超吸水纖維非織造材料導濕因素探討

葛 彧，丁志榮，初麗輝

(南通大學，江蘇 南通 226019)

超吸水纖維非織造材料是以超吸水纖維(SAF)作為吸收體的主要成分，其對液態(tài)水有超強的吸收能力，一般應用于嬰兒尿不濕、紙尿褲、手術布、醫(yī)用敷料等[1-3]。研究液體在超吸水纖維非織造材料中的擴散過程，可以更好地了解液體/纖維的相互作用[4]，對于開發(fā)性能優(yōu)異的高吸液非織造產品和現有產品的性能改進有重要的理論意義。

本文利用自制的動態(tài)導濕測試裝置對非織造材料的導濕性能進行了研究，定量表征了液態(tài)水在超吸水纖維非織造材料樣品中的擴散，直接分析對比了不同樣品的導濕性能，探討了影響超吸水纖維非織造材料導濕性能的主要因素。

1 實驗

1.1 樣品的制備

采用SAF及粘膠纖維為原料，分別經過混合、開松、梳理、鋪網、預針刺、針刺等工藝流程，主要分析超吸水纖維含量和針刺速度對導濕性能的影響。樣品工藝參數見表1。

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表1 樣品工藝參數

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。裝置置于恒定光源下，將10 cm×10 cm的樣品放置在樣品平臺上，利用滴管控制液體流速為3 mL/min(在滴液中加入部分顏料，使得液體在樣品上的位置易于觀察[5])，高清攝像機記錄下導濕過程。樣品導濕過程的視頻直接傳送到電腦上，運用視頻編輯軟件進行截圖，借助MALAB編制程序，對圖像進行處理，得到導濕面積-時間曲線。

1.3 圖像處理

水擴散面積是需要提取的主要數據，也是描述超吸水纖維非織造材料導濕性能的重要參數。通過圖像處理從圖像中直接獲取水跡的面積見圖2，水潤濕非織造材料后，潤濕區(qū)域與未潤濕區(qū)域的圖像在灰度值上發(fā)生較為明顯的變化[6]，在圖像處理時應先用灰度拉伸技術進行灰度增強，使擴散水跡部分與背景區(qū)域的對比度增強，然后運用Otsu法選取閾值進行圖像二值化[7]，以獲得水擴散面積(見圖3)。通過程序繪制導濕面積—時間曲線，顯示水在樣品表面擴散的情況，其峰值表示了水擴散的最大范圍，峰值越大意味著導濕性能越好，從而分析水在超吸水纖維非織造材料中導濕的各個階段的變化規(guī)律[8]。

圖2 導濕面積原圖 圖3 二值化后的導濕面積圖像

2 實驗結果與分析

2.1 針刺速度對導濕性能的影響

在超吸水纖維含量相同的情況下，分析針刺速度對導濕性能的影響。由圖4可以觀察到，初期樣品的導濕面積都快速增長，之后樣品導濕面積的上升速度減慢，直至停止。這是因為：起初SAF纖維的超強吸水性能對其非織造材料早期的導濕性能有很大的促進作用；隨著SAF纖維的吸水能力逐漸飽和，并由于其強大的鎖水能力，使得已被吸收的水分子不容易逃逸出來，抑制了非織造材料的導濕性能。此外，隨著針刺速度的增加，樣品的導濕面積增加。由公式(1)和(2)可知，較大較多的孔隙，有較高的運輸流量和較高的運輸速度，水主要沿著非織造材料中比較松散的部分擴散，擴散速度較快[9]。

圖4 針刺速度不同的超吸水纖維非織造

圖5 SAF含量不同的超吸水纖維非織造

(1)

(2)

式中:Q——流體的體積流量(m3/s)；

t——時間(s)；

η——液體粘度；

θ——固液接觸角；

θLG——液氣界面張力(N/m)；

r——毛細管當量半徑(m)；

V——流體的線速度(m/s)。

針刺超吸水纖維非織造布孔徑分布分散程度高，針刺加工形成的微孔較大，大孔徑的孔隙多，有很高的孔隙率，微孔為液體傳遞提供了導濕通道，導致吸液倍率高，存在于纖維間毛細孔隙中吸收的游離液體越多，擴散速度越快[10]。因此，在其他參數相同的情況下，非織造材料的導濕性能與針刺速度呈正相關的關系。

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2.2 超吸水纖維含量對導濕性能的影響

從圖5可以看到，SAF含量不同的超吸水纖維非織造材料的導濕過程大概可以分為三個階段。第一階段，3種樣品的導濕曲線幾乎重合，這是因為液態(tài)水滴開始注入非織造材料時的很短時間內，水滴剛接觸三種樣品后的初始狀態(tài)是幾乎相同的。第二階段，三種樣品的導濕面積隨時間延長均持續(xù)上升，在初期SAF含量與導濕性能兩者呈負相關的關系，之后曲線分布規(guī)律為：4#樣品>6#樣品>5#樣品。從理論上說，SAF含量越高，樣品的單位面積吸水性能越好，最后形成導濕的面積也就越小。而實驗中卻發(fā)生了SAF含量20%的樣品吸濕面積低于30%的現象。出現這一現象的主要原因是：首先，超吸水纖維非織造布吸收水時，一部分的水分子與SAF內部的離子網格結構及大量親水性基團迅速結合形成直接吸收水[11]，另一部分水則通過毛細效應被吸收在纖維與纖維之間孔隙內。在水分充足的情況下，這個過程是不間斷的，因而三種樣品的曲線均保持持續(xù)增長。其次，SAF纖維吸水后會溶脹呈凝膠狀，吸液能力下降，并使得纖維之間的孔隙結構發(fā)生了變化，孔隙變小，毛細管數目減少，毛細管的連續(xù)性被破壞，同時這也間接減小了非織造材料中水的體積流量和水的流動速度[12]。故6#樣品雖然SAF含量達到30%，卻遠高于4#和5#樣品。但其吸水后形成了大量的凝膠，反而阻礙了它的吸水性能，不及SAF含量20%的5#樣品。第三階段，三條曲線的吸濕面積變化較小，逐漸趨于平衡。由于SAF與水結合得比較穩(wěn)定，導濕能力下降，水沿其毛細管傳輸速度逐漸減小甚至趨于不變，水滴的擴散逐漸趨于平衡。此時樣品吸水量達到飽和，再繼續(xù)注入水滴，樣品發(fā)生回滲現象的可能性增大。對于高吸液非織造材料，飽和時間決定著產品吸液性能的優(yōu)劣和產品的應用價值。

2.3 厚度對導濕性能的影響(見圖6)

從圖6可以觀察到，超吸水纖維非織造材料的導濕性能與厚度呈負相關關系。在其他結構參數不變的情況下，非織造材料的容水力主要受厚度影響，厚度越大非織造材料的容水能力也就越強，水滴在表面?zhèn)鬟f相同面積所消耗的水分也就越多，最后形成導濕的面積也就越小[13-16]。此外超吸水纖維具有極強的吸水性能，因此，在其他參數一定的情況下，厚度越大，超吸水纖維非織造材料表現的吸水性就越強，導濕性能也就越差。

圖6 厚度不同的超吸水纖維非織造

3 結 論

3.1在其他參數相同的情況下，非織造材料的導濕性能與針刺速度呈正相關關系。

3.2SAF含量是影響超吸水纖維非織造材料導濕性能的重要因素，在初期兩者呈負相關關系，但之后由于SAF纖維吸水膨脹，SAF含量過高的超吸水纖維非織造材料的吸水性能下降，導濕面積增大。

3.3控制其他參數一定，超吸水纖維非織造材料的導濕性能與厚度呈負相關關系。

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