蘇婷婷 殷保璞 (東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

大豆蛋白纖維是中國首先開發(fā)并工業(yè)化生產(chǎn)的人造纖維［1］，其生產(chǎn)原理是將豆粕水浸分離，提取出球蛋白，通過添加功能性助劑，與腈基或羥基等高聚物接枝、共聚、共混，制成一定濃度的蛋白質(zhì)紡絲液，改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，通過濕法紡絲制得大豆蛋白纖維。整個生產(chǎn)過程對環(huán)境無污染，纖維本身易生物降解，是一種綠色環(huán)保纖維［2］。目前大豆蛋白纖維主要用于服裝行業(yè)［3］，與棉或者真絲混紡制成高支紗，可加工成內(nèi)衣、T恤衫和襯衫面料［4］，但有關(guān)大豆蛋白纖維在非織造生產(chǎn)上的應(yīng)用研究較少。本文采用非織造工藝制備了大豆蛋白纖維水刺非織造材料，研究了該材料的基本物理性能和相關(guān)的應(yīng)用性能，并探究了其在衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

1 試驗部分

1.1 大豆蛋白纖維水刺非織造材料的制備

本文以大豆蛋白纖維和黏膠纖維為原料，設(shè)計了兩種纖維配比，每種配比設(shè)計三種面密度，共6個試樣，見表1。

表1 試樣設(shè)計

采用AS181A型梳棉試驗機進行梳理成網(wǎng);采用德國Fleissner公司生產(chǎn)的Aquajet Y500-2型水刺機進行水刺加固，除預(yù)水刺外，其余采用正反兩道，共4道水刺。水刺工藝參數(shù)見表2。工藝路線如下：

纖維原料→開松混合→梳理成網(wǎng)→水刺加固→烘燥→卷繞。

1.2 性能測試及物理量計算方法

1.2.1 纖維性能測試

(1)采用日立TM-3000型臺式掃描電子顯微鏡觀察纖維表面形態(tài);

(2)采用傅里葉變換紅外-拉曼光譜儀(NEXUS-670)對大豆蛋白纖維原料進行分析;

表2 水刺工藝參數(shù)

(3)采用XQ-2纖維強伸度儀測單纖強力;

(4)采用YG362B卷曲彈性儀測纖維的卷曲性能;

(5)采用Y802A型八籃恒溫烘箱測纖維的回潮率;

(6)采用BE10N M318全自動顯微鏡測纖維直徑;

(7)纖維密度按下式計算［5］：

式中：d——纖維直徑(μm);

γ——纖維密度(g/cm3);

Ndt——纖維線密度(dtex)。

(8)纖維相對彎曲剛度按下式計算［5］：

式中：RBr——相對彎曲剛度(cN·cm2/tex2);

E——纖維彈性模量(cN/tex);

γ——纖維密度(g/cm3)。

由實驗測得：大豆蛋白纖維截面形狀系數(shù)ηf=0.59，黏膠纖維截面形狀系數(shù)ηf=0.75。1.2.2 水刺非織造材料測試

(1)依據(jù)GB/T24218.2—2009方法測定試樣厚度;

(2)依據(jù)GB/T24218.1—2009方法測定試樣面密度;

(3)依據(jù)GB/T24218.3—2010，采用 YG028-500型電子強力儀測定試樣的強力;

(4)依據(jù)GB/T18318.1—2009，采用 LLY-01型電子硬挺度儀測定試樣的彎曲性能;

(5)依據(jù)GB/T24219—2009，采用 Porometer 3G孔徑儀測定試樣的孔徑;

(6)依據(jù) GB/T12704.1—2009，采用 YG6601型織物透濕儀測定試樣的透濕性;

(7)依據(jù)GB/T24218.6—2010方法測定試樣帶液率;

(8)導(dǎo)濕性能：在標準大氣下，取0.5 mL定量液體滴入織物，測試液滴沿織物各向擴散一定時間(設(shè)定30 min)后達到的最大擴散位移，選用縱向(MD)/橫向(CD)/45°三個方向來表征織物的導(dǎo)濕性能［6］;

(9)纏結(jié)系數(shù)計算公式為：

2 結(jié)果與討論

2.1 大豆蛋白纖維

2.1.1 纖維成分分析

按公開專利介紹［1］，大豆蛋白纖維中大豆蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為23%～55%，聚乙烯醇和其他成分質(zhì)量分數(shù)為45%～77%。從圖1可以看出，1 538 cm－1為酰胺Ⅱ的特征吸收峰，1 239 cm－1為酰胺Ⅲ的特征吸收峰，1 097和1 016 cm－1為C—O的特征吸收峰，3 361 cm－1為聚乙烯醇中—OH的特征吸收峰。因為大豆蛋白纖維含有一定量的聚乙烯醇，故大豆蛋白纖維的吸濕性能良好。大豆蛋白纖維中的蛋白質(zhì)含有多種氨基酸，有天然保健功能，與人體皮膚有良好的相容性［7］。

圖1 大豆蛋白纖維的紅外光譜圖

2.1.2 表觀形態(tài)分析

大豆蛋白纖維表面光澤柔和，縱向表面有與黏膠纖維相似的凹凸溝槽，見圖2。因此，大豆蛋白纖維具有吸濕導(dǎo)濕的優(yōu)良特性。

2.1.3 基本物理性能

圖2 大豆蛋白纖維和黏膠纖維縱向表面的電鏡照片

大豆蛋白纖維和黏膠纖維的基本物理性能見表3。從表3可以看出：大豆蛋白纖維干強為4.51 cN，較黏膠纖維(2.08 cN)高，密度為1.13 g/cm3，故可在滿足非織造材料一定強力的條件下，制作輕薄產(chǎn)品;回潮率為7.64%，不及黏膠纖維(11.24%);相對彎曲剛度為4.2×10－5cN·cm2/tex2，低于黏膠纖維(5.4 ×10－5cN·cm2/tex2)，所以大豆蛋白纖維的柔軟性優(yōu)于黏膠纖維。

2.2 水刺非織造材料性能測試分析

2.2.1 力學(xué)性能

水刺非織造材料需有一定的強力，才能滿足應(yīng)用的要求。在射流沖擊下纖維的纏結(jié)程度可用水刺非織造材料的縱橫向強力來衡量［8-9］，本文采用纏結(jié)系數(shù)來表征試樣中纖維經(jīng)水刺后的纏結(jié)程度，以此來說明試樣的力學(xué)性能。

表3 大豆蛋白纖維和黏膠纖維的基本物理性能

圖3為水刺非織造材料試樣的纏結(jié)系數(shù)與面密度的關(guān)系。由圖3可以看出：

(1)隨著試樣面密度增加，纏結(jié)系數(shù)相應(yīng)增加。這是因為隨著面密度的增加，水刺壓力同步增加，水針能量提高，相同條件下纖維纏結(jié)程度提高。

(2)大豆蛋白纖維水刺非織造材料的纏結(jié)系數(shù)高于大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料。這是因為大豆蛋白纖維的彎曲剛度低，更柔軟，水射流的作用使其更易彎曲，相同水針能量下纖維間的纏結(jié)效果更好。此外，大豆蛋白纖維的單纖強力和長度大于黏膠纖維，并且密度偏小，導(dǎo)致相同面密度的試樣單位面積中含有更多根數(shù)的纖維，所以相同水針能量下纖維纏結(jié)點增多，其力學(xué)性能也相對提高。

圖3 纏結(jié)系數(shù)與面密度關(guān)系曲線

圖4為50 g/m2水刺非織造材料的干態(tài)拉伸曲線。從圖4可以看出：

(1)試樣縱向斷裂強力高于橫向斷裂強力。這是因為試樣制備采用直鋪工藝，纖維沿縱向分布，所以縱橫向強力差異大。

(2)大豆蛋白纖維水刺非織造材料和大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料相比，后者的初始模量稍大于前者，說明大豆蛋白纖維水刺非織造材料比大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料更易變形，手感更柔軟。

圖4 50 g/m2水刺非織造材料的干態(tài)拉伸曲線

圖5 50 g/m2大豆蛋白纖維水刺非織造材料的濕態(tài)拉伸曲線

圖5為50 g/m2大豆蛋白纖維水刺非織造材料的濕態(tài)拉伸曲線。與圖4相比，濕態(tài)試樣的拉伸曲線波動較大，干態(tài)試樣的拉伸曲線相對平滑，且濕態(tài)強力低于干態(tài)。這是因為水的作用會解鎖水刺非織造材料中纖維與纖維之間的纏結(jié)，并且濕態(tài)的非織造材料在拉伸時，滯留在試樣中的水會使纖維間的摩擦因數(shù)降低，會加速纖維間的滑移，從而使斷裂強力降低且不穩(wěn)定。

2.2.2 柔軟性

柔軟舒適的手感是水刺衛(wèi)生材料的主要性能之一［10］，本文采用彎曲剛度衡量織物的剛?cè)岢潭取?/p>

圖6為試樣彎曲剛度隨面密度的變化曲線。從圖6可以看出：

(1)試樣的縱橫向彎曲剛度隨著面密度的增加呈上升趨勢，且縱向彎曲剛度比橫向大。這是因為試樣梳理采用的是直鋪工藝，纖維沿著縱向排列，故縱向能更好地承擔彎曲應(yīng)力。隨著面密度的增加，單位面積內(nèi)的纖維數(shù)量增加，纖維排列更緊密，彎曲剛度增加，試樣柔軟性降低［11］。

(2)在面密度相同時，大豆蛋白纖維水刺非織造材料的彎曲剛度小于大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料。這是因為試樣中大豆蛋白纖維的彎曲剛度低于黏膠纖維，彎曲剛度大，纖維柔軟性差。因此，相同面密度試樣比較，大豆蛋白纖維水刺非織造材料的柔軟性更好。

圖6 彎曲剛度與面密度的關(guān)系曲線

圖7為試樣彎曲剛度隨纏結(jié)系數(shù)的變化曲線。從圖7可以看出，隨著纏結(jié)系數(shù)的增加，同種材料同一方向的試樣其彎曲剛度增加。這是因為纏結(jié)系數(shù)越大，參與纏結(jié)的纖維增加，纖維間纏結(jié)得更加緊密，纏結(jié)點更多，材料質(zhì)感變硬，彎曲剛度變大。由于大豆蛋白纖維的彎曲剛度低，其水刺產(chǎn)品手感柔軟，同時較低的彎曲剛度使得大豆蛋白纖維水刺非織造材料的纏結(jié)系數(shù)高于大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料。上述兩種因素中，以纖維材料本身的彎曲剛度對試樣彎曲剛度的作用更大。

圖7 彎曲剛度與纏結(jié)系數(shù)的關(guān)系曲線

2.2.3 孔徑及透濕性能

水刺衛(wèi)生材料因為直接與皮膚接觸，必須具備一定的通透性能，才能保證與人體皮膚接觸時形成良好的微氣候環(huán)境，給人體提供舒適的接觸感。本文采用孔徑和透濕量兩個指標來表征試樣的通透性能。

圖8為試樣孔徑與厚度的關(guān)系曲線，圖9為試樣孔徑隨纏結(jié)系數(shù)的變化曲線?？梢钥闯觯?/p>

(1)隨著水刺非織造材料厚度的增加，孔徑有減小的趨勢。這是因為隨著厚度的增加，單位面積內(nèi)的纖維層數(shù)增加，孔隙被纖維覆蓋的可能性增加，孔徑減小。

(2)隨著纏結(jié)系數(shù)的增加，試樣孔徑有減少的趨勢。這是因為纏結(jié)系數(shù)增加，纖維纏結(jié)程度增加，材料密度增加，孔徑減?。?2］。

圖8 孔徑與厚度的關(guān)系曲線

圖9 孔徑與纏結(jié)系數(shù)的關(guān)系曲線

(3)大豆蛋白纖維水刺非織造材料的孔徑大于大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料的孔徑。這是因為大豆蛋白纖維的直徑為13.71 μm，大于黏膠纖維(11.90 μm)，纖維越粗，纖維間的孔隙越大。

(4)大豆蛋白纖維水刺非織造材料的厚度略低于大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料，厚度小，則孔徑大;而前者的纏結(jié)系數(shù)高于后者，纏結(jié)系數(shù)大，則孔徑小。綜合分析各因素對材料孔徑的影響，與纏結(jié)系數(shù)相比，試樣厚度和纖維直徑占主導(dǎo)作用。

織物透濕性是對人體散熱發(fā)汗時維持人體產(chǎn)熱和散熱的熱平衡能力［5］。作為與人體皮膚直接接觸的水刺衛(wèi)生材料，需要考慮透濕性指標，透濕性好的材料具有良好的熱濕舒適性。

圖10為試樣透濕量隨面密度變化的關(guān)系曲線。從圖10可以看出，大豆蛋白纖維和大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料的透濕量相當，保持在290 g/(m2·24 h)左右。隨著面密度的增加，透濕量稍有降低。這是因為試樣隨著面密度的增加而變厚，參與水刺的纖維數(shù)增多，從而孔隙數(shù)量增加，但是孔隙變小;在吸濕后，纖維膨脹，進一步減小了纖維間的孔隙。孔隙大小和孔隙數(shù)量相比，孔隙大小對透濕量的影響占主導(dǎo)作用，從而使試樣的透濕量隨著面密度的增加而減小。

圖10 透濕量與面密度的關(guān)系曲線

圖11 透濕量與孔徑的關(guān)系曲線

圖11顯示了透濕量與孔徑的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著孔徑的增加，試樣有更大的孔隙來傳遞水汽，試樣的透濕量增加。

2.2.4 帶液率

水刺衛(wèi)生材料要求試樣具有一定的吸濕性。非織造材料所含水分主要包括吸收水和毛細水。吸收水的量取決于纖維本身。毛細水主要分布在纖維及織物毛細孔隙內(nèi)，纖維孔隙越大，毛細水越多［10］。

圖12為帶液率與孔徑的關(guān)系曲線，可以看出隨著孔徑的增加，非織造材料儲存毛細水的能力增加，帶液率增加。

圖13為帶液率與面密度的關(guān)系曲線。從圖13可以看出：

圖12 帶液率與孔徑的關(guān)系曲線

圖13 帶液率與面密度的關(guān)系曲線

(1)隨著面密度的增加，大豆蛋白纖維和大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料帶液率呈下降的趨勢。

(2)相同面密度的大豆蛋白纖維水刺非織造材料的帶液率大于大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料。這是因為大豆蛋白纖維水刺非織造材料的孔徑大于大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料，孔徑越大，帶液率越高。

2.2.5 導(dǎo)濕性能

液體在織物中擴散的最大面積和織物芯吸系數(shù)是反映織物綜合導(dǎo)濕性能的指標。6個試樣的導(dǎo)濕性能見表4。表中：L1，max代表縱向擴散最大位移，L2，max代表橫向擴散最大位移，L3，max代表45°方向擴散最大位移，單位為mm;Smax代表最大擴散面積，液滴在織物上以近似圓形或橢圓形擴散(Smax= π·L1，max·L2，max)，單位為 mm2;W2i代表織物各向芯吸速率，i=1，2，3，t為時間)，單位為mm2/s;W代表芯吸系數(shù)，為織物各向芯吸速率平均值的開方，單位為

從表4可以看出：

(1)比較縱向、橫向和45°方向的導(dǎo)濕性能，6種試樣的縱向?qū)裥阅芫詈谩＿@與水刺的方向及平行鋪網(wǎng)有關(guān)，水針痕和纖維在縱向的取向形成毛細芯吸效應(yīng)，使產(chǎn)品的導(dǎo)濕能力增強。

表4 試樣導(dǎo)濕性能測試結(jié)果

(2)試樣的厚度增加，導(dǎo)濕性能也會變化。綜合指標顯示，試樣1和試樣4的綜合導(dǎo)濕性能較優(yōu)。決定織物中液體輸運速度的主要是粗毛細孔?？讖皆酱?，則形成的毛細管中粗毛細管多，芯吸速率越快［13］。因為試樣1和試樣4是面密度為50 g/m2的試樣，面密度小，試樣厚度小，孔徑大，材料相對蓬松，織物導(dǎo)水快，導(dǎo)濕能力好。

(3)芯吸速率大的方向其擴散位移也大。

3 結(jié)論

對比了大豆蛋白纖維和大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料的基本性能，得出以下結(jié)論：

(1)在相同面密度下，大豆蛋白纖維水刺非織造材料比大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料的強力更高，柔軟性更好，孔徑更大，帶液率更高。

(2)大豆蛋白纖維和大豆蛋白/黏膠纖維水刺非織造材料的橫向強力均低于縱向強力，濕態(tài)強力均低于干態(tài)強力;纏結(jié)系數(shù)和彎曲剛度均隨著面密度的增加而增加，孔徑和帶液率均隨著面密度增加而減小;彎曲剛度隨著纏結(jié)系數(shù)的增加而增加，透濕量和帶液率隨著孔徑增加而增加。

(3)試樣面密度越小，導(dǎo)濕性能越好。

(4)大豆蛋白纖維水刺非織造材料可應(yīng)用于面膜、濕巾和醫(yī)用敷料等醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。

［1］李官奇.植物蛋白質(zhì)合成絲：中國，99116636.1［P］.2001-03-07.

［2］趙偉玲，郝鳳鳴，郭曉玲.大豆蛋白纖維性能測試分析［J］.棉紡織技術(shù)，2002，30(8)：33-37.

［3］張巖昊.大豆蛋白纖維及其產(chǎn)品開發(fā)［J］.棉紡織技術(shù)，2000，28(9)： 540-542.

［4］王紅利，王遠，謝光銀.大豆蛋白纖維應(yīng)用性能的探討［J］.中國纖檢，2011(15)：82-84.

［5］于偉東.紡織材料學(xué)［M］.北京：中國紡織出版社，2006：114.

［6］賈玉梅，張才前.滴液法測試織物導(dǎo)濕性的研究［J］.絲綢，2006(7)：42-43.

［7］王其，李官奇.大豆蛋白質(zhì)改性纖維的保健功能和機理研究［J］.針織工業(yè)，2004(4)：67-71.

［8］NDARO M S，JIN X Y，CHEN T，et al.Splitting of islands-in-the-sea fibers(PA 6/COPET)during hydroentangling of nonwovens［J］.Journal of Engineered Fibers and Fabrics，2007，2(4)：1-9.

［9］殷保璞，吳海波，靳向煜，等.射流沖擊對不同性能滌綸的纏結(jié)作用［J］.紡織學(xué)報，2009，30(7)：51-54.

［10］徐小萍，張寅江，靳向煜，等.殼聚糖/黏膠水刺非織造布的制備及相關(guān)性能［J］.紡織學(xué)報，2013，34(6)：51-57.

［11］周玉玲，張佩華，王壁嶠.拉伸力法測試織物柔軟性［J］.紡織學(xué)報，2008，29(1)：41-44.

［12］殷保璞，吳海波，靳向煜，等.非織造過濾材料的孔隙結(jié)構(gòu)與透氣性能研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007，25(5)：20-23.

［13］范菲，齊宏進.織物孔徑特性與織物結(jié)構(gòu)及芯吸性能的關(guān)系［J］.紡織學(xué)報，2007，28(7)：38-41.