水刺非織造布纖維纏結效果的影響因素及評價方法

趙 博

(中原工學院，河南 鄭州 450007)

水刺非織造布水力纏結加固技術是一種新型加固纖維網的方法，利用水刺噴嘴所產生極細的高速射流水針，對纖維網進行連續(xù)高速噴射和沖擊，使纖維網中的纖維發(fā)生位移、穿插、交錯和相互纏結等，從而使松散的纖維網成為有一定力學性能的非織造材料[1-2]。影響水刺非織造布力學性能的因素有纖維的種類、規(guī)格、纖維纏結效果等，其中纖維纏結效果是主要的影響因素。當高壓水流經水刺頭垂直射向纖維網，纖維在水針的正面直接沖擊和從反面托網簾水柱的反彈穿插的雙重作用下，形成不同方向的無規(guī)則纏結，從而達到加固作用[3-4]。作者分析了水刺非織造布水力沖擊加固的原理，考察了水刺工藝參數(shù)對纖維纏結效果的影響，并對比了水刺非織造布纖維纏結效果3種評價方法的優(yōu)劣，以期為水刺非織造布的生產提供指導。

1 實驗

1.1 主要原料

滌綸短纖：1.67 dtex ×38 mm，南通雙弘紡織有限公司產；混紡比為70/30的滌綸/黏膠短纖：滌綸、黏膠短纖均為1.67 dtex ×38 mm，南通雙弘紡織有限公司產；混紡比為80/20的滌綸/黏膠短纖：滌綸1.67 dtex×38 mm，黏膠短纖1.45 dtex×38 mm，南通雙弘紡織有限公司產。

1.2 主要儀器及設備

VHX-600型數(shù)字式三維電子顯微鏡：基恩士(中國)有限公司制；YG028-500 型電子織物強力機：寧波大禾儀器有限公司制；Y500-2 型水刺機：德國Fleissner公司制。

1.3 水刺非織造布試樣的制備

以滌綸短纖、混紡比為70/30、80/20的滌綸/黏膠短纖為原料，分別用梳理機梳理成網，獲得面密度分別為52，98，90 g/m2的纖網，然后在不同的水刺作用距離、高壓水腔壓力、水針直徑下，經由 Fleissner Aquajet Y500-2 型水刺機水刺加固，形成不同花紋形式的水刺非織造布。不同工藝條件下制備的水刺非織造布試樣見表 1。

表1 不同工藝條件下制備的水刺非織造布試樣Tab.1 Spunlaced nonwoven samples prepared under different process conditions

1.4 分析與測試

纖維形態(tài)結構：采用數(shù)字式三維電子顯微鏡，在放大400倍下觀察試樣的纖維分布及纖維細度。

非織造布的斷裂強力：參照FZ/T 60005—1991《非織造布斷裂強力及斷裂伸長的測定》，采用 YG028-500 型電子織物強力機測試水刺非織造布試樣的縱向斷裂強力(MD) 和橫向斷裂強力(CD)，并由式(1)、式(2)、式(3)分別計算纏結系數(shù)(CJ)、細化纏結系數(shù)(XH)、纖維強力利用系數(shù)(QLV)。

CJ=(MD+CD)/G

(1)

XH=[(MD+CD)/G]/k

(2)

(3)

2 結果與討論

2.1 水刺非織造布水力沖擊過程的機理

水循環(huán)系統(tǒng)提供的能量是作為水刺噴射工藝的基本條件之一，噴嘴高壓噴射出的較高水能量可以沖擊纖維網，使纖維網中的纖維相互纏結，形成具有一定機械性能的水刺非織造布，其原理與針刺法相似，高壓水流形成的“水針”的作用似針刺中的刺針，其機理見圖1。

高壓水流經水刺頭垂直射向纖維網，纖維在水力正面直接沖擊作用下從表面帶入網底，造成纖維之間的纏結，同時水針穿過纖維網射到托網簾后形成的反向作用力又會使纖維從網底反彈至表面，從而形成纖維不同方向的無規(guī)則的纏結，達到加固作用[5]。

根據(jù)能量守恒定律，流體沿著噴嘴噴射軸向方向的各個流體動量之間的關系見式(1)：

(4)

式中：P是高壓水腔壓力，u是噴射水流的速度，g是重力加速度，h是高度，C為常數(shù)。

從式(4)可以看出，提高水循環(huán)系統(tǒng)的P，或者降低噴嘴與纖維網之間h，即可以提高u。但是P過高，會導致纖維獲得的能量大于其斷裂功，使纖維斷裂，最終使纖維網強力下降，而P過低，則會導致纖維網結構松散，強力降低，無法達到使用要求。

在水刺噴嘴噴射過程中，水箱的進水量(Q1)等于水刺噴嘴的出水量(Q2)，所以由式(5)、式(6)可推導出水箱中水的流速(v1)與水刺噴嘴噴射出的水的流速(v2)之間的關系，見式(7)。

Q1=m1v1=π(D1/2)2v1

(5)

(6)

(7)

式中：m1是水箱面積；m2是噴嘴的噴口面積；D1是水箱直徑；d1是水針直徑；ni是水針孔數(shù)。

從式(7)可以看出，減小d1可以提高水刺噴射流體的能量，增大纖維網所受到的沖擊力，從而改善水刺非織造纖維網纏結效果。

2.2 水刺非織造布工藝參數(shù)對纖維纏結效果的影響

2.2.1 水針作用距離對纖維纏結效果的影響

從圖2可看出，1#試樣中纖維纏結更加緊密，這說明在噴嘴高壓噴射水針的沖擊作用下，適當偏小的水針作用距離有利于對纖維的縱深穿插、纏結和上下交錯，可提高纖維網中纖維纏結的緊密度。

圖2 不同水針作用距離下試樣的纖維纏結形態(tài)Fig.2 Fiber entanglement morphology of samples under different water needle action distances

2.2.2 高壓水腔壓力對纖維纏結效果的影響

從圖3可以看出，4#試樣中纖維纏結更加緊密，這說明適當增大高壓水腔的壓力，纖維之間纏結的幾率更大，有利于進行相互縱深穿插、滑移和纏繞，形成形態(tài)穩(wěn)定、結構緊密的水刺非織造布。

圖3 不同高壓水腔壓力下試樣的纖維纏結形態(tài)Fig.3 Fiber entanglement morphology of samples under different high pressure water chamber pressures

2.2.3 水針直徑大小對纖維纏結效果的影響

從表2可以看出，1#試樣的XH、QLV分別為0.94 N/(g·m2)、18.80%，4#試樣的XH、QLV分別為0.83 N/(g·m2)、15.73%，均小于1#試樣。這說明采用偏小水針直徑，能使水針的能量加大，提高水刺噴嘴高速噴射過程中水針對纖維網的沖擊力，使纖維網中的纖維纏結加固緊密。XH和QLV越高，水刺非織造纖維網纏結效果越好。

表2 水針直徑對纖維纏結形態(tài)結構的影響Tab.2 Effect of water needle diameter on fiber entanglement morphology

2.2.4 水刺布花紋加工形式對纖維纏結效果的影響

由表3可以看出，采用平紋水刺布時，試樣的XH和QLV較大，這是因為平紋水刺布的纖維網中的纖維纏結點多，纖維相互運動和穿刺幾率多，使纖維之間彼此加固緊密度加大，可提高水刺非織造纖維網纏結的效果。

表3 水刺布花紋加工形式對纖維纏結形態(tài)結構的影響Tab.3 Effect of processing methods of spunlaced pattern on fiber entanglement morphology

2.3 水刺非織造布纖維纏結程度的評價

根據(jù)水刺法非織造布纖維網中的纖維纏結加固的原理, 評價纖維之間相互纏結效果優(yōu)劣程度包括3種方法： 纏結系數(shù)法、細化纏結系數(shù)法和纖維強力利用系數(shù)法[6]。采用3種方法對不同原料水刺非織造布纖維纏結程度進行評價，其結果見表4。

表4 水刺非織造布纖維纏結程度不同評價指標對比Tab.4 Comparison of different evaluation indexes of fiber entanglement degree of spunlaced nonwovens

從表4可以看出：采用纏結系數(shù)法評價纖維纏結程度時，7#試樣的MD和CD明顯高于1#試樣，而其CJ卻低于1#試樣，說明纏結系數(shù)法無法比較不同品種纖維纏結程度優(yōu)劣，否則會出現(xiàn)不正確的評價；細化纏結系數(shù)法能對不同原料加工的水刺非織造布的纖維纏結程度進行評價，但纏結程度區(qū)分度不明顯；采用纖維強力利用系數(shù)法評價纖維纏結程度時，8#試樣的MD和CD明顯高于7#試樣、1#試樣，QLV也明顯高于7#試樣、1#試樣，這說明纖維強力利用系數(shù)法可以比較不同品種和規(guī)格纖維纏結程度優(yōu)劣，且相比較其他兩種方法具有客觀科學、準確和適用范圍廣的優(yōu)點。

3 結論

a.水刺加固時，提高高壓水腔壓力，降低水刺作用距離，減小水針直徑等可以提高水刺噴射流體的能量，增大纖維網所受到的沖擊力，從而改善水刺非織造布纖維網纏結效果。

b.在水刺作用距離25 mm，高壓水腔壓力12 MPa，水針直徑0.10 mm的工藝條件下制備的滌綸平紋水刺非織布的纖維網纏結效果更好，其XH、QLV分別為0.94 N/(g·m2)、18.80%。

c.對水刺非織造布的纖維纏結效果優(yōu)劣程度進行評價時，纖維強力利用系數(shù)法優(yōu)于纏結系數(shù)法和細化纏結系數(shù)法，該方法具有客觀科學、準確、適用范圍廣的特點。