彈性非織造布加工技術(shù)及研究進(jìn)展*

常 麗 江 亮 馬建偉 彭文忠 陳韶娟

1.青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071；2.俊富非織造材料有限公司，山東 濰坊 261205

非織造布又稱無(wú)紡布、不織布，其產(chǎn)品廣泛用于個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理、醫(yī)療防護(hù)、過濾擦拭及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[1]。隨著人們生活水平、防護(hù)意識(shí)及防護(hù)要求的提高，一次性非織造布產(chǎn)品發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。據(jù)Smithers Pira市場(chǎng)研究所發(fā)布的報(bào)告，2013—2018年間，全球非織造布年均復(fù)合增長(zhǎng)率為7.6%(按價(jià)值計(jì)為7.5%，按面積計(jì)為8.2%)，其中2018年世界非織造布總產(chǎn)量超過1 500萬(wàn)t[2]。

在產(chǎn)量和需求快速增長(zhǎng)的同時(shí)，人們對(duì)非織造布產(chǎn)品的舒適性、功能性提出了更高的要求，尤其是在個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理、醫(yī)療防護(hù)等方面。因此，在滿足基本性能要求的前提下，如何提高產(chǎn)品同人體的貼合性，進(jìn)而提高私密性、靈活性、舒適性等，受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于彈性非織造布具有良好的可伸展性和易曲性，可以很好地貼合使用部位，故被廣泛應(yīng)用于一次性衛(wèi)生用品、醫(yī)療繃帶、手套、運(yùn)動(dòng)服裝及包裝材料等領(lǐng)域[3]。

彈性非織造布是指在外力作用下伸長(zhǎng)率大于60%，外力消除后伸長(zhǎng)回復(fù)率大于55%的非織造布[4]1。美國(guó)及日本對(duì)彈性非織造布的研究開展較早[5]。國(guó)內(nèi)方面，目前很多高校如東華大學(xué)、青島大學(xué)等都開展了相關(guān)課題的研究，部分企業(yè)如榮泰、必得福、全程(臺(tái)灣)、特康等也開發(fā)了具有不同功能的彈性非織造布。

下文將重點(diǎn)介紹現(xiàn)今常見的彈性非織造布的加工技術(shù)及研究進(jìn)展。

1 紡黏法彈性非織造布

紡黏法非織造布是由聚合物熔體直接紡絲、成網(wǎng)得到的，其生產(chǎn)具有產(chǎn)量高、成本低的優(yōu)勢(shì)[6]，且由于纖維為連續(xù)的長(zhǎng)絲，故產(chǎn)品具有很好的力學(xué)性能，且柔軟舒適，尤其適用作個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理材料和醫(yī)療防護(hù)用基體材料。

紡黏法彈性非織造布通常采用熱塑性彈性體直接紡絲生產(chǎn)或同聚丙烯(PP)復(fù)合紡絲生產(chǎn)。常用的熱塑性彈性體包括聚氨酯(TPU)、聚醚酯、聚酰胺、A-B-A嵌段共聚物、烯烴共聚物等[7-10]。目前，彈性非織造布的研究主要集中于烯烴共聚物，如ExxonMobil化學(xué)公司的VistmaxxTM、Dow化學(xué)公司的VersifyTM、Mitsui化學(xué)公司的NotioTM和TafmerTMXM，以及Basell公司的SoftelTM等[11]。另外，通過茂金屬催化劑控制分子結(jié)構(gòu)得到的低等規(guī)度聚丙烯，如Idemitsu Kosan公司的L-MODUTM，也可用于制備紡黏法彈性非織造布[12]。由于烯烴共聚物同PP具有較好的相容性，其可同PP材料共混后在現(xiàn)有的傳統(tǒng)生產(chǎn)線上制得彈性非織造布。

王玉梅等[13]將烯烴共聚物彈性體VistmaxxTM6202FL或7050FL同PP進(jìn)行不同比例的共混，制得紡黏法彈性非織造布。其研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)多道拉伸牽引及定型后，所得彈性非織造布的斷裂伸長(zhǎng)率可超過400%，且伸長(zhǎng)100%后彈性回復(fù)率在55%左右。該生產(chǎn)方法是目前市售紡黏彈性非織造布典型的生產(chǎn)方法，但存在的問題也很普遍，如產(chǎn)品的彈性主要體現(xiàn)在垂直于設(shè)備運(yùn)行的方向上(即CD方向上)，幅寬損失率較大。

美國(guó)Karton公司開發(fā)的苯乙烯嵌段共聚物(SBC)可用作雙組分纖維的芯層材料，生產(chǎn)紡黏法彈性非織造布。其生產(chǎn)原理為利用不同材料間結(jié)晶速率或熱收縮比的不同，得到具有明顯褶皺和卷曲形態(tài)的皮芯結(jié)構(gòu)纖維(圖1)。這種纖維可賦予紡黏法非織造布良好的彈性，使非織造布的伸長(zhǎng)率超過300%[14-16]。

圖1 SBC雙組分紡黏法彈性非織造布SEM照片

2 熔噴法彈性非織造布

熔噴法是指聚合物熔體經(jīng)噴絲孔噴出后，通過熱氣流快速牽伸，并無(wú)規(guī)地收集于網(wǎng)帶或卷繞裝置表面，纖維間通過自黏合形成的一種均勻網(wǎng)面[17]。典型的熔噴非織造布中纖維直徑通常在0.5～10.0 μm，平均直徑在1.0～2.0 μm。這種非織造布具有多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率和比表面積較大[18]，尤其適用于醫(yī)療衛(wèi)生及過濾領(lǐng)域。

一般情況下，適用于紡黏法彈性非織造布生產(chǎn)的熱塑性彈性體也適用于熔噴法，但熔噴工藝的特點(diǎn)決定了所適用的熱塑性彈性體需具備相對(duì)較高的熔體流動(dòng)性，因此需對(duì)熱塑性彈性體的流動(dòng)性加以選擇和控制。當(dāng)熱塑性彈性體黏度太大時(shí)，模頭壓力過大，紡絲困難，生產(chǎn)能耗高。黏度的降低雖有利于紡絲的進(jìn)行，但產(chǎn)品的力學(xué)性能會(huì)受到影響。因此，選擇具有合適流動(dòng)性的原材料非常重要。

付小栓[19]采用國(guó)產(chǎn)聚烯烴彈性體材料，通過熔噴加工工藝得到了伸長(zhǎng)率在100%～300%的彈性非織造布，并發(fā)現(xiàn)彈性非織造布的斷裂伸長(zhǎng)率及彈性回復(fù)率與纖維粗細(xì)、材料厚度等有很大的相關(guān)性。日本鐘紡株式會(huì)社在20世紀(jì)80年代末也展開了利用熔噴工藝制備熱塑性聚氨基甲酸酯彈性非織造布的研究，所得產(chǎn)品類似紡黏非織造布，其纖維直徑較大(20.0～50.0 μm)且呈連續(xù)狀，存在耐光性差、易黃變等問題[20]。Lee[21]研究了不同牌號(hào)TPU的可紡性，以及熔噴工藝對(duì)其非織造布性能的影響，并得到了纖維平均直徑在6.0 μm左右的彈性非織造布，伸長(zhǎng)率在100%～700%。韓亞元等[22]也對(duì)TPU原料的熔點(diǎn)、熔融指數(shù)、流變性能等進(jìn)行了研究，分析了熔噴工藝條件(即溫度、空氣壓力、熔體流量等)對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能的影響，并得到了伸長(zhǎng)率在100%～400%的彈性非織造布。

相較于采用熱塑性彈性體直接熔噴成網(wǎng)，將傳統(tǒng)熱塑性聚合物同熱塑性彈性體共混，以改善熔體的黏度及流變性的方案更可行。Hodgson等[23]采用烯烴共聚物作為彈性原料，通過過氧化物調(diào)節(jié)其流動(dòng)性，再與低相對(duì)分子質(zhì)量的PP或高流動(dòng)性的醋酸乙烯酯(EVA)共混，后經(jīng)熔噴法生產(chǎn)出面密度在30 g/m2、伸長(zhǎng)率超過100%的彈性非織造布。Zhou等[24]和Peng等[25]先采用PP和TPU共混造粒，再經(jīng)熔噴紡絲后制備出纖維具有海島結(jié)構(gòu)的熔噴非織造布，并研究了不同TPU含量下熔體的可紡性，以及紡絲工藝參數(shù)如接收距離、熱風(fēng)量等對(duì)纖維形態(tài)及直徑的影響。

大多數(shù)熱塑性彈性體與傳統(tǒng)熱塑性聚合物并不相容，增加共混物熔體中熱塑性彈性體的含量會(huì)導(dǎo)致紡絲時(shí)易斷絲，產(chǎn)品性能受影響。因此，選擇合適的熱塑性彈性體，或通過第三組分改善復(fù)合材料的相容性，優(yōu)化共混條件，對(duì)提高共混物熔體的可紡性和產(chǎn)品的整體性尤為重要。如通過馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)及馬來(lái)酸酐接枝苯乙烯嵌段共聚物(SEBS-g-MA)對(duì)PP/PA 6及PP/EVA共混體系進(jìn)行改性，能在一定范圍內(nèi)明顯改善兩相的界面結(jié)合，使分散相籌變小，分散度提高[26-27]。此外，熱塑性彈性體在共混體系中的占比及共混條件如溫度、時(shí)間、剪切力等，對(duì)共混物熔體的黏度及熱塑性彈性體在共混物熔體中的形態(tài)分布等具有重要影響[28-31]。

3 短纖梳理彈性非織造布

短纖梳理非織造布原料來(lái)源廣泛，產(chǎn)品性能獨(dú)特，在個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理、醫(yī)療防護(hù)等方面都有應(yīng)用。彈性纖維受其彈性影響，在梳理過程中易發(fā)生纏結(jié)，并最終影響成網(wǎng)質(zhì)量。因此，有關(guān)彈性短纖梳理成網(wǎng)的研究并不多。

馬詠梅等[32]以具有不同熱收縮率的聚酯/共聚酯并列雙組分短纖為基材，經(jīng)梳理成網(wǎng)后水刺或針刺固結(jié)，再熱處理，得到了伸長(zhǎng)率超過90%的彈性非織造布，且其拉伸50%后彈性回復(fù)率可超過70%。浙江弘揚(yáng)無(wú)紡新材料有限公司將并列結(jié)構(gòu)聚酯短纖與普通聚酯短纖按80∶20的質(zhì)量比共混，梳理后再水刺，制得彈性非織造布，發(fā)現(xiàn)該非織造布除具有較好的彈性外，還擁有傳統(tǒng)水刺非織造布的物理性能、滲透性能及衛(wèi)生性能[33]。

短纖梳理工藝拓寬了彈性非織造布的原料來(lái)源，使得除熱塑性彈性體外的具有功能差異性的纖維也可用于彈性非織造布的生產(chǎn)。

4 復(fù)合彈性非織造布

復(fù)合利用材料間及工藝間的協(xié)同作用，賦予產(chǎn)品新特性，彌補(bǔ)單一組分的不足。復(fù)合彈性非織造布主要通過多層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其層與層之間通過膠黏合或熱黏合等形式固結(jié)(圖2)。

a)非織造布+彈性膜+非織造布(圖片來(lái)源http：//www.china-tekang.com/productscon.aspx？id=27)

20世紀(jì)80年代末，Kimberly-Clark公司在專利中提出的彈性非織造布的加工工藝即為典型的“三明治”型復(fù)合工藝，其將拉伸的彈性片材(至少拉伸100%)與非彈性非織造布復(fù)合，賦予最終產(chǎn)品整體彈性(伸長(zhǎng)率在100%～200%)[4]4，13-21。后來(lái)，這種加工方法被不斷改進(jìn)和推廣[34-35]，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于嬰幼兒紙尿褲的彈性腰圍及彈性繃帶中，其中間的彈性層主要采用彈性膜或彈性絲制成，但這種加工方法會(huì)使得面層非織造布因彈性層的回彈而產(chǎn)生大量褶皺，導(dǎo)致面層材料利用率低，成本增加。Zhou等[36]介紹了一種復(fù)合彈性非織造布的生產(chǎn)方法，其采用彈性網(wǎng)為中間層，并在低牽伸(伸長(zhǎng)率<100%)或不牽伸的情況下采用膠黏合或熱黏合等形式，與支撐層塑料膜及上下面層黏合，再經(jīng)槽狀壓軋工藝制得復(fù)合彈性非織造布。所得材料表面較為平整，伸長(zhǎng)率在150%左右。

利用彈性膜或彈性絲與非彈性組分復(fù)合得到的彈性非織造布，其形變能力受非彈性組分限制，整體手感偏硬。其中，非織造布的透氣特性也因彈性膜的使用而降低。因此，利用具有可拉伸性的織物或非織造布作為中間彈性層，可更大程度地賦予產(chǎn)品舒適性。如Morman[37]利用熱黏合工藝，在預(yù)拉伸的彈性基布上直接噴絲制備紡黏或熔噴復(fù)合彈性非織造布；Westwood[38]采用熔噴工藝，將聚烯烴聚合物與具有一定伸長(zhǎng)性的織物復(fù)合，得到了橫向伸長(zhǎng)率大于200%的復(fù)合彈性材料；王玉梅等[39]將彈性熔噴層(M)及彈性紡黏層(S)在線復(fù)合，制備出了伸長(zhǎng)率在200%～500%的彈性SMS產(chǎn)品。上述這些復(fù)合彈性非織造布除具有優(yōu)異的彈性性能外，還具有柔軟的手感及良好的透氣性能。

5 常見的彈性非織造布加工技術(shù)比較

表1基于目前的技術(shù)水平，對(duì)不同工藝制備的彈性非織造布的優(yōu)缺點(diǎn)及現(xiàn)狀做了歸納。

表1 目前不同工藝制備的彈性非織造布的優(yōu)缺點(diǎn)及現(xiàn)狀

從表1可以總結(jié)出：

(1)復(fù)合法相對(duì)成熟，目前市面應(yīng)用較多，但產(chǎn)品彈性受復(fù)合工藝及復(fù)合材料限制，制備多向彈性產(chǎn)品較難；

(2)短纖梳理法具有成本低及材料可選范圍廣的優(yōu)勢(shì)，但產(chǎn)品彈性較??；

(3)一步成型的紡黏法及熔噴法雖具有工藝流程短、產(chǎn)品彈性范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但材料的可紡性及紡絲工藝的難度仍是目前需要集中克服的難題。

6 總結(jié)及展望

彈性非織造布的性能主要受材料本身及工藝水平的影響。短纖梳理法擺脫了熱塑性彈性體的限制，但所得彈性非織造布伸長(zhǎng)率并不高。其他幾種工藝制備彈性非織造布都需要熱塑性彈性體，尤其是紡黏法及熔噴法，更依賴對(duì)熱塑性彈性體的選擇和加工。

熱塑性彈性體具有較大的黏彈性，流變性能受溫度及工藝條件影響較大，加工窗口較窄，易發(fā)生堵塞、斷絲等情況，工藝控制難度大。將熱塑性彈性體與傳統(tǒng)熱塑性聚合物復(fù)合，可改善熔體的流動(dòng)性和可紡性，并降低生產(chǎn)成本，但兩者之間的相容性及流變性能的差異是目前的難點(diǎn)，如何改善及控制熔體的流變性能對(duì)彈性非織造布的生產(chǎn)具有重要意義。

除了熱塑性彈性體與傳統(tǒng)熱塑性聚合物的復(fù)合，不同工藝非織造布的復(fù)合也是彈性非織造布生產(chǎn)的研究熱點(diǎn)。不同工藝非織造布之間性能的差異可以很大程度地彌補(bǔ)單一原料或工藝的不足，提高現(xiàn)有彈性非織造布的適用性，如紡噴工藝(Spunmelt)、熔噴-靜電紡工藝等，將為彈性非織造布的發(fā)展和創(chuàng)新注入新活力。