黏膠纖維的截面形狀對(duì)非織造材料可沖散性能的影響*

常敬穎 李素英 張 旭 孫 信 王建軍

1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通226019；2. 南通威爾非織造新材料有限公司，江蘇 南通 226144；3. 柯恩纖維(德國)北京辦事處，北京100020

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黏膠纖維的截面形狀對(duì)非織造材料可沖散性能的影響*

常敬穎1李素英1張 旭1孫 信2王建軍3

1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通226019；2. 南通威爾非織造新材料有限公司，江蘇 南通 226144；3. 柯恩纖維(德國)北京辦事處，北京100020

非織造材料的可沖散性受纖維間摩擦作用的影響，而纖維間摩擦作用又與纖維截面形狀有關(guān)。采用木漿纖維、黏膠纖維、PLA纖維為原料，并通過濕法成網(wǎng)工藝，制備面密度為40～60 g/m2的非織造材料，研究黏膠纖維的截面形狀對(duì)非織造材料可沖散性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)黏膠纖維長(zhǎng)度為8 mm、PLA纖維長(zhǎng)度為7 mm、木漿/黏膠纖維質(zhì)量比為5∶4、熱風(fēng)溫度為65 ℃時(shí)，采用花朵狀截面、表面溝槽多且深的Danufil纖維制成的非織造材料的可沖散性最佳。

截面形狀，濕法成網(wǎng)，可沖散，非織造材料

隨著人們生活水平的不斷提高，日常生活中衛(wèi)生用品的需求量在不斷增加[1]。近幾年，非織造材料衛(wèi)生用品的銷售額飛速增長(zhǎng)，其中，隨著“二孩”政策的逐步放開，尿不濕的需求增長(zhǎng)尤為迅速。相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，2014年紙尿褲市場(chǎng)銷售額約290億元人民幣，比2013年的250億元人民幣增長(zhǎng)了16%，成人失禁產(chǎn)品的平均年增長(zhǎng)率為28%。美國MPE公司預(yù)計(jì)，到2017年，中國紙尿褲市場(chǎng)銷售額將增長(zhǎng)到1 200億元人民幣。北美、西歐、亞太三大地區(qū)的非織造材料衛(wèi)生用品用量最多，總占比接近68%，亞太地區(qū)的占比接近35%，增長(zhǎng)速度約為8%[2]。

傳統(tǒng)的衛(wèi)生用品材料一般采用滌綸、丙綸等合成纖維，但這些纖維廢棄后不易被降解。一次性衛(wèi)生用品材料在使用后一般采用焚燒、填埋等方式進(jìn)行處理，但這種方式會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。此外，科學(xué)研究人員通過考察得出，絕大多數(shù)的水管堵塞都是由不可沖散的一次性衛(wèi)生用品所造成的[3]。近幾年新推出的可沖散非織造材料可以廣泛應(yīng)用于濕紙巾、女性衛(wèi)生用品、抽水馬桶擦拭紙等[4]。本文采用可生物降解的木漿纖維、黏膠纖維、PLA纖維為原料，并通過濕法成網(wǎng)工藝，制備可降解、可沖散的非織造材料，研究黏膠纖維的截面形狀對(duì)非織造材料可沖散性能的影響，通過試驗(yàn)與分析得出優(yōu)化工藝參數(shù)，以期為可沖散材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試樣制備

1.1 試驗(yàn)原料與器材

1.1.1 試驗(yàn)原料

Bramante、Danufil、Galaxy和Viloft異形截面黏膠纖維(德國Kelheim Fibres公司)，普通黏膠纖維(山東雅美科技有限公司)，PLA短纖維(江陰市杲信化纖有限公司)，木漿短纖維(加拿大West Fraser公司)。

1.1.2 使用設(shè)備

濕法成網(wǎng)設(shè)備，熱風(fēng)烘箱。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要研究不同截面形狀的黏膠纖維對(duì)非織造材料的可沖散性能的影響，因此采用單一變量法，即設(shè)置不同截面形狀的黏膠纖維為變量，木漿纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PLA纖維長(zhǎng)度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏膠纖維長(zhǎng)度和烘箱溫度為定量。單因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1。

表1 單因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 制備工藝與流程

可沖散濕法非織造材料的制備流程：原料準(zhǔn)備→打漿→稱重混合→攪拌→濕法成網(wǎng)→熱風(fēng)加固→ 可沖散濕法非織造材料。

按照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)要求，用電子分析天平稱取相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的三種纖維(黏膠纖維為40%，木漿纖維為50%，PLA纖維為10%)，并將稱取的木漿纖維用水浸泡2 h。然后將浸泡后的木漿纖維放入間歇式研磨杯中，研磨5 min，使木漿纖維在水中能夠均勻分散。接著，將PLA纖維和黏膠纖維及攪拌后的木漿纖維一起倒入2 000 mL料桶中，用攪拌機(jī)攪拌10 min，使三種纖維混合在一起，并均勻分散在料桶中。將均勻混合的纖維輸送到濕法成網(wǎng)設(shè)備，用擠壓板不停地上下擠壓，使纖維進(jìn)一步混合均勻，并加速將水排出。最終，在成形網(wǎng)上形成一張纖網(wǎng)，待水分去除后將其從成形網(wǎng)上取下，平放靜置晾干后置于烘箱中，設(shè)置烘箱溫度為65 ℃，烘干1 h，進(jìn)一步去除水分，并將PLA纖維熔融而實(shí)現(xiàn)黏合作用。

2 性能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)試儀器及測(cè)試項(xiàng)目

測(cè)試過程中使用的儀器及測(cè)試項(xiàng)目見表2。

表2 測(cè)試儀器及測(cè)試項(xiàng)目

2.2 纖維性能測(cè)試與分析

濕法成網(wǎng)非織造材料中，纖維既作為主體成分又作為纏結(jié)成分和黏合成分，因此纖維性能對(duì)非織造材料的最終性能的影響很大。纖維的截面形狀復(fù)雜、比表面積大，非織造材料的吸水性好；纖維的斷裂強(qiáng)力高，則非織造材料的斷裂強(qiáng)力高、彎曲剛度小。

2.2.1 纖維截面SEM觀測(cè)與分析

將5種不同截面形狀的黏膠纖維制作切片并鍍金，在SEM下觀測(cè)的截面形狀如圖1所示。

(a) Bramante纖維

(b) Danufil纖維

(c) Galaxy纖維

(d) Viloft纖維

(e) 普通黏膠纖維 圖1 5種黏膠纖維的截面形狀

由圖1可以得知，Bramante纖維的橫截面呈扁平空心狀，表面有溝槽分布，纖維細(xì)度較??；Danufil纖維的橫截面呈花朵狀，表面布有多且深的凹槽，纖維細(xì)度較??；Galaxy纖維的橫截面呈Y形或人字形，表面較規(guī)整，纖維細(xì)度較小；Viloft纖維的橫截面近似矩形，截面四周為波浪形，纖維細(xì)度較小；普通黏膠纖維的橫截面呈橢圓形，截面四周為波浪形，纖維細(xì)度較大。

2.2.2 纖維斷裂強(qiáng)度測(cè)試與分析

纖維斷裂強(qiáng)度采用一次拉伸試驗(yàn)，預(yù)加張力0.5 cN/tex，夾持距離20 mm，拉伸速度20 mm/min；5種黏膠纖維的強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 5種黏膠纖維的斷裂強(qiáng)度

由圖2可以得知，Galaxy纖維的斷裂強(qiáng)度最高，普通黏膠纖維次之，其余三種纖維較低。

Galaxy纖維的截面形狀為Y形，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，纖維各角度受力較均勻，不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此能承受的拉伸負(fù)荷最大。一般情況下，纖維越粗，其拉伸斷裂強(qiáng)度越高。普通黏膠纖維的細(xì)度較大，因此能承受的拉伸負(fù)荷較大。

2.3 非織造材料試樣性能測(cè)試與分析

2.3.1 均勻性

試樣的均勻性可用試樣厚度及面密度的標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)表示。變異系數(shù)(CV)可按下式計(jì)算：

(1)

式中：R——數(shù)據(jù)均值；S——標(biāo)準(zhǔn)差。 標(biāo)準(zhǔn)差(S)按下式計(jì)算：

(2)

根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算出5種試樣的厚度及質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 試樣的均勻性

注：R1、R2分別為試樣厚度和50 mm×200 mm的試樣質(zhì)量(間接反映面密度指標(biāo))的平均值(面密度=R2×100)；S1、S2分別為試樣厚度和試樣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差；CV1、CV2分別為試樣厚度和試樣質(zhì)量的變異系數(shù)

由表3可以看出，5號(hào)試樣的厚度和面密度的變異系數(shù)都較大，表明普通黏膠纖維制成的試樣的均勻性最差，因?yàn)槠浣孛嫘螤钭罱咏鼒A形，表面雖有溝槽但不是很多，所以纖維在成網(wǎng)時(shí)容易滑移，纖維間抱合力差；2號(hào)試樣的厚度和面密度的變異系數(shù)都較小，說明Danufil纖維制成的試樣的均勻性最優(yōu)，因?yàn)槠浣孛嫘螤畛驶ǘ錉?，表面的溝槽多且深，成網(wǎng)時(shí)纖維間抱合力強(qiáng)。

2.3.2 斷裂強(qiáng)力測(cè)試與分析

對(duì)5種試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 試樣的斷裂強(qiáng)力

由圖3可知，干態(tài)下，采用Viloft纖維制成的試樣的斷裂強(qiáng)力高于其余四種；Viloft纖維經(jīng)濕法成網(wǎng)后在纖網(wǎng)中呈不規(guī)則三維分布，因其截面形狀為扁平狀，且截面四周為波浪形，因此纖維間抱合力較強(qiáng)，能承受的拉伸負(fù)荷也最大。濕態(tài)下，采用Bramante纖維制成的試樣的斷裂強(qiáng)力高于其余四種，但其在干態(tài)下的抗拉伸能力并不出眾，因此，有理由推測(cè)這與水的介入有關(guān)。Bramante纖維的截面為空心形結(jié)構(gòu)，當(dāng)其被浸濕后，水進(jìn)入空心部分使纖維膨脹，導(dǎo)致纖維間抱合力增大，因此能承受較大的拉伸負(fù)荷。

2.3.3 吸水率測(cè)試與分析

對(duì)5種試樣進(jìn)行吸水率測(cè)試，結(jié)果見表4。

表4 試樣的吸水率

由表4可知，1號(hào)試樣的吸水率最高，這是因?yàn)锽ramante纖維的橫截面為扁平空心狀；2號(hào)試樣的吸水率次之，這是因?yàn)镈anufil纖維表面具有很多較深的凹槽，水分很容易進(jìn)入并儲(chǔ)存；其余三種試樣的吸水率相對(duì)較低。

2.3.4 可沖散性測(cè)試與分析

試樣的可沖散性利用分散性進(jìn)行表征。將試樣放在裝有300 mL蒸餾水的500 mL燒杯中，用保鮮膜封住杯口，并用橡皮筋將保鮮膜和燒杯固定住，放在THZ-82水浴恒溫振蕩器中，在溫度為35 ℃和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下，以500次/min的頻率振蕩[6]，分別在1、2和3 min后觀察試樣在水中的分散情況并拍照(圖4)。

圖4 試樣的可沖散性

由圖4不難看出，2號(hào)試樣的分散情況最好，3號(hào)試樣次之，1號(hào)和4號(hào)試樣有一定的分散性但伴有沉淀，5號(hào)試樣的分散性較差。

由前文可知，Danufil纖維表面具有很多較深的凹槽，這些凹槽可以作為水的流動(dòng)通道，纖維在水中浸濕后，水分很容易滲入纖維內(nèi)部，因此2號(hào)試樣的可沖散性最好；Galaxy纖維的截面呈Y形，成網(wǎng)后纖維間隙較大，水分也較容易進(jìn)入，因此3號(hào)試樣的可沖散性較好；普通黏膠纖維的截面形狀較接近圓形，成網(wǎng)后纖維間隙較小，導(dǎo)致水分不易進(jìn)入，所以5號(hào)試樣的可沖散性最差。

3 結(jié)語

(1) Bramante纖維的橫截面呈扁平空心狀，表面有溝槽分布，纖維細(xì)度較??；Danufil纖維的橫截面呈花朵狀，表面布有多且深的凹槽，纖維細(xì)度較??；Galaxy纖維的橫截面呈Y或人字形，纖維表面較規(guī)整；Viloft纖維的橫截面呈扁平狀，截面四周為波浪形；普通黏膠纖維的橫截面呈橢圓形，截面四周為波浪形，纖維細(xì)度較大。

(2) 當(dāng)黏膠纖維長(zhǎng)度為8 mm，PLA纖維長(zhǎng)度為7 mm，木漿/黏膠纖維質(zhì)量比為5∶4，熱風(fēng)溫度為65 ℃ 時(shí)，2號(hào)試樣的均勻性最好；4號(hào)試樣在干態(tài)下的斷裂強(qiáng)力最大，5號(hào)試樣次之；1號(hào)試樣在濕態(tài)下的斷裂強(qiáng)力最大、吸水率最高，Danufil纖維制品次之；2號(hào)試樣的可沖散性最優(yōu)，3號(hào)試樣次之。

(3) 在5種不同截面形狀的黏膠纖維中，截面呈花朵狀、表面溝槽多且深的Danufil纖維是制備可沖散材料的最佳選擇。

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Effects of cross-sectional shape of viscose fibers on flushable performance of non-woven materials

ChangJingying1，LiSuying1，ZhangXu1，SunXin2，WangJianjun3

1. School of Textiles，Nantong University，Nantong 226019，China；2. Nantong Well Nonwoven Materials Co.，Ltd., Nantong 226114，China；3. Kelheim Fibres Beijing Office，Beijing 100020，China

Flushable performance of non-woven materials is influenced by the friction between fibers，and the friction between fibers is related to the fiber’s cross-sectional shape. By using wood pulp fibers，viscose fibers，and PLA fibers，non-woven materials with areal densities from 40 to 60 g/m2were prepared through the wet-laying process，and then the effects of cross sectional shape of viscose fibers on flushable performance of non-woven materials were studied. The experimental results showed that when the fiber length of viscose fibers was at 8 mm，the fiber length of PLA fibers was at 7 mm，the weight ratio of wood pulp fibers and viscose fibers was at 5∶4，and the hot air temperature was at 65 ℃，the non-woven materials made of Danufil fibers which had flower-shaped cross-section and many deep trenches on its surface possessed the first-rate flushable performance.

cross-sectional shape，wet-laying process，flushable，non-woven material

*江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目(BY2014081-01)

2015-12-10

常敬穎，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榉强椩觳牧系慕Y(jié)構(gòu)及成型機(jī)理與產(chǎn)品開發(fā)

李素英，E-mail: lisy@ntu.edu.cn

TS172

A

1004-7093(2016)10-0026-06