常敬穎，李素英，張　旭，姚子川

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019)

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可沖散非織造材料的制備及性能研究

常敬穎，李素英*，張旭，姚子川

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019)

以木漿纖維、粘膠纖維和聚乙烯/聚丙烯雙組分纖維(ES纖維)為原料，以木漿纖維/粘膠纖維質(zhì)量比、粘膠纖維長度、ES纖維長度為因素設(shè)計正交實驗方案，采用濕法成網(wǎng)非織造工藝，制備面密度為50～60g/m2的可沖散非織造材料，研究了各因素對非織造材料性能的影響。結(jié)果表明：粘膠纖維越短，非織造材料越容易分散；隨著木漿纖維比例的增大，非織造材料的柔軟度、吸水性、濕態(tài)斷裂強力都呈下降趨勢，手感變差，綜合性能降低；當(dāng)粘膠纖維長度為4mm、ES纖維長度為4mm時，非織造材料的均勻性好、可沖散性最好；當(dāng)木漿纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%，粘膠纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、長度為4mm，ES纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、長度為10mm時，非織造材料的斷裂強力最大、柔軟度最好。

非織造材料濕法成網(wǎng)可沖散性柔軟度吸水性

隨著全球性的綠色環(huán)保產(chǎn)品的推廣和發(fā)展，非織造衛(wèi)生材料也面臨著新一輪革新，可降解可沖散的非織造材料應(yīng)運而生?？茖W(xué)研究人員考察得出，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[1]。一次性衛(wèi)生用品雖然使用方便快捷，用于多種場合，如家庭、餐廳、外出旅行等[2]，但是這些用品在使用后的處理方式受到極大關(guān)注，一些常用的焚燒、填埋等方式會造成二次環(huán)境污染。

近幾年新開發(fā)的可沖散非織造材料可以廣泛應(yīng)用于濕巾、女性衛(wèi)生用品、抽水馬桶擦拭紙等[3]。可沖散材料在水流的剪切力作用下可以分離崩解成小片，并且在水流的作用下順利的通過馬桶、排水管道以及污水傳輸系統(tǒng)，使用后的產(chǎn)品便于處理，不需要丟棄填埋或焚燒，降低了用即棄產(chǎn)品對環(huán)境的污染。重視健康、產(chǎn)品創(chuàng)新以及環(huán)境保護是影響衛(wèi)生材料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素[4]，可降解可沖散的新型衛(wèi)生材料必將成為行業(yè)發(fā)展的一個新增長點。

作者采用木漿纖維、粘膠纖維和聚乙烯/聚丙烯雙組分纖維(ES纖維)為原料，以木漿/粘膠纖維配比、粘膠纖維長度、ES纖維長度為因素設(shè)計正交實驗方案，利用濕法成網(wǎng)非織造工藝制備可沖散非織造材料。一方面，可以嘗試將傳統(tǒng)的造紙技術(shù)融入到濕法成網(wǎng)非織造工藝中來；另一方面，通過實驗分析摸索出較佳的工藝參數(shù)，為可沖散濕巾的批量化生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)，為新一代綠色環(huán)保衛(wèi)生產(chǎn)品的研發(fā)開創(chuàng)新的路徑。

1　實驗

1.1原料

普通粘膠纖維：62mm×2.78dtex，常熟市紅星毛紡化工有限公司產(chǎn)；木漿短纖維：山東道欣新材料有限公司產(chǎn)；ES纖維：38mm×3.33dtex，熔點為130 ℃，海寧新能紡織有限公司產(chǎn)。

1.2設(shè)備與儀器

濕法成網(wǎng)設(shè)備：南通大學(xué)自制；810WBD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：海門市恒昌儀器廠制；TDY71- 45A型熱壓機：天津市天鍛液壓有限公司制；YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度儀：溫州大榮紡織儀器有限公司制；TT500型電子分析天平：賽多利思科學(xué)儀器有限公司制；MODELYG065型電子織物強力儀：萊州市電子儀器有限公司制；CSIRO-FAST型織物風(fēng)格儀：澳大利亞科學(xué)與工業(yè)研究機構(gòu)制；THZ-82型水浴恒溫振蕩器：金壇市榮華儀器制造有限公司制。

1.3可沖散非織造材料的制備

(1)正交實驗方案

采用粘膠纖維、木漿纖維以及ES纖維制備面密度為50～60g/m2，ES纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的可沖散非織造材料，設(shè)計3因素3水平的正交實驗方案，以木漿纖維/粘膠纖維質(zhì)量比(A)、粘膠纖維的長度(B)、ES纖維的長度(C)為因素，實驗設(shè)計方案見表1，表2。

表1　正交實驗因素水平表

表2　正交實驗L9(34)

(2)制備工藝與流程

可沖散濕法成網(wǎng)非織造材料的制備步驟為：原料準(zhǔn)備、打漿、稱重混合、攪拌、濕法成網(wǎng)、熱風(fēng)加固，得到可沖散非織造材料。

按照正交設(shè)計方案，將粘膠纖維和ES纖維剪成相應(yīng)規(guī)格，用電子天平稱取正交設(shè)計方案配比要求的纖維，并將稱量好的木漿纖維浸泡水中1h；然后將浸泡好的木漿纖維放入攪拌機，攪拌打漿2min，使木漿纖維均勻地分散在水中；將打完漿的木漿纖維和裁剪好的粘膠纖維及ES纖維均勻混合后注入盛有水的料桶中，并用玻璃棒按照“W”型進行攪拌，防止纖維沉淀；將均勻混合之后的漿料注入濕法成網(wǎng)裝備，使用擠壓板上下震蕩后，及時快速排除水分，在水壓的作用下纖維在成形網(wǎng)上成網(wǎng)，再將試樣擠壓去除部分水分后從設(shè)備成形網(wǎng)上取下靜置干燥；將靜置干燥后的試樣置于140 ℃的烘箱中，使ES纖維熔融，并進一步排除試樣中的水分；將試樣從烘箱中取出，使用熱壓機進行熱軋，使材料表面更為平整，其中溫度設(shè)定為40 ℃，壓力為8MPa，時間為2s。正交實驗序號1～9得到的非織造材料試樣相應(yīng)標(biāo)記為1#～9#試樣。

1.4分析與測試

面密度：按照GB/T24218.1—2009，裁取規(guī)定尺寸的試樣測定其質(zhì)量，折合成每平方米的質(zhì)量，即面密度。

厚度：是指在承受規(guī)定壓力下織物兩表面間的距離。按照GB/T24218.2—2009，將織物放置在水平基準(zhǔn)板上，另一平行于基準(zhǔn)板的壓腳以規(guī)定壓力施加在試樣上，兩塊板間的垂直距離即為織物的厚度。

均勻性：非織造材料的均勻性指產(chǎn)品各處的厚薄一致、面密度穩(wěn)定、透氣性基本一致。試樣的均勻性可用試樣的厚度、面密度的變異系數(shù)(CV)來表示，其中厚度的變異系數(shù)標(biāo)記為CV1，面密度的變異系數(shù)標(biāo)記為CV2。

CV=S/R

(1)

式中：R為厚度或面密度的數(shù)據(jù)平均值；S為厚度或面密度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

斷裂強力：干態(tài)下的斷裂強力測試按照GB/T24218.3—2010，將規(guī)定尺寸的試樣以恒定伸長速率拉伸至斷裂，記錄斷裂強力；濕態(tài)下斷裂強力測試按照GB/T465.2—1989，將試樣彎成環(huán)狀置入水中5min，取出后用木漿紙吸收試樣表面水滴。將試樣一端夾緊在上夾鉗中心位置，另一端放入下夾鉗中心位置，并在預(yù)加張力作用下伸直，再緊固下夾鉗，啟動直至試樣拉伸斷裂。

吸水性：吸水性是考核該類產(chǎn)品的一項重要指標(biāo)，可用吸水率(Q)來表征。按照GB/T1540—2002 ，稱取試樣質(zhì)量(M1)，用量杯盛滿1 000mL水，將試樣完全浸入液面以下，60s后取出，無張力垂直懸掛，滴水120s后稱重作為吸水后的質(zhì)量(M2)，按式(2)計算Q：

Q=[(M2-M1)/M1]×100%

(2)

柔軟度：非織造材料的彎曲剛?cè)嵝园箯潉偠?F)和柔軟度兩方面的內(nèi)容。抗彎剛度是指非織造材料抵抗彎曲變形的能力，而柔軟度則剛好相反，是指在外力作用下產(chǎn)生彎曲變形的能力。實驗采用斜面法測試柔軟度，即先測量出彎曲長度(L)，再通過公式計算F，并將F作為評價柔軟性的指標(biāo)。按照GB/T 18318—2001測試，將條狀試樣平放在測量平面上，然后緩慢向前推移，使試樣一端逐漸脫離平面支托呈懸臂狀，受試樣本身重力作用，當(dāng)試樣一端下彎到與41.5°斜面相接觸時，隔斷光路，此時試樣伸出支托面的長度為L，由此可計算出F，作為試樣柔軟度的指標(biāo)。

F=9.81×10-8WL3

(3)

式中：W為試樣單位面積質(zhì)量。

沖散性：以水流沖擊作用下產(chǎn)品在水中的分散情況來表征可沖散性能的好壞。將試樣放在含有300 mL蒸餾水的500 mL燒杯中，用保鮮膜封住杯口，并用橡皮筋固定住保鮮膜和燒杯，放在水浴恒溫振蕩器中，在溫度為35 ℃和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下，以500次/min的頻率振蕩3 min[5]，并在3 min后觀測試樣在水中的形態(tài)變化并拍照記錄。

2　結(jié)果與分析

2.1均勻性

由表3可以看出：4#試樣的面密度和厚度的CV值都很大，說明4#試樣的均勻性最差，這是因為4#試樣制備條件是木漿/粘膠質(zhì)量比為65/30、粘膠纖維長度為10 mm、ES纖維長度為7 mm，當(dāng)濕法成網(wǎng)的纖維長度比較長時，纖維之間容易纏結(jié)，造成厚薄不一的現(xiàn)象；反之，3#試樣的面密度和厚度的CV值都較小，說明3#試樣的均勻性最好，這是因為3#試樣制備條件是木漿/粘膠質(zhì)量比為75/20、粘膠纖維長度為4 mm、ES纖維長度為4 mm，此時木漿纖維含量相對最多，使成形的纖網(wǎng)較為均勻，并且3#試樣中纖維都比較短，纖維在成形的過程中不易相互粘結(jié)，故而該試樣的均勻性最好。

表3　試樣的均勻性

2.2斷裂強力

根據(jù)表4和表5，在對影響干態(tài)斷裂強力(干強)和濕態(tài)斷裂強力(濕強)的因素進行極差分析時，可知因素A即粘膠和木漿的質(zhì)量比對干強、濕強影響最大，其次是因素C即ES纖維的長度，最后是因素B即粘膠纖維的長度。由表4還可知，當(dāng)因素A取“2”水平，因素B取“3”水平，因素C取“3”水平，即可得干強最優(yōu)組合A2B3C3：木漿/粘膠質(zhì)量比為65/30，粘膠纖維長4 mm，ES纖維長4 mm。由表5還可知，當(dāng)因素A取“2”水平，因素B取“3”水平，因素C取“1”水平，即可得濕強最優(yōu)組合A2B3C1：木漿/粘膠質(zhì)量比為65/30，粘膠纖維長4 mm，ES纖維長10 mm。

表4　干態(tài)斷裂強力極差分析

表5　濕態(tài)斷裂強力極差分析

2.3吸水性

由表6可知，因素A即粘膠和木漿的質(zhì)量比對吸水性的影響最大，其次是因素B即粘膠纖維的長度，最后是因素C即ES纖維的的長度。所制備的試樣吸水率越大，濕巾產(chǎn)品的性能就越優(yōu)異，根據(jù)面巾的標(biāo)準(zhǔn)每1 g重的產(chǎn)品其吸水量應(yīng)當(dāng)大于5 g。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，所做的9塊試樣都滿足其要求。當(dāng)因素A取“3”水平，因素B取“3”水平，C因素取“3”水平，即可得到吸水性最優(yōu)組合A3B3C3：木漿/粘膠質(zhì)量比為55/40，粘膠纖維長4 mm，ES纖維長4 mm。

表6　吸水率極差分析

2.4柔軟性

由表7可知，因素A即粘膠和木漿的質(zhì)量比對彎曲剛度的影響最大，其次是因素C即ES纖維的長度，最后是因素B即粘膠纖維的長度。粘膠的含量越高，纖維的柔軟度就越好，所制備的試樣F越大，產(chǎn)品的柔軟性越差，產(chǎn)品的手感越差。因此，因素A取“3”水平，因素B取“3”水平，因素C取“1”水平，即可得柔軟度最優(yōu)組合A3B3C1：木漿/粘膠質(zhì)量比為55/40，粘膠纖維長4 mm，ES纖維長10 mm。

表7　F極差分析

2.5可沖散性能

將經(jīng)過恒溫振蕩器處理之后的9個試樣拍照，通過主觀分析觀察各個試樣的分散情況，3#，6#，7#試樣的分散性良好，1#，4#和9#試樣有一定的分散性，但伴有沉淀，2#，5#，8#試樣小塊狀物，分散性較差。性能良好的試樣記為數(shù)值3，分散性一般記為數(shù)值2，分散性較差記為數(shù)值1，由此來進行分散性的極差分析，見表8。

表8　分散性極差分析

由表8可知，因素B即粘膠纖維的長度對分散性的影響最大，其次是因素C即ES纖維的長度，但是因素A即木漿纖維與粘膠纖維的質(zhì)量比的極差為0，表示沒有影響，這可能與自行定量不夠準(zhǔn)確及主觀觀察有關(guān)，但也表明配比對試樣的影響較小。所制備的試樣分散性數(shù)值越大，其分散性能越好，即材料的沖散性能越好。因此，因素A可取任意水平，因素B取“3”水平，因素C取“3”水平，即可得到分散性最優(yōu)組合A1B3C3：粘膠纖維長4 mm，ES纖維長4 mm。

2.6可沖散非織造材料綜合性能分析

通過對可沖散非織造材料均勻性、斷裂強力、吸水性、柔軟性和可沖散性能分析，根據(jù)正交實驗結(jié)果，選擇A3B3C3即木漿/粘膠質(zhì)量比為55/40，粘膠纖維長4 mm，ES纖維長4 mm，得到的可沖散非織造材料的綜合性能最佳，其可沖散性如圖1所示，其厚度為0.38 mm，面密度56.13 g/m2，均勻性(CV值)0.08，干態(tài)斷裂強力7.5 N，濕態(tài)斷裂強力2.4 N，吸水率為953.63%(面巾標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)大于500%)，F(xiàn)為0.001 7 cN·cm。

圖1　可沖散非織造材料在水中的分散形態(tài)Fig.1　Dispersion morphology of flushable nonwoven fabric in water

由圖1可知，材料在恒溫振蕩器處理3 min后已經(jīng)基本分散，在實際使用過后扔到馬桶中并不會堵塞管道，所以基本符合可沖散定義。該材料的均勻性好、柔軟性好、吸水性能佳，強力相對較低但是已有小幅度提高。這些性能已經(jīng)基本達到可沖散材料的性能要求，所以該產(chǎn)品是一個合格的可沖散材料。

3　結(jié)論

a. 木漿/粘膠和/ES復(fù)合濕法非織造材料分散性的各影響因素中，粘膠纖維長度影響最大，且粘膠纖維越短，產(chǎn)品越容易分散。

b. 隨著木漿纖維的比例增大，濕法成網(wǎng)可沖散非織造材料的柔軟度下降、手感較差、濕強降低、吸水性能降低、綜合性能降低。

c. 當(dāng)濕法成網(wǎng)可沖散非織造材料中木漿纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%，粘膠纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、長度為4 mm，ES纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、長度為10 mm時，斷裂強力最大、柔軟度最好。

d. 當(dāng)濕法成網(wǎng)可沖散非織造材料中粘膠纖維長4 mm、ES纖維長4 mm時，均勻性良好、分散性最好。

[1]唐瑤.可沖散非織造材料的工藝及其分散機理的研究[D].上海:東華大學(xué)，2013.

Tang Yao. Study on the process and disintegration mechanism of flushable nonwovens[D]. Shanghai: Donghua University, 2013.

[2]杜培心. 國內(nèi)衛(wèi)生濕巾的生產(chǎn)和市場發(fā)展迅速[J]. 生活用紙,2002(11):11:15-16.

Du Peixin.Rapid development of hygiene wipes production and market in China[J].Tis Pap Dispos Prod,2002(11):15-16.

[3]Jones R B，Boylan J R，Hobar B R, 等．用即棄產(chǎn)品的可沖散性、可分散性和生物降解性的測定[J].生活用紙，2007(11)：41-44.

Jones R B，Boylan J R，Hobar B R, et al. Determination of flushability, dispersity, biodegradability of disposable products[J]. Tis Pap Dispos Prod, 2007(11)：41-44.

[4]張傳雄，趙靜，李桂梅,等．全球非織造衛(wèi)生用品市場和產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J]．紡織導(dǎo)報，201l(7)：89-91.

Zhang Chuanxiong, Zhao Jing, Li Guimei, et al. Industry development and market trends for global disposable hygiene and personal care industry[J].Chin Text Lead, 2011(7):89-91.

[5]Karadagli F,Mcavoy D C,Rittmann B E.Development of a mathematical model foe physical disintegration of flushable consumer products in wastewater systems[J].Water Environ Res, 2009,81(5):459-465.

Preparation and properties of flushable non-woven material

Chang Jingying, Li Suying, Zhang Xu, Yao Zichuan

(SchoolofTextiles,NantongUniversity,Nantong226019)

The orthogonal experiment was designed by using pulp fiber, viscose fiber and polyethylene/polypropylene/bicomponent (ES) fiber as raw material based on pulp/viscose ratio, viscose fiber length and ES fiber length factors. The flushable nonwoven material with the surface density of 50-60 g/m2was prepared by wet-laid process. The effects of the factors on the properties of nonwoven material were studied. The results showed that the shorter the viscose fiber was, the more easily the nonwoven material dispersed; the softness, water absorption and wet strength of the nonwoven material tended to decrease, the handle became worse and the comprehensive properties decreased as the proportion of pulp fiber was increased; the evenness of the nonwoven material was good and the flushability was maximized as the pulp fiber and ES fiber were both 4 mm in length; and the nonwoven material had the maximum breaking strength and the best softness as the pulp fiber accounted for 55%, the viscous fiber of 4 mm in length for 40% and ES fiber of 10 mm in length for 5%.

nonwoven material; wet-laid web; flushability; softness; water absorption

2015-11-25；修改稿收到日期：2016- 05-28。

常敬穎(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向為非織造材料的研究與開發(fā)。E-mail：609033925@qq.com。

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項目(BY2014081-01)。

TQ342+.85

A

1001- 0041(2016)04- 0014- 05

*通訊聯(lián)系人。E-mail：lisy@ntu.edu.cn。