聚乳酸纖維熱軋非織造布熱軋溫度的優(yōu)化

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州市新型紡織材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州，213164)

熱軋非織造布是通過纖維的開松、混合、梳理，形成纖網(wǎng)，輸送給一對加熱的軋輥，纖網(wǎng)中的纖維受到軋輥的加熱和壓力作用，發(fā)生熔融黏結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)纖網(wǎng)固結(jié)而制得的［1］。熱軋法具有工藝流程短、生產(chǎn)速度高、能耗低、產(chǎn)品不帶有任何化學(xué)試劑和對人體無害的特點(diǎn)。熱軋非織造布主要用于加工醫(yī)療衛(wèi)生材料、手術(shù)衣帽、包裝材料、農(nóng)用材料和墊材等。

可用于生產(chǎn)熱軋非織造布的纖維品種較多，性能差異大，故需根據(jù)產(chǎn)品的用途，充分利用各種纖維的特點(diǎn)，適當(dāng)選配使用，以改善非織造布的質(zhì)量。

用于生產(chǎn)衛(wèi)生材料的非織造布常用的原料是ES復(fù)合纖維。ES纖維是用不同熔點(diǎn)的聚合物經(jīng)復(fù)合紡絲制成的。如由聚乙烯(PE)與聚丙烯(PP)復(fù)合的皮芯型纖維，其外層組分PE的熔點(diǎn)較低，在外力和熱的作用下，與主體纖維相互黏結(jié)，而構(gòu)成非織造布。該非織造布產(chǎn)品手感柔軟，強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性好，能滿足衛(wèi)生巾、尿片等使用的包覆材料的要求，但是難以降解，存在使用廢棄后造成大量白色污染的問題。

聚乳酸(PLA)纖維也稱為玉米纖維，是采用可再生的玉米、小麥等淀粉原料經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乳酸，然后經(jīng)聚合、紡絲而成。PLA纖維是一種可完全生物降解的合成纖維［2］，其制品廢棄后在土壤或海水中經(jīng)微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時(shí)不會散發(fā)毒氣，不會造成污染，是一種可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)纖維。研究PLA纖維在熱軋非織造布中的應(yīng)用，對于該纖維的產(chǎn)業(yè)化推廣，促進(jìn)非織造布產(chǎn)品的發(fā)展具有重要意義。

1 PLA纖維的特點(diǎn)

本研究選用日本產(chǎn)PLA纖維，其與PP/PE復(fù)合短纖維物理性能的比較見表1。

表1 PLA纖維與PP/PE復(fù)合短纖維物理性能比較

由表1可知:PLA纖維的熔點(diǎn)與PP纖維接近，適宜采用熱軋工藝生產(chǎn)非織造布;PLA纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率比PP/PE復(fù)合短纖維小，而卷曲數(shù)比PP/PE復(fù)合短纖維略多。

2 PLA纖維熱軋非織造布的工藝技術(shù)路線

本試驗(yàn)在常州某公司進(jìn)行，該廠的生產(chǎn)設(shè)備為臺灣產(chǎn)熱軋機(jī)，其工藝流程配置如下:

兩臺開包機(jī)→一次開松→立箱(含回棉機(jī)構(gòu))→二次開松→風(fēng)壓式振動棉箱→梳理機(jī)→皮簾→熱軋機(jī)→卷取機(jī)→分切驗(yàn)布機(jī)。

2.1 梳理

梳理工序是熱軋非織造布生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，其主要任務(wù)是:進(jìn)一步開松纖維，將纖維梳理成單根纖維狀態(tài);進(jìn)一步使纖維混合均勻并梳理成網(wǎng);在錫林和道夫間插入高速旋轉(zhuǎn)的雜亂羅拉，使纖網(wǎng)的纖維雜亂排列，減小產(chǎn)品縱橫向強(qiáng)度差異。

2.2 熱軋

熱軋工藝的要素主要是熱軋溫度、軋輥壓力和熱軋線速度［3］。

有關(guān)研究表明［4］，熱軋溫度的選擇要根據(jù)原料的熔融點(diǎn)來確定。當(dāng)溫度偏低時(shí)，纖維間不能構(gòu)成一個(gè)相互熔融的網(wǎng)狀整體，使纖網(wǎng)黏合不足，達(dá)不到應(yīng)有的強(qiáng)度;當(dāng)溫度超過最大設(shè)定值時(shí)，纖維黏合點(diǎn)易發(fā)生斷裂，破壞纖維原纖化結(jié)構(gòu)，使非織造布強(qiáng)度下降。

本研究上軋輥采用花輥，下軋輥采用光輥。當(dāng)纖網(wǎng)通過熱軋輥時(shí)，花輥表面占一定比例的花紋凸點(diǎn)與纖網(wǎng)及光輥表面接觸，對纖網(wǎng)施熱和加壓，使纖網(wǎng)在接觸點(diǎn)形成黏結(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到固結(jié)纖網(wǎng)的目的。為了防止纖維黏結(jié)在花輥上，因而設(shè)定花輥的溫度比光輥的溫度低。

熱軋非織造布是靠纖維與纖維之間的熱黏合來固結(jié)的，需要軋輥有適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫?，壓力的大小直接影響產(chǎn)品的縱橫向強(qiáng)度及柔軟度。研究表明［5］:在其他條件一定時(shí)，軋輥有一個(gè)最佳線壓力;當(dāng)軋輥壓力小于最佳線壓力時(shí)，增加軋輥壓力，其產(chǎn)品的強(qiáng)度和柔軟度會隨之提高。在PLA纖維熱軋非織造布生產(chǎn)中，軋輥壓力一般控制在3.9～4.5 MPa范圍內(nèi)。

熱軋機(jī)的生產(chǎn)線速度直接影響纖網(wǎng)受壓受熱時(shí)間。當(dāng)熱軋線速度過慢時(shí)纖網(wǎng)會粘在軋輥上，當(dāng)熱軋線速度過快時(shí)部分纖維沒有黏結(jié)或黏結(jié)不牢，從而使產(chǎn)品的強(qiáng)度降低。本試驗(yàn)使用的設(shè)備，其生產(chǎn)線速度范圍為60～85 m/min。

3 試驗(yàn)部分

熱軋工藝直接影響熱軋非織造布的強(qiáng)度及柔軟度。本研究采用傳統(tǒng)的軋輥壓力和熱軋線速度，重點(diǎn)討論熱軋溫度對非織造布強(qiáng)度和柔軟度的影響。

3.1 性能測試

(1)拉伸性能:采用YG026M電子織物強(qiáng)力儀，夾持距離100 mm，拉伸速度100 mm/min，試樣寬度5 cm。

(2)硬挺度:采用LLY-01電子硬挺度儀，儀器的測量角度45°，試樣規(guī)格25 mm×250 mm，試樣壓板推速0.3～0.5 cm/s。取正反兩次的平均抗彎長度作為某方向的抗彎剛度。

上述試驗(yàn)試樣數(shù)量均為10塊，其中5塊試樣的長邊平行于非織造布的縱向，5塊試樣的長邊平行于非織造布的橫向。

3.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

在4.4 MPa的軋輥壓力和65 m/min的熱軋線速度條件下，改變熱軋溫度，生產(chǎn)20 g/m2的PLA熱軋非織造布，并對其縱橫向斷裂強(qiáng)度和硬挺度進(jìn)行測試分析，以期尋找最優(yōu)的熱軋溫度。

PLA纖維的熱熔溫度范圍在165～175℃之間，因而選擇上下軋輥表面溫度為155～165℃之間，以2℃為間隔在該溫度范圍內(nèi)改變上下軋輥的溫度。

軋輥表面溫度對熱軋非織造布縱橫向強(qiáng)度的影響見圖1。

軋輥表面溫度對熱軋非織造布柔軟度的影響見表2。非織造布的抗彎長度值大，說明其比較硬挺，柔軟度較差。

試樣總抗彎長度VH按下式計(jì)算:

式中:Cj——縱向平均抗彎長度;

Cw——橫向平均抗彎長度。

圖1 軋輥表面溫度與熱軋非織造布縱橫向強(qiáng)度的關(guān)系曲線

表2 不同軋輥溫度條件下非織造布抗彎長度測試結(jié)果

4 結(jié)果分析

圖1顯示，隨著軋輥溫度的升高，樣品的縱橫向斷裂強(qiáng)度增大，但是當(dāng)軋輥溫度達(dá)到161℃時(shí)再提高軋輥溫度，樣品的強(qiáng)度反而下降。主要原因是在一定的溫度范圍內(nèi)，軋輥溫度的提高使纖維表面熔融效果改善，增加了纖維間的黏結(jié)牢度;而當(dāng)軋輥溫度超過纖維的熔點(diǎn)后，纖維大分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成樣品強(qiáng)度下降。

表2顯示，熱軋非織造布的彎曲長度隨著軋輥溫度的上升而增加，說明其柔軟度隨著軋輥溫度增加而下降。這是因?yàn)檐堓仠囟仍礁撸琍LA纖維熔融越充分，從而使纖維之間的黏結(jié)狀況變好，硬挺度增加，柔軟度下降。

以最高強(qiáng)度80%的熱軋溫度區(qū)域?yàn)闊彳垳囟瑞ず洗翱冢?］，計(jì)算得出PLA纖維的熱軋溫度黏合窗口為157～164℃。生產(chǎn)中，可以根據(jù)用戶對產(chǎn)品強(qiáng)度和柔軟度的要求在此窗口中進(jìn)行熱軋溫度的選擇。

5 結(jié)論

(1)PLA纖維的熔點(diǎn)為165～170℃，與PP/PE復(fù)合短纖維中的芯層PP纖維接近，適宜采用熱軋工藝生產(chǎn)PLA纖維非織造布。

(2)隨著軋輥溫度的升高，PLA纖維熱軋非織造布的縱橫向斷裂強(qiáng)度增大，但是當(dāng)軋輥溫度達(dá)到161℃時(shí)，再增加軋輥溫度，其強(qiáng)度反而下降。

(3)隨著軋輥溫度的升高，PLA纖維熱軋非織造布的彎曲長度增加，說明其柔軟度隨著軋輥溫度增加而下降。

(4)PLA纖維的熱軋溫度黏合窗口為157～164℃。生產(chǎn)中，可以根據(jù)用戶對產(chǎn)品強(qiáng)度和柔軟度的要求在此窗口中進(jìn)行熱軋溫度的選擇。

［1］ 言宏元.非織造工藝學(xué)［M］.北京:中國紡織出版社，2010.

［2］ 陳寬義，沈季疆.玉米纖維水刺非織造布的研究開發(fā)［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2009，27(7):6-9.

［3］ 張玉慶，吳宏明，李忠明.熱軋非織造布熱軋黏合機(jī)理的初步探討［J］.合成技術(shù)及應(yīng)用，1994(3):20-23.

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