廢革膠原纖維水刺非織造材料熱黏合工藝初探

趙國艷 殷保璞 (東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

廢革膠原纖維的主要成分是膠原蛋白，膠原蛋白具有良好的生物相容性、低抗原性、生物降解性及良好的成纖、成膜特性。膠原蛋白結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)的多樣性與復(fù)雜性決定了其在許多領(lǐng)域的重要地位及良好的應(yīng)用前景［1］。近年來，將膠原與其他材料復(fù)合應(yīng)用于皮革、造紙、材料、紡織等方面的研究也越來越多［2］。楊肇劍等［3］通過對(duì)從制革行業(yè)的邊角廢料進(jìn)行物理疏解得到的膠原蛋白纖維各項(xiàng)性能的研究，探討了采用水刺纏結(jié)的方法對(duì)廢革膠原纖維進(jìn)行加工的可行性。沈戈等［4］的研究發(fā)現(xiàn)廢革膠原纖維對(duì)重金屬有很好的吸附性能，作為過濾材料能夠去除廢水中的Cu2+等重金屬離子。但研究也表明，膠原纖維水刺非織造材料存在強(qiáng)力不足的缺點(diǎn)，制約了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

本研究將廢革膠原纖維與熱熔纖維按一定比例混合，經(jīng)過氣流成網(wǎng)、水刺纏結(jié)工藝制得非織造材料，再通過熱黏合工藝對(duì)材料作進(jìn)一步加固，試圖在熱和壓力的作用下，使纖維間產(chǎn)生更多的黏結(jié)，以達(dá)到增加材料強(qiáng)力的目的。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

廢革膠原纖維:直接通過物理疏解的方法從皮革制品邊角料中制取，纖維的長度、線密度和強(qiáng)力的離散性都比較大。

熱熔纖維4080:雙組分皮芯結(jié)構(gòu)纖維，圓形截面，皮層是熔點(diǎn)約為77℃的低結(jié)晶度聚酯(PET)，芯層是熔點(diǎn)約為256℃的普通PET。

在本試驗(yàn)中，廢革膠原纖維和熱熔纖維4080的質(zhì)量比為70∶30。兩種纖維的性能參數(shù)見表1。

表1 廢革膠原纖維與熱熔纖維4080的性能參數(shù)

1.2 樣品制備

1.2.1 氣流成網(wǎng)

采用Rando-Web Process氣流成網(wǎng)機(jī)成網(wǎng)，纖網(wǎng)面密度為300 g/m2，出網(wǎng)速度63 m/min，進(jìn)網(wǎng)速度131 m/min。

1.2.2 水刺加固

采用Fleissner Maschinenfabric D-63328 Egelabash水刺試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行水刺加固。該設(shè)備屬于試驗(yàn)用的小型平網(wǎng)式水刺機(jī)，其射流纏結(jié)成型系統(tǒng)只有兩個(gè)水刺頭，第一個(gè)為預(yù)濕水刺頭，第二個(gè)為主水刺頭。所用噴水板的孔密度為16個(gè)/cm，孔徑為0.1 mm。本試驗(yàn)采用四道水刺，其水刺壓強(qiáng)依次為6.5、8.0、10.0 和12.0 MPa，輸網(wǎng)簾速度為 2 m/min。

1.2.3 熱黏合工藝

采用XLB-400 X400 X2型平板硫化機(jī)進(jìn)行熱黏合。分別改變熱軋溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)，進(jìn)行熱黏合工藝對(duì)產(chǎn)品性能影響的試驗(yàn)。具體參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 熱黏合工藝試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置

1.3 產(chǎn)品性能測(cè)試

分別參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.1—2009和GB/T 24218.2—2009測(cè)定試樣的面密度和厚度;使用HD026N織物強(qiáng)力儀，參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 24218.3—2010測(cè)定試樣的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力，參照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 60006—1991測(cè)定試樣的撕裂強(qiáng)力;使用YG461E數(shù)字式透氣量儀參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997測(cè)定試樣的透氣性能。

為了避免材料不同厚度和面密度等指標(biāo)對(duì)最終強(qiáng)力造成的影響，采用單位斷裂強(qiáng)度的概念來替換斷裂強(qiáng)力，以評(píng)定材料的實(shí)際拉伸性能。單位斷裂強(qiáng)度按下式計(jì)算:

式中:R——單位斷裂強(qiáng)度(cN/tex);

P——斷裂強(qiáng)力(cN);

b——樣品寬度(mm);

m——樣品面密度(g/m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱軋溫度

2.1.1 對(duì)產(chǎn)品拉伸性能的影響

從圖1可以看出，隨著熱軋溫度的升高，產(chǎn)品的縱橫向單位斷裂強(qiáng)度基本呈先增后減的趨勢(shì)。未經(jīng)熱黏合的單一水刺試樣的縱向和橫向單位斷裂強(qiáng)度分別為1.916和1.788 cN/tex。經(jīng)不同溫度熱黏合的試樣其縱向和橫向平均單位斷裂強(qiáng)度分別為1.996和1.881 cN/tex，平均增幅分別為4.18%和 5.20%。

隨著溫度的升高，膠原纖維和熱熔纖維4080表層結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生一定的變化，該變化使得纖維間產(chǎn)生黏結(jié)，在一定范圍內(nèi)溫度越高，變化程度越大，纖維間形成的黏結(jié)點(diǎn)也越多，對(duì)材料的斷裂強(qiáng)力產(chǎn)生積極的影響，使得產(chǎn)品的強(qiáng)力增大。

從圖2可以清晰地看到，除了熱熔纖維4080皮層結(jié)構(gòu)的熔融黏合外，膠原纖維本身也有大量的黏結(jié)，說明在一定的溫度條件下，膠原纖維中的某些結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)化成黏性物質(zhì)而相互黏結(jié)。通過圖3膠原纖維的DSC曲線可以發(fā)現(xiàn)，該纖維在103℃附近出現(xiàn)一個(gè)吸收峰，說明膠原纖維在接近該溫度時(shí)部分結(jié)構(gòu)開始產(chǎn)生變化，逐漸轉(zhuǎn)變成黏性物質(zhì)。

從外觀也可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱軋溫度提高，所制產(chǎn)品的表面由粗糙變?yōu)楣饣?，厚度明顯減小，手感由柔和變?yōu)橛餐Α?/p>

圖2 不同熱軋溫度樣品的表面形態(tài)

圖3 膠原纖維的DSC曲線

2.1.2 對(duì)產(chǎn)品撕裂強(qiáng)力的影響

由圖4可以看出，隨著熱軋溫度的升高，產(chǎn)品的縱橫向撕裂強(qiáng)力均呈遞減的趨勢(shì)?？椢锼毫褟?qiáng)力的大小與構(gòu)成織物紗線強(qiáng)力或纖維成近似正比關(guān)系。紗線或纖維的斷裂伸長率越大、摩擦因數(shù)越小，受力三角區(qū)越大，撕裂強(qiáng)力也越大［5］。

膠原纖維與熱熔纖維4080在熱的作用下會(huì)發(fā)生變形，在保持熱軋壓強(qiáng)不變的條件下，溫度越高，纖維的變形越大。在變形過程中纖維間的相互滑動(dòng)阻力增大，撕裂三角形區(qū)域減小，同時(shí)纖維的斷裂伸長率因熱的作用而下降，故產(chǎn)品的撕裂強(qiáng)力下降。

圖4 熱軋溫度對(duì)產(chǎn)品撕裂強(qiáng)力的影響

由圖4還可以看出，產(chǎn)品的縱橫向撕裂強(qiáng)力較為接近，這是由于本試驗(yàn)采用氣流成網(wǎng)，使得材料呈現(xiàn)各向同性的特征。

2.1.3 對(duì)產(chǎn)品透氣性能的影響

由圖5可以看出，隨著溫度的升高，產(chǎn)品的透氣率不斷減小。在熱軋過程中纖維發(fā)生變形，纖維集合體受到壓縮，影響到纖維的狀態(tài)和排列，材料中的孔隙減少，導(dǎo)致材料透氣性降低。

圖5 熱軋溫度對(duì)產(chǎn)品透氣性能的影響

2.2 熱軋壓強(qiáng)

2.2.1 對(duì)產(chǎn)品拉伸性能的影響

由圖6可以看出，隨著熱軋壓強(qiáng)的增大，產(chǎn)品的縱橫向單位斷裂強(qiáng)度都呈先增大后減小的趨勢(shì)，兩者都存在臨界值點(diǎn)。未經(jīng)熱黏合的單一水刺試樣的縱向和橫向單位斷裂強(qiáng)度分別為1.916和1.788 cN/tex。經(jīng)不同壓強(qiáng)熱黏合試樣的縱向和橫向平均單位斷裂強(qiáng)度分別為2.065和1.895 cN/tex，平均增幅分別為7.78%和5.98%。產(chǎn)品縱向和橫向的單位斷裂強(qiáng)度分別在熱軋壓強(qiáng)為5和7 MPa時(shí)達(dá)到最大值。熱軋壓強(qiáng)的大小對(duì)膠原纖維和熱熔纖維4080的變形、流動(dòng)和擴(kuò)散產(chǎn)生影響。在一定范圍內(nèi)，隨著熱軋壓強(qiáng)的增大，兩種纖維的變形都將加劇，在壓力的作用下纖維組分的流動(dòng)使得材料產(chǎn)生較好的黏合效果;但當(dāng)熱軋壓強(qiáng)高于某一數(shù)值后，過高的壓強(qiáng)反而對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致纖維力學(xué)性能下降，整體表現(xiàn)為材料的強(qiáng)力下降。

圖6 熱軋壓強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品單位斷裂強(qiáng)度的影響

2.2.2 對(duì)產(chǎn)品撕裂性能的影響

由圖7可以看出，隨著熱軋壓強(qiáng)的增大，產(chǎn)品的縱向和橫向撕裂強(qiáng)力均先增大后減小。分別在不同的壓強(qiáng)值處取得極值。

圖7 熱軋壓強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品撕裂性能的影響

在一定范圍內(nèi)，壓強(qiáng)增大使纖維的變形加劇，纖維間開始產(chǎn)生一定程度的黏結(jié)，纖維間黏結(jié)作用的增強(qiáng)使纖維間的摩擦阻力增大，因而撕裂強(qiáng)力變大;但當(dāng)壓強(qiáng)高于某一個(gè)臨界值后，繼續(xù)增大壓強(qiáng)，纖維的結(jié)構(gòu)受到破壞，纖維的斷裂伸長率下降，材料的撕裂強(qiáng)力開始減小。

2.2.3 對(duì)產(chǎn)品透氣性能的影響

由圖8可以看出，隨著熱軋壓強(qiáng)的增大，材料的透氣性不斷下降。熱軋壓強(qiáng)增大使得材料中纖維產(chǎn)生不同程度的變形，孔隙變小，從而使產(chǎn)品的透氣性下降。

2.3 熱軋時(shí)間

2.3.1 對(duì)產(chǎn)品拉伸性能的影響

從圖9可以看出，隨著熱軋時(shí)間的延長，產(chǎn)品縱橫向單位斷裂強(qiáng)度均先增大后稍有減小。未經(jīng)熱黏合的單一水刺試樣的縱向和橫向單位斷裂強(qiáng)度分別為1.916和1.788 cN/tex。經(jīng)不同時(shí)間熱黏合試樣的縱向和橫向平均單位斷裂強(qiáng)度分別為2.043 和1.861 cN/tex ，平均增幅分別為6.63%和4.08%。熱軋時(shí)間對(duì)纖網(wǎng)變形的程度以及熱傳遞過程都有較大的影響。熱軋時(shí)間越長，纖網(wǎng)受熱作用的時(shí)間越長，纖網(wǎng)中纖維在溫度和壓力的作用下發(fā)生變形，同時(shí)伴隨著纖維組分的流動(dòng)與擴(kuò)散，纖維變形部分相互接觸并產(chǎn)生擴(kuò)散，擴(kuò)散作用有利于形成良好的黏合。相關(guān)研究表明，高聚物在黏合過程中的擴(kuò)散距離僅為1 nm左右，但對(duì)于纖網(wǎng)形成良好的黏合有重要的作用［6］。由此說明，一定范圍內(nèi)熱軋時(shí)間的延長，可以使纖維組分達(dá)到較好程度的擴(kuò)散，纖維間形成較好的黏合;但超過某一時(shí)間后，高聚物不再隨時(shí)間的延長而繼續(xù)流動(dòng)，對(duì)纖維間黏結(jié)點(diǎn)的形成不再起作用，而熱和壓力的持續(xù)作用會(huì)對(duì)纖維的力學(xué)性能造成更多消極影響，反而使材料的整體強(qiáng)力減小。

圖8 熱軋壓強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品透氣性能的影響

圖9 熱軋時(shí)間對(duì)產(chǎn)品單位斷裂強(qiáng)度的影響

2.3.2 對(duì)產(chǎn)品撕裂性能的影響

由圖10可以看出，隨著熱軋時(shí)間的延長，產(chǎn)品的縱橫向撕裂強(qiáng)力均呈先增后減的趨勢(shì)，產(chǎn)品的縱向和橫向撕裂強(qiáng)力分別在熱軋時(shí)間為5和3 s時(shí)

達(dá)到最大值。熱軋時(shí)間越長，纖網(wǎng)受熱作用的時(shí)間越長，纖網(wǎng)中的纖維在溫度和壓力的作用下發(fā)生變形。在臨界時(shí)間點(diǎn)之前纖維變形越大，組分的擴(kuò)散越好，纖維間的黏結(jié)作用也越好;當(dāng)超過臨界時(shí)間點(diǎn)后，時(shí)間的延長對(duì)纖維組分的擴(kuò)散不再起作用，纖維的黏結(jié)點(diǎn)不再增加，而溫度和壓強(qiáng)的作用會(huì)對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)造成破壞，使得纖維的力學(xué)性能下降，在宏觀上表現(xiàn)為材料的撕裂性能下降。

2.3.3 對(duì)產(chǎn)品透氣性能的影響

由圖11可以看出，隨著熱軋時(shí)間的延長，產(chǎn)品的透氣性能不斷下降。熱軋時(shí)間越長，纖維產(chǎn)生的變形越大，材料中的孔隙不斷減小，使得材料的透氣性能持續(xù)下降。

圖10 熱軋時(shí)間對(duì)產(chǎn)品撕裂性能的影響

圖11 熱軋時(shí)間對(duì)產(chǎn)品透氣性能的影響

3 結(jié)論

(1)在膠原纖維中混入一定比例的熱熔纖維，經(jīng)水刺纏結(jié)后再進(jìn)行熱黏合加固能有效提高材料的斷裂強(qiáng)力。

(2)熱黏合工藝參數(shù)的變化對(duì)產(chǎn)品的拉伸斷裂強(qiáng)力、撕裂強(qiáng)力和透氣性都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。產(chǎn)品的縱橫向單位斷裂強(qiáng)度隨著熱軋溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間的增加，基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);撕裂強(qiáng)力隨著熱軋溫度的升高而遞減，隨著熱軋壓強(qiáng)的增加和熱軋時(shí)間的延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);透氣率隨著熱軋溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間的增加而降低。

(3)在熱軋過程中，除了熱熔纖維4080表層熔融產(chǎn)生黏合外，膠原纖維中某些結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば晕镔|(zhì)也發(fā)生黏結(jié)，也能使材料拉伸斷裂強(qiáng)力提高。

［1］姚理榮，林紅，陳宇岳.膠原蛋白纖維的性能與應(yīng)用［J］.紡織學(xué)報(bào)，2006，27(9):105-107.

［2］李曉，馬興元.膠原纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.中國皮革，2010，39(7):33-37.

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［4］沈戈，何南霏，馮凱，等.廢革膠原纖維對(duì)重金屬(Cu2+)吸附性能的研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011，29(7):20-23.

［5］于偉東.紡織材料學(xué)［M］.北京:中國紡織出版社，2006:295-299.

［6］柯勤飛，靳向煜.非織造學(xué)［M］.上海:東華大學(xué)出版社，2004:144-145.