張 帆,張 東,郭翠彬,黃 偉,李 婷,程春祖,程 敏

(中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100025)

以再生纖維素纖維為原料制備的非織造材料相較于丙綸、滌綸等其他石油基纖維非織造材料,具有柔軟度高、吸濕透氣性好和可生物降解等優(yōu)點(diǎn),可用于面膜、擦拭紙巾、醫(yī)用衛(wèi)生等領(lǐng)域。目前再生纖維素非織造材料原料主要有棉、粘膠、銅氨纖維、Lyocell纖維等[1-2]。

Lyocell纖維除了具有天然纖維本身的特性,如吸濕性、透氣性、舒適性、光澤性、可染色性和可生物降解性外,還具有合成纖維強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。另外,制備Lyocell纖維使用的溶劑N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)可高效回收利用,生產(chǎn)過(guò)程無(wú)廢氣排放、無(wú)明顯噪聲,且廢水排放量非常少,生產(chǎn)過(guò)程較為環(huán)保。但目前以Lyocel短纖為原料的Lyocell非織造材料生產(chǎn)成本相對(duì)較高[3-5]。

本文使用的Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料,采用干噴濕法液流牽伸直接成網(wǎng)工藝制成,其具體流程為:紡絲液從噴絲板擠出后,經(jīng)過(guò)一段氣隙進(jìn)入到凝固浴裝置中,凝固浴裝置為采用了特殊結(jié)構(gòu)的矩形漏斗,紡絲液在凝固浴裝置中完成凝固和牽伸。成形長(zhǎng)纖維從凝固浴裝置出來(lái)后直接落在鋪網(wǎng)裝置上,鋪網(wǎng)裝置在向前傳動(dòng)的同時(shí)做左右往復(fù)擺動(dòng),纖維最終在鋪網(wǎng)裝置上形成相互交錯(cuò)的纖網(wǎng),再經(jīng)過(guò)水刺、水洗、烘干、卷繞等后處理,制備出Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料樣品。相較于短纖非織造材料,直接成網(wǎng)工藝省去了切斷、烘干、開(kāi)松、梳理等工序,流程短,設(shè)備投資少。

本文將Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料與Lyocell短纖、粘膠短纖、銅氨長(zhǎng)絲3種非織造材料進(jìn)行對(duì)比分析,測(cè)試4種非織造材料的微觀形貌、結(jié)晶度、吸水性、透氣性、柔軟度、強(qiáng)度等性能,探究Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料的性能優(yōu)勢(shì)及其可應(yīng)用的領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料(面密度38 g/m2,自制);Lyocell短纖非織造材料(面密度38 g/m2,東綸科技實(shí)業(yè)有限公司);銅氨長(zhǎng)絲非織造材料(面密度38 g/m2,日本旭化成公司);粘膠短纖非織造材料(面密度為38 g/m2,東綸科技實(shí)業(yè)有限公司)。

1.2 測(cè)試與表征

1.2.1 微觀形貌結(jié)構(gòu)觀察

采用S4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對(duì)4種非織造材料樣品的微觀形貌進(jìn)行觀察。使用Image Pro Plu6.0軟件(美國(guó)Media Cybernetics公司)觀察樣品的電子顯微鏡照片,取50根測(cè)量單根纖維直徑,取平均值。

1.2.2 單根纖維性能測(cè)試

采用D8ADVANCE型X射線(xiàn)衍射儀(XRD)(德國(guó)布魯克公司)對(duì)4種非織造材料樣品的結(jié)晶性能進(jìn)行分析測(cè)試,掃描的范圍為10°～60°,掃描速度為0.02 (°)/s。采用Peakfit軟件(AISN公司)進(jìn)行分峰處理,計(jì)算纖維的結(jié)晶度。

分別從4種非織造材料中抽取單根纖維,采用XQ-1C型纖維強(qiáng)伸度儀和XD-1纖維細(xì)度儀(上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所),分別測(cè)試4種纖維在干濕態(tài)下的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和纖維細(xì)度。

1.2.3 掉屑性能測(cè)試

將透明膠帶分別與4種非織造材料黏合,然后剝離,過(guò)程重復(fù)5次,用黏下來(lái)的纖維質(zhì)量和樣品初始質(zhì)量的比值來(lái)表示掉屑率,并使用顯微鏡(日本OLYMPUS株式會(huì)社)觀察膠帶上脫落的纖維。

1.2.4 吸濕性能測(cè)試

參照GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分:厚度的測(cè)定》,使用YG141型數(shù)字式織物厚度儀(常州雙固頓達(dá)機(jī)電科技有限公司)測(cè)試樣品的厚度,預(yù)加壓力為100 cN,壓腳面積為2 000 μm2,加壓10 s。

非織造材料孔隙率計(jì)算公式[6-8]為:

(1)

(2)

式中:n為孔隙率,%;ρ為纖維密度,g/m3;σ為材料厚度,mm;m為材料面密度,g/m2;T為纖維線(xiàn)密度,dtex;d為纖維直徑,μm。

參照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分:吸濕法》,使用DH-450型透濕試驗(yàn)裝置(日本大榮公司),在溫度(38±2)℃、相對(duì)濕度(90±2)%的條件下對(duì)4種非織造材料樣品的透濕率進(jìn)行測(cè)試。

參照GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第15部分:透氣性的測(cè)定》,使用FX3300型透氣性分析儀(瑞士TEXTEST公司)對(duì)4種樣品的透氣性進(jìn)行測(cè)試。

參照GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第6部分:吸收性的測(cè)定》中液體吸收量的測(cè)定方法,在每個(gè)樣品上剪取10塊尺寸為10 cm×10 cm的試樣,測(cè)量試樣的吸液率,計(jì)算公式如下:

(3)

式中:LAC為吸液率,%;m0和m1分別為吸液前后試樣的質(zhì)量,g。

1.2.5 拉伸性能測(cè)試

參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》,在每個(gè)樣品的縱橫方向上分別裁取20塊20 cm×5 cm的長(zhǎng)方形試樣,使用Instron 1122-5500 型強(qiáng)伸儀(英國(guó)Instron公司)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

1.2.6 服貼性分析

參照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測(cè)試 斜面法》,使用YG207型織物硬挺度儀(南通三思機(jī)電科技有限公司)測(cè)試4種樣品縱橫方向上的彎曲長(zhǎng)度。通過(guò)彎曲長(zhǎng)度計(jì)算樣品的抗彎剛度,抗彎剛度的計(jì)算公式為:

G=m×C3×10-3

(4)

式中:G為抗彎剛度,mN·cm,G越小,表明試樣越柔軟[11];m為面密度,g/m2;C為試樣的平均彎曲長(zhǎng)度,cm。

柔軟度測(cè)試是指在規(guī)定條件下,用板狀測(cè)頭將試樣壓入狹縫一定深度(約8 mm)時(shí),儀器記錄試樣本身的抗彎曲力和樣品與縫隙處摩擦力的最大矢量之和,儀器顯示值越小,說(shuō)明試樣越柔軟。參照GB/T 8942—2016《紙 柔軟度的測(cè)定》,每個(gè)樣品的縱橫方向上分別裁取10塊尺寸為10 cm×10 cm的試樣,使用ZRD-T1柔軟度測(cè)試儀(北京新月中科科技有限公司)對(duì)4種非織造材料樣品柔軟度進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌結(jié)構(gòu)分析

圖1為L(zhǎng)yocell長(zhǎng)絲、銅氨長(zhǎng)絲、Lyocell短纖、粘膠短纖4種非織造材料樣品放大30倍的掃描電鏡照片,圖2為放大800倍的掃描電鏡照片。

圖1 4種非織造材料的掃描電鏡照片(×30)Fig.1 SEM images of four non woven materials (×30).(a)Lyocell filament ;(b)Lyocell staple fibre;(c)Viscose staple fibre;(d)Cupro-ammonia filament

從圖1可以看出,Lyocell長(zhǎng)絲和銅氨長(zhǎng)絲非織造材料的纖維排布方式與Lyocell短纖和粘膠短纖非織造材料有較為明顯的差別,2種長(zhǎng)絲非織造材料的絲束呈“S”形交錯(cuò)排列,而2種短纖非織造材料的絲束呈無(wú)規(guī)則的排布。這是鋪網(wǎng)工藝的不同造成的,Lyocell長(zhǎng)絲和銅氨長(zhǎng)絲非織造材料采用的是機(jī)械擺絲成網(wǎng),絲束成形后直接落在鋪網(wǎng)機(jī)上,并隨著鋪網(wǎng)機(jī)向前傳動(dòng)的同時(shí)做左右往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此呈現(xiàn)出有規(guī)律的“S”形排列;而短纖非織造材料采用的是氣流梳理成網(wǎng),被切斷的短纖維在鋪網(wǎng)過(guò)程受氣流作用,纖維呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的排列。

從圖2可以看出,Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料和Lyocell短纖非織造材料的纖維表面平滑,結(jié)構(gòu)平直;銅氨長(zhǎng)絲非織造材料纖維表面有數(shù)條輕微溝槽,粘膠短纖非織造材料纖維表面有多條清晰的溝槽。

纖維的形貌差異與纖維的成形工藝有關(guān),Lyocell長(zhǎng)絲和Lyocell短纖非織造材料纖維采用干噴濕法纖維制備工藝,整個(gè)工藝流程簡(jiǎn)單,紡絲液從噴絲板擠出后經(jīng)過(guò)一段氣隙,噴絲頭拉伸倍率較高,可有效改善絲束出口膨脹現(xiàn)象,初生纖維結(jié)構(gòu)致密,纖維光滑平直;銅氨長(zhǎng)絲和粘膠短纖非織造材料纖維采用濕法纖維制備工藝,工藝流程較為復(fù)雜,成形過(guò)程中影響纖維形貌的因素較多,復(fù)雜成形過(guò)程中的不均勻性會(huì)對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)造成影響,使得纖維表面呈現(xiàn)出不同程度的褶皺和溝槽。

2.2 單根纖維性能分析

對(duì)4種非織造材料單根纖維的強(qiáng)度和模量、結(jié)晶度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表1。

從表1可以看出,4種非織造材料結(jié)晶度和單根纖維干態(tài)斷裂強(qiáng)度大小順序一致,即Lyocell短纖>Lyocell長(zhǎng)絲>粘膠短纖>銅氨長(zhǎng)絲,這主要是由纖維制備工藝不同造成的,Lyocell長(zhǎng)絲和短纖采用干噴濕法纖維制備工藝,紡絲成形階段纖維拉伸倍率比較高,纖維結(jié)構(gòu)致密,結(jié)晶度較高,而粘膠短纖和銅氨長(zhǎng)絲采用濕法紡絲,拉伸倍率低,纖維結(jié)構(gòu)松散,結(jié)晶度低。

從表1還可以看出,濕態(tài)下的4種非織造材料纖維的強(qiáng)度和模量均小于干態(tài);銅氨長(zhǎng)絲非織造材料濕態(tài)下纖維的模量下降得最多,下降了95%;其次為粘膠短纖非織造材料,下降了87.6%;Lyocell長(zhǎng)絲和Lyocell短纖下降較少,這是因?yàn)闈駪B(tài)下,水分子進(jìn)入纖維無(wú)定形區(qū),減弱了大分子間的結(jié)合力,分子鏈在外力作用下容易發(fā)生滑移,因此強(qiáng)力和模量下降明顯。粘膠和銅氨的結(jié)晶度低,水分子進(jìn)入后對(duì)大分子間作用力影響顯著[9]。

2.3 非織造材料掉屑性能分析

4種非織造材料掉屑率結(jié)果如圖3所示,顯微鏡觀察膠帶上脫落的纖維照片如圖4所示。

圖3 4種非織造材料的掉屑率Fig.3 Chipping rate of four nonwoven materials

圖4 4種非織造材料顯微鏡下掉屑性能Fig.4 Microscopic chip removal properties of four non woven materials.(a)Lyocell filament;(b)Lyocell staple fiber;(c)Viscose staple fiber;(d)Cupro-ammonia filament

從表3中可以看出,Lyocell長(zhǎng)絲、銅氨長(zhǎng)絲、Lyocell短纖、粘膠短纖非織造材料的掉屑率分別為0.21%、0.22%、1.14%和1.23%。Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料和銅氨長(zhǎng)絲非織造材料掉屑率明顯少于Lyocell短纖非織造材料和粘膠短纖非織造材料。從圖4也可以看出,相同面積內(nèi)Lyocell短纖和粘膠短纖非織造材料的纖維脫落量遠(yuǎn)大于Lyocell長(zhǎng)絲和銅氨長(zhǎng)絲非織造材料,這是因?yàn)殚L(zhǎng)絲非織造材料的連續(xù)長(zhǎng)纖維彼此交纏,纖維不容易脫落,而短纖非織造材料的短纖維間彼此纏結(jié)力較弱,纖維更易脫落。

2.4 非織造材料的吸濕性能分析

4種非織造材料的孔隙率結(jié)果圖表2所示,4種非織造材料的孔隙率大小為L(zhǎng)yocell長(zhǎng)絲>銅氨長(zhǎng)絲>粘膠短纖>Lyocell短纖。材料面密度一定的情況下,非織造材料的孔隙率與纖維直徑和非織造布厚度有關(guān),直徑越粗,厚度越大,材料孔隙率越大。

表2 4種非織造材料的孔隙率Tab.2 Porosity of four nonwoven materials

4種非織造材料樣品透濕率、透氣率和吸液率的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 4種非織造材料的吸濕透氣性Tab.3 Moisture absorption of four non woven materials

4種非織造材料樣品的透濕率、透氣率和吸液率的規(guī)律是一致的,即Lyocell長(zhǎng)絲>銅氨長(zhǎng)絲>粘膠短纖>Lyocell短纖。非織造材料吸濕透氣性規(guī)律與4種非織造材料孔隙率大小的規(guī)律一致。這是因?yàn)榭紫堵试酱?材料內(nèi)部空隙距離越寬,水分子和空氣更容易滲入,因此吸液率和透氣率較高。

2.5 非織造材料的拉伸性能分析

4種非織造材料干態(tài)下的縱橫向強(qiáng)度、不同鋪網(wǎng)機(jī)擺動(dòng)頻率下Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料的縱橫向強(qiáng)度和4種非織造材料干濕態(tài)下的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 4種非織造材料的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of four nonwoven materials.(a) Longitudinal and transverse strength of different nonwoven materials in dry state;(b) Longitudinal and transverse strength of Lyocell filaments at different oscillation frequencies of the net-laying machine;(c) Longitudinal strength of different nonwoven materials in wet and dry state

從圖5(a)可以看出,Lyocell長(zhǎng)絲、銅氨長(zhǎng)絲、Lyocell短纖、粘膠短纖非織造材料的縱向強(qiáng)度分別為48.76、32.58、44.26和42.58 N。Lyocell長(zhǎng)絲、銅氨長(zhǎng)絲、Lyocell短纖、粘膠短纖非織造材料的橫向強(qiáng)度分別為23.39、18.42、41.94和44.28 N。銅氨長(zhǎng)絲和Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料干態(tài)下的縱橫向強(qiáng)度差別較大,縱向強(qiáng)度明顯高于橫向,而Lyocell短纖和粘膠短纖非織造材料的縱橫向強(qiáng)度基本一致。這是因?yàn)殂~氨長(zhǎng)絲和Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料的鋪網(wǎng)方式是機(jī)械擺絲成網(wǎng),絲束隨著鋪網(wǎng)機(jī)左右往復(fù)運(yùn)動(dòng),絲束排列呈“S”形,縱橫方向上的強(qiáng)度受鋪網(wǎng)機(jī)的擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)幅度影響,而Lyocell短纖和粘膠短纖非織造材料纖維排列是無(wú)規(guī)律的,各個(gè)方向強(qiáng)度較為均勻。

從圖5(a)還可以看出,非織造材料干態(tài)下縱向強(qiáng)度大小為L(zhǎng)yocell長(zhǎng)絲>粘膠短纖>Lyocell短纖>銅氨長(zhǎng)絲,這與4種樣品的單根纖維的干態(tài)斷裂強(qiáng)度不一致,這是因?yàn)榉强椩觳牧蠌?qiáng)度一方面受單根纖維的強(qiáng)度影響,一方面受纖維間纏結(jié)程度的影響。對(duì)于本文4種非織造材料樣品來(lái)說(shuō),纖維間纏結(jié)程度對(duì)于非織造材料強(qiáng)度的影響大于單根纖維強(qiáng)度。

從圖5(b)可以看出,隨著鋪網(wǎng)裝置擺動(dòng)頻率的增加,Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料樣品縱向強(qiáng)度減小,橫向強(qiáng)度增加,擺動(dòng)頻率達(dá)到120次/min時(shí),縱橫向強(qiáng)度逐漸趨于一致。

從圖5(c)可以看出,Lyocell長(zhǎng)絲、銅氨長(zhǎng)絲、Lyocell短纖、粘膠短纖非織造材料的濕態(tài)縱向強(qiáng)度分別為49.69、17.32、45.73和20.04 N。銅氨長(zhǎng)絲非織造材料和粘膠短纖非織造材料的濕強(qiáng)遠(yuǎn)低于干強(qiáng),而Lyocell長(zhǎng)絲和Lyocell短纖非織造材料的濕強(qiáng)略高于干強(qiáng)。這是因?yàn)長(zhǎng)yocell纖維的結(jié)晶度高,水分子對(duì)于單根纖維的強(qiáng)度減弱的不明顯,水分子進(jìn)入纖維間解除了部分纖維間的纏結(jié),使纖維受力更加均勻,樣品強(qiáng)度整體增加[10]。

2.6 非織造材料的服貼性分析

柔軟度和抗彎剛度可以表征樣品的服貼性,4種非織造材料的測(cè)試結(jié)果如表4所示。干態(tài)抗彎剛度和柔軟度的規(guī)律一致,即銅氨長(zhǎng)絲>Lyocell短纖>Lyocell長(zhǎng)絲>粘膠短纖,即干態(tài)銅氨長(zhǎng)絲非織造材料的柔軟度最差,干態(tài)粘膠短纖非織造材料的柔軟度最好。濕態(tài)柔軟度排序?yàn)長(zhǎng)yocell短纖>Lyocell長(zhǎng)絲>粘膠短纖>銅氨長(zhǎng)絲,即濕態(tài)Lyocell短纖非織造材料的柔軟度最差,濕態(tài)銅氨長(zhǎng)絲非織造材料的柔軟度最好。

表4 4種非織造材料的抗彎剛度和柔軟度Fig. 4 Tensile properties of four nonwoven materials

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比分析Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料(自制)、Lyocell短纖非織造材料、粘膠短纖非織造材料、銅氨長(zhǎng)絲非織造材料的微觀形貌、結(jié)晶度、強(qiáng)度、掉屑率、吸濕透氣性等性能,得出以下結(jié)論:

①Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料采用干噴濕法直接紡絲成網(wǎng)工藝,材料的結(jié)晶度高,纖維斷頭少,纖維間纏結(jié)緊密。材料掉屑率為0.21%,干態(tài)縱向斷裂強(qiáng)力為48.8 N/(5 cm),濕態(tài)縱向斷裂強(qiáng)力為49.5 N/(5 cm),透氣率為5 090 mm/s,透濕率為572 g/(m2·h),吸液率為1 374%,這幾種性能均優(yōu)于其他3種非織造材料。

②Lyocell長(zhǎng)絲非織造材料采用的為N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)體系纖維素溶液直接紡絲成網(wǎng)工藝,流程短,制備過(guò)程綠色環(huán)保。產(chǎn)品性能優(yōu)良,具有掉屑率少、干濕態(tài)強(qiáng)度高、透氣透濕率高、吸液能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>