粘膠水刺非織造布的性能分析與比較

張軒寧,吳改紅,劉淑強,王彩柳

(太原理工大學 輕紡工程學院,山西 晉中 030600)

粘膠纖維是以天然纖維(木材、棉短絨和甘蔗渣等)為原料,經過一系列加工工序,最后通過濕法紡絲而制成的纖維素纖維[1]。粘膠纖維具有光滑、透氣、可降解和良好的吸濕性等優點,應用粘膠纖維制備的水刺非織造布可用于醫療衛生用非織造材料、濕巾等廢即棄產品[2-3]。

目前國內外學者們應用不同纖維原料開發水刺非織造布產品,如陳遲等[4]應用粘膠纖維與殼聚糖纖維開發水刺非織造布,發現粘膠纖維能夠有效改善產品的力學性能與熱濕舒適性。Gutierrez等[5]使用粘膠纖維、大麻纖維和聚乳酸纖維作為原材料,以質量比1∶8∶1為配比制備水刺非織造布醫療衛生產品,可用于傳統水刺非織造材料的升級產品。粘膠纖維制備的水刺非織造布是一種性能優良的醫療衛生材料,但目前國內外還很少關注不同類型(品牌)粘膠纖維制備的水刺非織造布之間的性能差異性。

本文選用不同類型的4種粘膠纖維原料制備成水刺非織造布,并通過對比分析4種類型的粘膠纖維和水刺非織造布的性能差異,來優選適用于不同領域的水刺非織造布產品。

1 試驗部分

1.1 原材料

蘭精高速粘膠纖維(線密度1.70 dtex,長度40 mm,奧地利蘭精公司),適用于運行速度100 m/min以上的寬幅高速水刺非織造生產線;A類普通粘膠纖維(線密度1.70 dtex,長度40 mm,奧地利蘭精公司);B類普通粘膠纖維(線密度1.67 dtex,長度38 mm,唐山三友集團);C類普通粘膠纖維(線密度1.70 dtex,長度40 mm,賽得利纖維有限公司)。4種粘膠纖維的價格對比如表1所示。

表1 4種粘膠纖維的價格對比表

1.2 試驗工藝

本文試驗采用雙梳直鋪水刺技術,工藝流程簡單,梳理效果好,運行速度較高,產品性能優異[6]。試驗工藝流程配置如圖1所示。主要設備:TBL-FO型開松混棉機、TWF-NCT型高速梳理機、TWB-AJ型高速水刺機、TWD-MDD型多轉鼓烘干機(德國Trutzschler公司)。

圖1 試驗工藝流程配置圖

本文試驗制備的水刺非織造布面密度為80 g/m2,水刺生產線速度為130 m/min。其中,梳理成網工序中2臺梳理機的主錫林轉速分別為1 100和1 050 m/min。水刺加固工序分為預濕水刺、平網水刺、轉鼓水刺3個部分,共包括7個水刺頭,水刺壓力參數如表2所示。熱風烘燥工序中烘燥機的轉鼓溫度控制在150℃。

表2 水刺壓力參數表

1.3 性能測試

本文試驗所采用的測試標準及所用儀器如表3所示。

表3 測試標準表及其實驗儀器

2 結果與分析

2.1 粘膠纖維的形態結構

4種粘膠纖維的形態結構如圖2所示。蘭精高速粘膠纖維斷面結構緊實,溝槽深度較淺,A類普通高速粘膠纖維存在螺旋溝槽,B類和C類普通粘膠纖維的溝槽深度更明顯,溝槽數量更多,纖維比表面積相對更大,纖維吸濕性能更好。此外,粘膠纖維溝槽數量和溝槽深度對于導濕速率的提升有顯著影響[7]。

圖2 粘膠纖維的形態結構

2.2 粘膠纖維的結晶和回潮率分析

4種纖維的結晶因子與回潮率測試結果如表4所示。

表4 4種纖維的結晶因子與回潮率測試結果

由表4可知,蘭精高速粘膠纖維的結晶度最高,回潮率最低;B類普通粘膠的結晶度最低,無序區域占比大,回潮率最高。纖維結晶度的大小直接影響到纖維的吸濕性能[8]。與其他3種粘膠纖維相比,蘭精高速粘膠纖維結晶度高,纖維內部的分子排列有序度高,水分子僅進入纖維的無定形區,因此,蘭精高速粘膠纖維的吸濕性較差,斷裂強度會得到一定程度的改善,適合高速高產。

2.3 粘膠纖維的力學性能分析

4種纖維的結構參數和力學性能測試結果如表5所示。

表5 四種纖維的結構參數和力學性能測試結果

結晶因子和取向因子是影響纖維力學性能的2個關鍵結構參數。結晶因子與纖維的強度和形態穩定性有關,取向因子對纖維分子的軸向作用力起重要作用[9]。由表5可知,蘭精高速粘膠纖維的斷裂強力與初始模量均高于其他粘膠纖維,產品結實耐用,手感硬挺。C類普通粘膠纖維的斷裂強力與初始模量最小,產品手感更加柔軟舒適。

2.4 水刺非織造布基本結構分析

4種水刺非織造布的面密度和厚度測試結果如表6所示。4種粘膠水刺非織造布的面密度平均值大小依次為:蘭精高速粘膠>A類普通粘膠>C類粘膠纖維>B類粘膠纖維;厚度平均值大小依次為:B類粘膠纖維>C類粘膠纖維>蘭精高速粘膠>A類普通粘膠,其中A類普通粘膠水刺非織造布面密度CV值最小,蘭精高速粘膠水刺非織造布面密度平均值最接近試驗設計值80 g/m2且厚度CV值最小,相關產品的面密度均勻程度較高,纖維分布均勻,有利于力學性能的提升,產品使用質量較好。

表6 4種水刺非織造布的面密度和厚度測試結果

2.5 水刺非織造布的白度分析

4種水刺非織造布的白度測試結果如圖3所示。

圖3 4種水刺非織造布的白度

白度是表示材料表面白色的程度,以白色含有量的百分率來表示[10]。由圖3可知,受到水刺工藝的影響,4種非織造布的白度均低于粘膠纖維的白度。其中,蘭精高速粘膠水刺非織造布白度為83.76%。蘭精高速粘膠纖維白度受水刺技術工藝的影響較小,產品的外觀形貌良好。

2.6 水刺非織造布拉伸性能分析

4種水刺非織造布縱向(MD)和橫向(CD)的拉伸性能測試結果如圖4所示。縱向(MD)方向的斷裂強力平均值大小依次為:A類普通粘膠>C類普通粘膠>蘭精高速粘膠>B類普通粘膠;橫向(CD)方向的斷裂強力平均值大小依次為:A類普通粘膠>B類普通粘膠>蘭精高速粘膠>C類普通粘膠;MD∶CD數值大小依次為:C類普通粘膠>B類普通粘膠>A類普通粘膠>蘭精高速粘膠。其中,蘭精高速粘膠水刺非織造布的縱向方向和橫向方向斷裂強力比值最小,數值為3.27,說明其各向異性優良,纖維縱橫向排列均勻度最高;A類和C類普通粘膠水刺非織造布的縱橫向斷裂強力的CV值相差較大,原因在于纖維縱向排列的均勻度明顯優于橫向排列的均勻度。A類普通粘膠水刺非織造布面密度均勻度最高,縱向纖維分布數量多,層間緊密性好,縱向(MD)方向的斷裂強力最優。對比B類普通粘膠水刺非織造布,由于C類普通粘膠纖維回潮率高,取向因子小,加工過程中接收的水刺能量多,纖維間纏結更充分,拉伸過程不易產生位移,水刺非織造布斷裂強力有所提升。

圖4 4種水刺非織造布的拉伸性能

2.7 水刺非織造布吸水性分析

4種水刺非織造布的吸水性測試結果如表7所示。

表7 4種水刺非織造布的吸水性測試結果表

由表7可知,4種純粘膠水刺非織造布吸水率依次為:B類普通粘膠>C類普通粘膠>蘭精高速粘膠>A類普通粘膠。非織造布吸水率測試結果與纖維原料回潮率和結晶度的測試結果基本吻合。其中,由于非織造布內部毛細效應與材料均勻度的影響,蘭精高速粘膠水刺非織造布的均勻度高,吸水性增大,液體吸收能力增強[11]。

2.8 水刺非織造布透氣性分析

4種水刺非織造布的透氣性測試結果如圖5所示。在相同面密度條件下,4種水刺非織造布透氣率的數值差異較小。其中,A類普通粘膠水刺非織造布內部的纖維抱合纏結程度最高,孔隙率最小,透氣性最差。蘭精高速粘膠水刺非織造布內部纖維間的孔隙較多,纖維間的纏結緊密程度較低,透氣性較好。

圖5 4種水刺非織造布的透氣性測試結果

3 結 論

本文通過對4種不同類型的粘膠纖維及其水刺非織造布進行對比測試,分析得出以下結論:

①蘭精公司高速粘膠纖維結晶度達到27.39%,干濕斷裂強力最高,分別達到3.57、3.40 cN,纖維干濕斷裂伸長率最小,分別達到15.36%和11.39%。相比其他3種粘膠纖維,蘭精公司高速粘膠纖維具有優良的力學性能,更適用于高速高產條件下的水刺非織造工藝。

②在相同的試驗工藝條件下,蘭精公司高速粘膠水刺非織造布內部的纖維纏結更加均勻,面密度穩定,不勻率低。此外,蘭精公司高速粘膠水刺非織造布縱橫向強力比最小,僅為3.27,透氣性為713.5 mm/s,拉伸性能和透氣性能優異,在醫用繃帶基布、手術防護服等醫用非織造產品的生產與加工方面具有突出的應用價值。

③蘭精公司普通粘膠纖維(A類)的原料成本較低,價格為13 200 元/t。纖維的斷裂強力與干濕態初始模量較小,相應水刺非織造布的柔軟度較高,材料可廣泛應用于柔巾、濕巾等家居日用品領域。

④三友公司(B類)與賽得利公司(C類)普通粘膠水刺非織造布的吸水性能最優,分別達到811.4%和810.2%。透氣性能良好,具備良好的吸液性和保液性,并且纖維及其非織造布受烘燥工藝影響小,白度較高,產品表觀質量好,適用于面膜基布等護膚產品的開發。