趙 博

(中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007)

水刺非織造布水力纏結(jié)加固技術(shù)是一種新型加固纖維網(wǎng)的方法，利用水刺噴嘴所產(chǎn)生極細(xì)的高速射流水針，對纖維網(wǎng)進(jìn)行連續(xù)高速噴射和沖擊，使纖維網(wǎng)中的纖維發(fā)生位移、穿插、交錯和相互纏結(jié)等，從而使松散的纖維網(wǎng)成為有一定力學(xué)性能的非織造材料[1-2]。影響水刺非織造布力學(xué)性能的因素有纖維的種類、規(guī)格、纖維纏結(jié)效果等，其中纖維纏結(jié)效果是主要的影響因素。當(dāng)高壓水流經(jīng)水刺頭垂直射向纖維網(wǎng)，纖維在水針的正面直接沖擊和從反面托網(wǎng)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(jié)，從而達(dá)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(jié)效果的影響，并對比了水刺非織造布纖維纏結(jié)效果3種評價方法的優(yōu)劣，以期為水刺非織造布的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

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(chǎn)；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(chǎn)；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(chǎn)。

1.2 主要儀器及設(shè)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(qiáng)力機(jī)：寧波大禾儀器有限公司制；Y500-2 型水刺機(jī)：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(jī)梳理成網(wǎng)，獲得面密度分別為52，98，90 g/m2的纖網(wǎng)，然后在不同的水刺作用距離、高壓水腔壓力、水針直徑下，經(jīng)由 Fleissner Aquajet Y500-2 型水刺機(jī)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(jié)構(gòu)：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(xì)度。

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

CJ=(MD+CD)/G

(1)

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

(2)

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 水刺非織造布水力沖擊過程的機(jī)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(wǎng)，使纖維網(wǎng)中的纖維相互纏結(jié)，形成具有一定機(jī)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(jī)理見圖1。

高壓水流經(jīng)水刺頭垂直射向纖維網(wǎng)，纖維在水力正面直接沖擊作用下從表面帶入網(wǎng)底，造成纖維之間的纏結(jié)，同時水針穿過纖維網(wǎng)射到托網(wǎng)簾后形成的反向作用力又會使纖維從網(wǎng)底反彈至表面，從而形成纖維不同方向的無規(guī)則的纏結(jié)，達(dá)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(guān)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(wǎng)之間h，即可以提高u。但是P過高，會導(dǎo)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(wǎng)強(qiáng)力下降，而P過低，則會導(dǎo)致纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)力降低，無法達(dá)到使用要求。

在水刺噴嘴噴射過程中，水箱的進(jìn)水量(Q1)等于水刺噴嘴的出水量(Q2)，所以由式(5)、式(6)可推導(dǎo)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(guān)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(wǎng)所受到的沖擊力，從而改善水刺非織造纖維網(wǎng)纏結(jié)效果。

2.2 水刺非織造布工藝參數(shù)對纖維纏結(jié)效果的影響

2.2.1 水針作用距離對纖維纏結(jié)效果的影響

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

圖2 不同水針作用距離下試樣的纖維纏結(jié)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(jié)效果的影響

從圖3可以看出，4#試樣中纖維纏結(jié)更加緊密，這說明適當(dāng)增大高壓水腔的壓力，纖維之間纏結(jié)的幾率更大，有利于進(jìn)行相互縱深穿插、滑移和纏繞，形成形態(tài)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(wǎng)的沖擊力，使纖維網(wǎng)中的纖維纏結(jié)加固緊密。XH和QLV越高，水刺非織造纖維網(wǎng)纏結(jié)效果越好。

表2 水針直徑對纖維纏結(jié)形態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)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(wǎng)中的纖維纏結(jié)點(diǎn)多，纖維相互運(yùn)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(wǎng)纏結(jié)的效果。

表3 水刺布花紋加工形式對纖維纏結(jié)形態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)程度的評價

根據(jù)水刺法非織造布纖維網(wǎng)中的纖維纏結(jié)加固的原理, 評價纖維之間相互纏結(jié)效果優(yōu)劣程度包括3種方法： 纏結(jié)系數(shù)法、細(xì)化纏結(jié)系數(shù)法和纖維強(qiáng)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(jié)程度進(jìn)行評價，其結(jié)果見表4。

表4 水刺非織造布纖維纏結(jié)程度不同評價指標(biāo)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(jié)系數(shù)法評價纖維纏結(jié)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(jié)系數(shù)法無法比較不同品種纖維纏結(jié)程度優(yōu)劣，否則會出現(xiàn)不正確的評價；細(xì)化纏結(jié)系數(shù)法能對不同原料加工的水刺非織造布的纖維纏結(jié)程度進(jìn)行評價，但纏結(jié)程度區(qū)分度不明顯；采用纖維強(qiáng)力利用系數(shù)法評價纖維纏結(jié)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(qiáng)力利用系數(shù)法可以比較不同品種和規(guī)格纖維纏結(jié)程度優(yōu)劣，且相比較其他兩種方法具有客觀科學(xué)、準(zhǔn)確和適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)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(wǎng)所受到的沖擊力，從而改善水刺非織造布纖維網(wǎng)纏結(jié)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(wǎng)纏結(jié)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(jié)效果優(yōu)劣程度進(jìn)行評價時，纖維強(qiáng)力利用系數(shù)法優(yōu)于纏結(jié)系數(shù)法和細(xì)化纏結(jié)系數(shù)法，該方法具有客觀科學(xué)、準(zhǔn)確、適用范圍廣的特點(diǎn)。