唐子杰 孫 婷 劉雪強(qiáng) 張如全

1． 武漢紡織大學(xué)紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430200；2． 軍需工程技術(shù)研究所，北京100010

近年來，針刺非織造布和水刺非織造布在醫(yī)療衛(wèi)生、過濾、建筑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。針刺工藝有生產(chǎn)能耗小、工藝流程短的特點(diǎn)。目前，針刺機(jī)普遍采用偏心輪和曲柄連桿裝置將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為垂直方向的往復(fù)運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)對纖網(wǎng)的加固[4]。針刺機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在發(fā)熱快、主軸磨損嚴(yán)重的問題，同時(shí)刺針因單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)動量增加而易產(chǎn)生疲勞，出現(xiàn)斷針現(xiàn)象。這兩個問題是目前制約針刺機(jī)無法實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。水刺工藝雖然生產(chǎn)速度快，但能耗高(約占總費(fèi)用的40%～50%)[5]。通常產(chǎn)生高質(zhì)量的“水針”和烘干所消耗的能量就占整個生產(chǎn)流程總能耗的70%～80%。水刺加固工藝對水質(zhì)要求高，解決水污染、水循環(huán)等問題仍需耗費(fèi)大量資源。盡管針刺和水刺加固工藝生產(chǎn)的非織造布性能優(yōu)異，市場應(yīng)用前景廣闊，但是針刺非織造布和水刺非織造布的競爭主要體現(xiàn)在數(shù)量和價(jià)格上，而非質(zhì)量和制備工藝上。此外，我國生產(chǎn)高端非織造布產(chǎn)品的設(shè)備仍需高價(jià)進(jìn)口，這也是當(dāng)前非織造布產(chǎn)業(yè)面臨的問題之一。

針對非織造布加固工藝中針刺加固工藝速度較低、水刺加固工藝能耗高的缺點(diǎn)，本文提出了一種使纖維網(wǎng)獲得良好加固效果的新技術(shù)——噴氣固結(jié)工藝，即采用氣流法對纖維網(wǎng)進(jìn)行加固，結(jié)合開松和梳理成網(wǎng)工藝，設(shè)計(jì)獨(dú)特的氣流噴射裝置，解決氣流的擴(kuò)散和穩(wěn)流問題，實(shí)現(xiàn)氣流從低速向高速的轉(zhuǎn)換并最終噴射至纖維網(wǎng)而起到加固的目的。

1 噴氣固結(jié)工藝的特點(diǎn)

噴氣固結(jié)工藝優(yōu)勢獨(dú)特，其不僅有良好的加固效果，還能賦予非織造布優(yōu)良的蓬松性能。與針刺加固工藝相比，噴氣固結(jié)工藝所采用的設(shè)備無連桿傳動機(jī)制的限制，生產(chǎn)速度快且無傳動機(jī)構(gòu)磨損、發(fā)熱和斷針現(xiàn)象的發(fā)生，生產(chǎn)的非織造布表面也不會產(chǎn)生明顯的針孔，非織造布的質(zhì)量提高。與水刺加固工藝相比，噴氣固結(jié)工藝在生產(chǎn)中需要的氣流壓力遠(yuǎn)低于水刺加固工藝所需的壓力，且非織造布處于完全干燥的狀態(tài), 不需要烘燥和循環(huán)過濾等后續(xù)流程，可降低能耗，節(jié)約能源和成本[6]。

2 噴氣固結(jié)的原理和工藝

噴氣固結(jié)利用一定壓力下產(chǎn)生的高速氣流，經(jīng)氣流噴射裝置上的微細(xì)噴氣孔對纖網(wǎng)上的纖維進(jìn)行沖擊，使纖維間發(fā)生交叉、纏結(jié)，達(dá)到對纖網(wǎng)進(jìn)行加固的目的。但在高速氣流加固纖網(wǎng)的過程中，氣流易發(fā)生紊亂，其速度矢量方向的不統(tǒng)一將導(dǎo)致氣流在噴氣孔出口產(chǎn)生射流擴(kuò)散，降低纖維間的纏結(jié)作用，故僅依靠高速氣流無法獲得成型良好的纖網(wǎng)。因此，提高氣流的穩(wěn)定性并減小其射流擴(kuò)散是增強(qiáng)纖網(wǎng)加固效果的關(guān)鍵。

噴氣固結(jié)裝置主要由氣源6、氣流噴射裝置(噴氣孔2、進(jìn)氣管3、通氣腔5、調(diào)壓閥8)、托網(wǎng)簾7和吸氣箱1組成(圖1)。噴氣孔2和吸氣箱1間的區(qū)域稱為氣流噴射區(qū)。在噴射加固過程中，纖維網(wǎng)4在托網(wǎng)簾7的托持作用下進(jìn)入噴氣固結(jié)裝置的氣流噴射區(qū)，氣源6產(chǎn)生高壓氣流首先通過進(jìn)氣管3進(jìn)入噴氣孔2，產(chǎn)生氣針作用于纖網(wǎng)。進(jìn)氣管3上的調(diào)壓閥8可控制氣流壓力。作用于纖網(wǎng)的氣流會與托網(wǎng)簾7相接觸。托網(wǎng)簾7中設(shè)置有多個網(wǎng)格孔，氣流與簾面、網(wǎng)格孔均相接觸。其中，與網(wǎng)格孔相接觸的氣流會經(jīng)網(wǎng)格孔后射至吸氣箱1內(nèi)，而與簾面相接觸的氣流會被簾面反射至纖維網(wǎng)4內(nèi)。

圖1 噴氣固結(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意

2.1 氣流噴射裝置的工作原理

氣流噴射裝置是形成氣針、完成纖維纏結(jié)的重要部件。針對高速氣流加固纖網(wǎng)的過程中，氣流易紊亂且其速度矢量方向不統(tǒng)一的問題，本文設(shè)計(jì)的獨(dú)特氣流噴射裝置可提高纖維的纏結(jié)效果。該裝置(圖2)主要由進(jìn)氣管1和噴氣板組成。噴氣板主要由通氣腔2和噴氣孔3構(gòu)成。通氣腔2沿非織造布幅寬方向分布，每個通氣腔對應(yīng)設(shè)置一個噴氣孔3。噴氣孔3和通氣腔2均為上寬下窄式結(jié)構(gòu)，通氣腔整體略寬于噴氣孔，噴氣孔的出氣口突出于噴氣腔。氣流由進(jìn)氣管1進(jìn)入氣流噴射裝置后通過噴氣孔3產(chǎn)生噴射氣流5。每個噴氣孔噴出的氣流在進(jìn)入通氣腔2與噴氣孔3后，在噴氣孔的側(cè)圍會形成協(xié)助氣流4。氣流進(jìn)入噴氣孔后，其他方向的氣流受該裝置中噴氣孔和通氣腔形狀的導(dǎo)向作用趨于穩(wěn)定流動。通氣腔和噴氣孔側(cè)圍產(chǎn)生的氣流可弱化噴氣孔處氣流的射流擴(kuò)散效應(yīng)，進(jìn)一步提高噴射氣流的射流作用。最終，由噴射氣流5和協(xié)助氣流4構(gòu)成的雙重氣流穿透纖維網(wǎng)，使纖維發(fā)生纏結(jié)，完成纖維網(wǎng)的固結(jié)。

圖2 氣流噴射裝置結(jié)構(gòu)示意

2.2 噴氣固結(jié)工藝

采用氣流噴射裝置固結(jié)纖網(wǎng)的工藝流程包括：成網(wǎng)前準(zhǔn)備→纖網(wǎng)制備→氣流噴射固結(jié)→后續(xù)加工。具體為：

(1) 成網(wǎng)前準(zhǔn)備?？捎糜趪姎夤探Y(jié)工藝的纖維原材料來源廣泛，且對纖維的長度沒有要求。

(2) 纖網(wǎng)制備。纖維經(jīng)開松、混合、梳理、鋪網(wǎng)工序后制成纖網(wǎng)。

(3) 氣流噴射固結(jié)。纖網(wǎng)在網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)托網(wǎng)簾托持下完成加固，托網(wǎng)簾下方設(shè)置有吸氣箱，穿透纖網(wǎng)的氣流進(jìn)入下方的吸氣箱中在托網(wǎng)簾處發(fā)生反射的氣流進(jìn)入纖維網(wǎng)4內(nèi)?？筛鶕?jù)所需非織造布的性能要求設(shè)置多個正反氣流噴射裝置，已加固的纖維網(wǎng)可通過托網(wǎng)簾輸入后續(xù)加工流程。

(4) 后續(xù)加工。使非織造布產(chǎn)品獲得優(yōu)良固結(jié)效果的后續(xù)整理和加工過程。

3 性能測試

以滌綸為原料，采用上述氣流噴射裝置和噴氣固結(jié)工藝制備噴氣固結(jié)非織造布樣品，并對該非織造布樣品的性能進(jìn)行測量和表征。

3.1 表觀形貌

由圖3 a)和b)可知，噴氣固結(jié)非織造布樣品表面平整光滑，厚度方向纏結(jié)均勻。只是樣品邊界切口處周圍有些許纖維被抽拔出，這是由于樣品較厚，裁剪時(shí)難以形成平整切口，屬于試驗(yàn)操作正?，F(xiàn)象。由圖3 d)和噴氣固結(jié)樣品橫、縱截面的SEM[圖3c)和d)]可知，樣品內(nèi)部的纖維表現(xiàn)出多種纖維纏結(jié)方式，包括纖維固有的抱合力纏結(jié)，抱合力纏結(jié)基礎(chǔ)上存在多點(diǎn)纏結(jié)，纖維間圈形纏結(jié)，圈形纏結(jié)基礎(chǔ)上存在多點(diǎn)纏結(jié)。通過圖3 e)發(fā)現(xiàn)，圈形纏結(jié)直徑為300～700μm。對比纖維固有的抱合力纏結(jié)方式，圈形纏結(jié)方式可與纖維有更多接觸點(diǎn)，纏結(jié)更加緊密。SEM還顯示樣品上存在較多孔隙，纖維孔隙直徑約為150～300 μm?？紫妒怯蓢姎夤探Y(jié)工藝產(chǎn)生的。當(dāng)氣流與托網(wǎng)簾接觸，一部分與簾面相接觸的氣流會被簾面反射至纖維網(wǎng)內(nèi)，而另一部分氣流會穿過托網(wǎng)簾網(wǎng)格孔射至吸氣箱內(nèi)。其中，噴射在簾面上的氣流會使位于正下方的纖維發(fā)生滑移，與周圍的纖維相互聚集并纏結(jié)得更加緊密，從而產(chǎn)生孔隙。因此，噴氣固結(jié)工藝能使纖維發(fā)生較多的圈形纏結(jié)，增加纖維間的接觸點(diǎn)，提高了纏結(jié)效果，從而使纖維間產(chǎn)生較大的空間，賦予纖維蓬松多孔的形態(tài)特點(diǎn)。

圖3 噴氣固結(jié)樣品實(shí)物圖及橫、縱截面SEM圖

3.2 壓縮彈性比

由于圈形纏結(jié)結(jié)構(gòu)賦予了纖維較大的空間體積，樣品表現(xiàn)出蓬松、有彈性的特點(diǎn)。為了驗(yàn)證噴氣固結(jié)樣品的彈性效果，通過微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng)中國有限公司)測試其加載-卸載曲線。壓縮過程中，速度設(shè)置為8mm/min，壓盤間距為17mm。滯后能由循環(huán)加載-卸載曲線的曲線積分面積獲得[7]?；貜椥詾榧虞d-卸載曲線下的面積在一個加載周期內(nèi)的比率。圖4測試結(jié)果表明：5次壓縮循環(huán)中，在80%應(yīng)變循環(huán)中最大應(yīng)力處于45.79～47.52kPa；樣品經(jīng)5次80%應(yīng)變循環(huán)后，仍可以恢復(fù)到原始形狀，而沒有極限應(yīng)力的明顯衰減，表明樣品具有優(yōu)異的形狀恢復(fù)性能；5次壓縮循環(huán)中可以觀察到滯后能為147.32～178.13 kJ/m3，樣品壓縮過程中耗散能隨著應(yīng)變的增加而增加，表明該樣品具備優(yōu)異的壓縮抗疲勞性能。值得注意的是，在逐步增加應(yīng)變和重復(fù)拉伸試驗(yàn)期間，樣品的回彈值始終保持在70%以上，說明該樣品有良好回彈性能。

本研究同時(shí)對樣品的厚度、面密度、透氣性、保暖性能等進(jìn)行測試。由表1可知，通過噴氣固結(jié)工藝制備的樣品具有較高的厚度和面密度，說明這一工藝可制備厚型非織造布。由于噴氣固結(jié)工藝能使纖維發(fā)生較多的圈形纏結(jié)，纖維較大的空間體積使得試樣有良好的透氣性能，即便樣品厚度較大也可以達(dá)到較高的透氣率。此外，由于噴氣固結(jié)工藝采用了機(jī)械固結(jié)的方式，沒有黏合劑的作用，加之纖維空間體積大，產(chǎn)品比較蓬松，因此該樣品強(qiáng)力不高，斷裂強(qiáng)力較差，但斷裂伸長率較高。較高的厚度和面密度賦予樣品較好的靜態(tài)空氣握持能力，樣品具有較好的保暖效果，保暖率為75.98%，克羅值為2.33 clo。

圖4 噴氣固結(jié)樣品壓縮彈性對比

表1 非織造布試樣的性能測試結(jié)果

4 結(jié)語

噴氣固結(jié)加工工藝是對現(xiàn)有加固工藝的新探索，其不僅克服了連桿傳動機(jī)制生產(chǎn)速度的限制，而且生產(chǎn)所需要的氣流壓力遠(yuǎn)低于水刺加固工藝所需的壓力，生產(chǎn)的非織造布處于完全干燥的狀態(tài)，突破了當(dāng)前水刺和針刺工藝的局限性，為非織造加固工藝提供一條新思路。噴氣固結(jié)工藝有其獨(dú)特的優(yōu)勢和良好的加固效果，氣流產(chǎn)生的圈形纏結(jié)方式賦予了材料優(yōu)異的形狀恢復(fù)性能，樣品具備蓬松、高彈的特性。