榮公司),在溫度(38±2)℃、相對濕度(90±2)%的條件下對4種非織造材料樣品的透濕率進行測試。

參照GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗方法 第15部分:透氣性的測定》,使用FX3300型透氣性分析儀(瑞士TEXTEST公司)對4種樣品的透氣性進行測試。

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》中液體吸收量的測定方法,在每個樣品上剪取10塊尺寸為10 cm×10 cm的試樣,測量試樣的吸液率,計算公式如下:

(3)

式中:LAC為吸液率,%;m0和m1分別為吸液前后試樣的質量,g。

1.2.5 拉伸性能測試

參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》,在每個樣品的縱橫方向上分別裁取20塊20 cm×5 cm的長方形試樣,使用Instron 1122-5500 型強伸儀(英國Instron公司)進行拉伸試驗。

1.2.6 服貼性分析

參照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測試 斜面法》,使用YG207型織物硬挺度儀(南通三思機電科技有限公司)測試4種樣品縱橫方向上的彎曲長度。通過彎曲長度計算樣品的抗彎剛度,抗彎剛度的計算公式為:

G=m×C3×10-3

(4)

式中:G為抗彎剛度,mN·cm,G越小,表明試樣越柔軟[11];m為面密度,g/m2;C為試樣的平均彎曲長度,cm。

柔軟度測試是指在規定條件下,用板狀測頭將試樣壓入狹縫一定深度(約8 mm)時,儀器記錄試樣本身的抗彎曲力和樣品與縫隙處摩擦力的最大矢量之和,儀器顯示值越小,說明試樣越柔軟。參照GB/T 8942—2016《紙 柔軟度的測定》,每個樣品的縱橫方向上分別裁取10塊尺寸為10 cm×10 cm的試樣,使用ZRD-T1柔軟度測試儀(北京新月中科科技有限公司)對4種非織造材料樣品柔軟度進行測試。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌結構分析

圖1為Lyocell長絲、銅氨長絲、Lyocell短纖、粘膠短纖4種非織造材料樣品放大30倍的掃描電鏡照片,圖2為放大800倍的掃描電鏡照片。

圖1 4種非織造材料的掃描電鏡照片(×30)Fig.1 SEM images of four non woven materials (×30).(a)Lyocell filament ;(b)Lyocell staple fibre;(c)Viscose staple fibre;(d)Cupro-ammonia filament

從圖1可以看出,Lyocell長絲和銅氨長絲非織造材料的纖維排布方式與Lyocell短纖和粘膠短纖非織造材料有較為明顯的差別,2種長絲非織造材料的絲束呈“S”形交錯排列,而2種短纖非織造材料的絲束呈無規則的排布。這是鋪網工藝的不同造成的,Lyocell長絲和銅氨長絲非織造材料采用的是機械擺絲成網,絲束成形后直接落在鋪網機上,并隨著鋪網機向前傳動的同時做左右往復運動,因此呈現出有規律的“S”形排列;而短纖非織造材料采用的是氣流梳理成網,被切斷的短纖維在鋪網過程受氣流作用,纖維呈現出無規則的排列。

從圖2可以看出,Lyocell長絲非織造材料和Lyocell短纖非織造材料的纖維表面平滑,結構平直;銅氨長絲非織造材料纖維表面有數條輕微溝槽,粘膠短纖非織造材料纖維表面有多條清晰的溝槽。

纖維的形貌差異與纖維的成形工藝有關,Lyocell長絲和Lyocell短纖非織造材料纖維采用干噴濕法纖維制備工藝,整個工藝流程簡單,紡絲液從噴絲板擠出后經過一段氣隙,噴絲頭拉伸倍率較高,可有效改善絲束出口膨脹現象,初生纖維結構致密,纖維光滑平直;銅氨長絲和粘膠短纖非織造材料纖維采用濕法纖維制備工藝,工藝流程較為復雜,成形過程中影響纖維形貌的因素較多,復雜成形過程中的不均勻性會對纖維的結構造成影響,使得纖維表面呈現出不同程度的褶皺和溝槽。

2.2 單根纖維性能分析

對4種非織造材料單根纖維的強度和模量、結晶度進行測試,結果如表1。

從表1可以看出,4種非織造材料結晶度和單根纖維干態斷裂強度大小順序一致,即Lyocell短纖>Lyocell長絲>粘膠短纖>銅氨長絲,這主要是由纖維制備工藝不同造成的,Lyocell長絲和短纖采用干噴濕法纖維制備工藝,紡絲成形階段纖維拉伸倍率比較高,纖維結構致密,結晶度較高,而粘膠短纖和銅氨長絲采用濕法紡絲,拉伸倍率低,纖維結構松散,結晶度低。

從表1還可以看出,濕態下的4種非織造材料纖維的強度和模量均小于干態;銅氨長絲非織造材料濕態下纖維的模量下降得最多,下降了95%;其次為粘膠短纖非織造材料,下降了87.6%;Lyocell長絲和Lyocell短纖下降較少,這是因為濕態下,水分子進入纖維無定形區,減弱了大分子間的結合力,分子鏈在外力作用下容易發生滑移,因此強力和模量下降明顯。粘膠和銅氨的結晶度低,水分子進入后對大分子間作用力影響顯著[9]。

2.3 非織造材料掉屑性能分析

4種非織造材料掉屑率結果如圖3所示,顯微鏡觀察膠帶上脫落的纖維照片如圖4所示。

圖3 4種非織造材料的掉屑率Fig.3 Chipping rate of four nonwoven materials

圖4 4種非織造材料顯微鏡下掉屑性能Fig.4 Microscopic chip removal properties of four non woven materials.(a)Lyocell filament;(b)Lyocell staple fiber;(c)Viscose staple fiber;(d)Cupro-ammonia filament

從表3中可以看出,Lyocell長絲、銅氨長絲、Lyocell短纖、粘膠短纖非織造材料的掉屑率分別為0.21%、0.22%、1.14%和1.23%。Lyocell長絲非織造材料和銅氨長絲非織造材料掉屑率明顯少于Lyocell短纖非織造材料和粘膠短纖非織造材料。從圖4也可以看出,相同面積內Lyocell短纖和粘膠短纖非織造材料的纖維脫落量遠大于Lyocell長絲和銅氨長絲非織造材料,這是因為長絲非織造材料的連續長纖維彼此交纏,纖維不容易脫落,而短纖非織造材料的短纖維間彼此纏結力較弱,纖維更易脫落。

2.4 非織造材料的吸濕性能分析

4種非織造材料的孔隙率結果圖表2所示,4種非織造材料的孔隙率大小為Lyocell長絲>銅氨長絲>粘膠短纖>Lyocell短纖。材料面密度一定的情況下,非織造材料的孔隙率與纖維直徑和非織造布厚度有關,直徑越粗,厚度越大,材料孔隙率越大。

表2 4種非織造材料的孔隙率Tab.2 Porosity of four nonwoven materials

4種非織造材料樣品透濕率、透氣率和吸液率的測試結果如表3所示。

表3 4種非織造材料的吸濕透氣性Tab.3 Moisture absorption of four non woven materials

4種非織造材料樣品的透濕率、透氣率和吸液率的規律是一致的,即Lyocell長絲>銅氨長絲>粘膠短纖>Lyocell短纖。非織造材料吸濕透氣性規律與4種非織造材料孔隙率大小的規律一致。這是因為孔隙率越大,材料內部空隙距離越寬,水分子和空氣更容易滲入,因此吸液率和透氣率較高。

2.5 非織造材料的拉伸性能分析

4種非織造材料干態下的縱橫向強度、不同鋪網機擺動頻率下Lyocell長絲非織造材料的縱橫向強度和4種非織造材料干濕態下的強度測試結果如圖5所示。

圖5 4種非織造材料的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of four nonwoven materials.(a) Longitudinal and transverse strength of different nonwoven materials in dry state;(b) Longitudinal and transverse strength of Lyocell filaments at different oscillation frequencies of the net-laying machine;(c) Longitudinal strength of different nonwoven materials in wet and dry state

從圖5(a)可以看出,Lyocell長絲、銅氨長絲、Lyocell短纖、粘膠短纖非織造材料的縱向強度分別為48.76、32.58、44.26和42.58 N。Lyocell長絲、銅氨長絲、Lyocell短纖、粘膠短纖非織造材料的橫向強度分別為23.39、18.42、41.94和44.28 N。銅氨長絲和Lyocell長絲非織造材料干態下的縱橫向強度差別較大,縱向強度明顯高于橫向,而Lyocell短纖和粘膠短纖非織造材料的縱橫向強度基本一致。這是因為銅氨長絲和Lyocell長絲非織造材料的鋪網方式是機械擺絲成網,絲束隨著鋪網機左右往復運動,絲束排列呈“S”形,縱橫方向上的強度受鋪網機的擺動頻率和擺動幅度影響,而Lyocell短纖和粘膠短纖非織造材料纖維排列是無規律的,各個方向強度較為均勻。

從圖5(a)還可以看出,非織造材料干態下縱向強度大小為Lyocell長絲>粘膠短纖>Lyocell短纖>銅氨長絲,這與4種樣品的單根纖維的干態斷裂強度不一致,這是因為非織造材料強度一方面受單根纖維的強度影響,一方面受纖維間纏結程度的影響。對于本文4種非織造材料樣品來說,纖維間纏結程度對于非織造材料強度的影響大于單根纖維強度。

從圖5(b)可以看出,隨著鋪網裝置擺動頻率的增加,Lyocell長絲非織造材料樣品縱向強度減小,橫向強度增加,擺動頻率達到120次/min時,縱橫向強度逐漸趨于一致。

從圖5(c)可以看出,Lyocell長絲、銅氨長絲、Lyocell短纖、粘膠短纖非織造材料的濕態縱向強度分別為49.69、17.32、45.73和20.04 N。銅氨長絲非織造材料和粘膠短纖非織造材料的濕強遠低于干強,而Lyocell長絲和Lyocell短纖非織造材料的濕強略高于干強。這是因為Lyocell纖維的結晶度高,水分子對于單根纖維的強度減弱的不明顯,水分子進入纖維間解除了部分纖維間的纏結,使纖維受力更加均勻,樣品強度整體增加[10]。

2.6 非織造材料的服貼性分析

柔軟度和抗彎剛度可以表征樣品的服貼性,4種非織造材料的測試結果如表4所示。干態抗彎剛度和柔軟度的規律一致,即銅氨長絲>Lyocell短纖>Lyocell長絲>粘膠短纖,即干態銅氨長絲非織造材料的柔軟度最差,干態粘膠短纖非織造材料的柔軟度最好。濕態柔軟度排序為Lyocell短纖>Lyocell長絲>粘膠短纖>銅氨長絲,即濕態Lyocell短纖非織造材料的柔軟度最差,濕態銅氨長絲非織造材料的柔軟度最好。

表4 4種非織造材料的抗彎剛度和柔軟度Fig. 4 Tensile properties of four nonwoven materials

3 結 論

通過對比分析Lyocell長絲非織造材料(自制)、Lyocell短纖非織造材料、粘膠短纖非織造材料、銅氨長絲非織造材料的微觀形貌、結晶度、強度、掉屑率、吸濕透氣性等性能,得出以下結論:

①Lyocell長絲非織造材料采用干噴濕法直接紡絲成網工藝,材料的結晶度高,纖維斷頭少,纖維間纏結緊密。材料掉屑率為0.21%,干態縱向斷裂強力為48.8 N/(5 cm),濕態縱向斷裂強力為49.5 N/(5 cm),透氣率為5 090 mm/s,透濕率為572 g/(m2·h),吸液率為1 374%,這幾種性能均優于其他3種非織造材料。

②Lyocell長絲非織造材料采用的為N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)體系纖維素溶液直接紡絲成網工藝,流程短,制備過程綠色環保。產品性能優良,具有掉屑率少、干濕態強度高、透氣透濕率高、吸液能力強等優點,有很大的發展潛力。