原料長度及配比對可沖散性濕巾基材性能的影響

鐘 翠 吳海波 (東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

在衛(wèi)生產(chǎn)品中，濕巾的消費量年增長率高達兩位數(shù)，僅次于嬰兒紙尿褲［1］。濕巾的廣泛使用提高了人們的生活質(zhì)量，但也不可避免地帶來了環(huán)境問題，如用后的填埋和焚燒增加了粉塵的排放量和對環(huán)境的污染。因此，迫切需要開發(fā)出既具有一定的濕強度以滿足正常的擦拭要求，又具有水可分散性，使用后可直接丟棄到馬桶中而不會堵塞馬桶和污水處理系統(tǒng)的濕巾產(chǎn)品。市場上現(xiàn)有的幾款廁可沖濕巾雖然可以達到水可分散的目的，但普遍采用了降低強度或添加特種黏合劑(即暫時性濕強劑)的方法，對生產(chǎn)設(shè)備要求高，并會降低產(chǎn)品的使用性能，不利于產(chǎn)品推廣和消費者長期使用。本研究以黏膠纖維和木漿為原料，采用氣流成網(wǎng)和水刺工藝制備可沖散性濕巾基材?；脑谏a(chǎn)的過程中不添加任何黏合劑，通過纖維間的純物理纏結(jié)賦予其一定的濕強度，廢棄后在污水處理系統(tǒng)中可完全分散。

1 試驗部分

1.1 材料

(1)圓形截面黏膠纖維：規(guī)格1.6 dtex×38 mm，江蘇南京蘭精公司生產(chǎn)。

(2) 木漿：長度2.56～4.08 mm，寬度 40.9～54.9 mm，上海博燁紙業(yè)有限公司提供。

1.2 儀器及設(shè)備

Rando氣流成網(wǎng)機，YG-SD強力儀，F(xiàn)leissnerT6610水刺系統(tǒng)，F(xiàn)A2004電子天平，500 mL量筒，秒表等。

1.3 試驗方法

1.3.1 小樣制作工藝流程

本試驗樣品的制作工藝如下：

1.3.2 水刺材料性能測試

(1)濕強度測試：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12914—2008《紙和紙板抗張強度的測定》進行測試;

(2)吸水率：按照標(biāo)準(zhǔn)FZ/T64012.2—2001《水刺法非織造布第2部分：衛(wèi)生用卷材》中的有關(guān)規(guī)定進行測試;

(3)面密度：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T24218.1—2009《紡織品非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質(zhì)量的測定》進行測試;

(4)可沖散性：采用量筒旋轉(zhuǎn)法進行可沖散性實驗。具體方法如下：選擇500 mL的定制量筒(上端平齊，配備木塞)，將規(guī)格為100 mm×100 mm的試樣放入量筒中，并加入300 mL水，塞緊木塞;將量筒放置在可以旋轉(zhuǎn)的測試儀上，旋轉(zhuǎn)180°后停止，然后再將量筒轉(zhuǎn)回，此為一個循環(huán)，旋轉(zhuǎn)和靜止的時間均為1 s;經(jīng)過50次循環(huán)后停止實驗，判斷樣品的分散性。用目測法觀察非織造布的分散狀態(tài)，根據(jù)實驗終止后布面的完整情況分為0、1、2、3、4、5 級，共六個分散等級［2］。

0級：50個循環(huán)后未分散，布面完整;

1級：50個循環(huán)后開始分散，邊部出現(xiàn)裂縫或缺口;

2級：50個循環(huán)后小部分分散，布面出現(xiàn)少量孔洞;

3級：50個循環(huán)后部分分散，布面破碎成較大塊狀或纖維纏結(jié)成繩索狀;

4級：50個循環(huán)后大部分分散，布面破碎成無數(shù)小塊狀;

5級：50個循環(huán)后全部分散，樣品完全分散成單纖維狀。

(5)分散剩余率：可沖散性實驗結(jié)束后，將量筒中的液體倒在過濾篩網(wǎng)上，收集篩網(wǎng)上的殘留物，并進行烘干調(diào)濕。分散剩余率計算公式如下：

材料的分散性由分散剩余率和分散等級綜合判斷。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性能，以標(biāo)準(zhǔn)GB/T27728—2011《濕巾》作為參考，要求產(chǎn)品的含液率≥1.7倍，橫向濕抗張強度≥4 N/(50 mm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料長度的選擇

將長38 mm的黏膠纖維進行切斷處理，切斷后纖維的長度分別為8、11和15 mm。分別稱取各長度的黏膠纖維與木漿混合并進行氣流成網(wǎng)，其中黏膠纖維的質(zhì)量分數(shù)為60%，纖網(wǎng)面密度設(shè)計為60 g/m2。將纖網(wǎng)進行兩道水刺加固，制得所需的水刺材料。水刺材料的各項性能見表1。

在水刺加固過程中，纖網(wǎng)上表面的部分纖維在水針的作用下發(fā)生位移，向下運動并穿插進入纖網(wǎng)底部，當(dāng)水針穿透纖網(wǎng)后，受到托網(wǎng)簾或轉(zhuǎn)鼓動表面的阻擋，形成水流反射，造成纖網(wǎng)底部的部分纖維向上穿插運動，有的回到纖網(wǎng)表面形成閉合回路［3］。因此，在黏膠/木漿混合水刺材料中，纖維之間的纏結(jié)情況復(fù)雜，可大致分為三種類型：“H型”纏結(jié)［4］、“閉環(huán)式”纏結(jié)和“捆綁式”纏結(jié)。纖維纏結(jié)的簡化模型見圖1。

圖1 黏膠/木漿混合水刺材料中纖維的纏結(jié)結(jié)構(gòu)［4］

“捆綁式”和“閉環(huán)式”模型為長纖維與長纖維之間的纏結(jié)模型。長纖維與長纖維之間纏結(jié)較為穩(wěn)定且形式復(fù)雜，例如“捆綁式”中縱向分布的長纖維可以與第一根橫向纖維逆時針纏結(jié)，接著又可以順時針纏結(jié);“閉環(huán)式”中縱向纖維與橫向纖維纏結(jié)后又返回再次纏結(jié)，使纖維間的作用大大增強，解纏困難。“H型”纏結(jié)為長短纖維纏結(jié)，纏結(jié)結(jié)構(gòu)簡單，雖然纏結(jié)點較多，但纖維纏結(jié)結(jié)構(gòu)存在較多弱節(jié)，在水中很容易解纏。

表1 黏膠纖維長度與水刺材料性能的關(guān)系

由表1可知：

(1)隨著黏膠纖維長度的增加，黏膠/木漿混合水刺材料的縱橫向濕強度均呈增大趨勢，且縱向濕強度略大于橫向濕強度;當(dāng)黏膠纖維長度為8 mm時，材料的橫向濕強度最低［6.02 N/(50 mm)］，此時縱向濕強度為8.31 N/(50 mm)，兩者的差值最大。

水刺材料的強力與原料纖維的種類、規(guī)格以及纏結(jié)效果有關(guān)。隨著黏膠纖維長度的增加，水刺纖網(wǎng)中長纖維之間的纏結(jié)數(shù)量增加，纏結(jié)牢度增大;長纖維之間抱合力的增大也使得纏結(jié)效果增強，纖維強力的利用程度提高，因此強度逐漸升高［5］。在氣流成網(wǎng)的纖網(wǎng)中，纖維混雜排列，呈三維空間分布，材料在物理性能上基本顯示各向同性的特點，縱橫向強力基本相同。經(jīng)水刺加固后，纖網(wǎng)中的部分纖維沿纖網(wǎng)前進方向取向排列，因而縱向強力略大于橫向強力?？v向強力高有利于后續(xù)的加工生產(chǎn)和卷裝，橫向強力低有利于材料的分散。

(2)隨著黏膠纖維長度的增加，材料的分散剩余率逐漸提高，分散程度下降;當(dāng)黏膠纖維長度為8 mm時，分散剩余率最小，分散等級為2級，材料的分散性能最好。

當(dāng)材料受到水流沖散力的作用時，長纖維間的纏結(jié)點不易破壞，解纏困難，所以分散能力隨著長度的增加而降低。長纖維從材料中分離出來后分散于水中，容易相互聚集纏繞形成繩索狀纖維團，在過濾時長纖維易堵塞濾網(wǎng)孔，造成本來可以通過的短纖維無法通過濾網(wǎng)。因此，隨著纖維長度的增加，材料的分散剩余率呈上升趨勢。

(3)隨著黏膠纖維長度的增加，黏膠/木漿混合水刺材料的吸水率先升高后降低。木漿紙的吸水率為600%～800%，純黏膠水刺材料的吸水率達1 000%以上。隨著黏膠纖維長度的增加，纖網(wǎng)在水刺的過程中纖維的流失率降低，黏膠纖維的實際含量增加，因此材料的吸水率有上升趨勢;而當(dāng)黏膠纖維長度增加到一定程度時，纏結(jié)系數(shù)迅速增大，纖網(wǎng)內(nèi)部的自由體積減小，含有的毛細水減少，吸水率反而下降。

綜合考慮材料的生產(chǎn)使用要求及其分散性能、吸水性能，本試驗選用8～11 mm長度的黏膠纖維。

2.2 木漿比例的選擇

在純黏膠纖維中添加木漿有利于降低材料的濕強度，獲得良好的分散性;但過高的木漿比例會使纖網(wǎng)水刺困難，在水刺的過程中木漿飛濺形成布面孔洞或漿斑，還有一部分木漿會進入水循環(huán)過濾系統(tǒng)，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和連續(xù)化生產(chǎn)。因此，黏膠/木漿混合水刺材料中的木漿比例至關(guān)重要，直接影響生產(chǎn)工藝參數(shù)的設(shè)置和產(chǎn)品的使用性能。表2示出了木漿比例與水刺材料性能的關(guān)系。

由表2可知：

(1)隨著木漿比例的升高，黏膠/木漿混合水刺材料的縱橫向濕強度均呈下降趨勢，材料的分散等級提高，分散剩余率降低。隨著木漿含量的增加，纖網(wǎng)中長纖維與短纖維之間的纏結(jié)比例增大，即“H型”纏結(jié)點數(shù)增多，纏結(jié)力弱，容易解纏。當(dāng)木漿質(zhì)量分數(shù)為60%時，材料的橫向濕強度為4.10 N/(50 mm)，此時縱向濕強度為5.12 N/(50 mm)，滿足濕巾標(biāo)準(zhǔn)中最低使用橫向濕強度4 N/(50 mm)的要求，但在產(chǎn)品的實際生產(chǎn)過程中要求材料具有較高的縱向濕強度，防止在張力的作用下意外牽伸造成產(chǎn)品變形或無法連續(xù)生產(chǎn)。因此，本試驗選擇木漿的質(zhì)量分數(shù)為50%，此時材料的縱向濕強度提高到6.96 N/(50 mm)，分散等級仍為3級，材料具有良好的分散性。

表2 木漿比例與水刺材料性能的關(guān)系

(2)隨著木漿比例的增加，黏膠/木漿混合水刺材料的吸水率先升高后下降。由于木漿纖維較短，在纖網(wǎng)中起著支撐作用。當(dāng)木漿比例較低時，隨著木漿含量的提高，填充并支撐纖網(wǎng)的木漿數(shù)增多，纖網(wǎng)內(nèi)部的空隙率增大，可容納更多的毛細水，宏觀表現(xiàn)為材料的吸水性能變好;但木漿比例增大到一定程度后，材料的緊密度增大，纖維間的孔隙減小，吸水性能反而變差。當(dāng)木漿質(zhì)量分數(shù)為50%時，材料的吸水倍率最大，為9.76倍。

綜合以上測試結(jié)果，本試驗推薦將木漿質(zhì)量分數(shù)確定為50%～60%。

3 結(jié)論

(1)黏膠/木漿混合水刺纖網(wǎng)中，纖維之間的纏結(jié)有三種模型：“H型”纏結(jié)、“閉環(huán)式”纏結(jié)和“捆綁式”纏結(jié)，其中“H型”纏結(jié)有利于材料的分散。

(2)當(dāng)黏膠纖維長度為8～11 mm，木漿質(zhì)量分數(shù)為50%～60%時，黏膠/木漿混合水刺材料具有較低的橫向濕強度，較高的吸水倍率和較好的分散性能，用該材料可制得既能滿足正常使用要求，又能達到廁可沖目的的濕巾基材。

［1］李紙.中國濕巾業(yè)消費滲透力爬坡［N］.中國紡織報，2011-11-23(4).

［2］高居易，吳海波.可沖散濕巾基材生產(chǎn)工藝技術(shù)研究［J］.中國造紙，2012，31(12)：15-18.

［3］柯勤飛，靳向煜.非織造布學(xué)［M］.上海：東華大學(xué)出版社，2009.

［4］高居易，吳海波.可沖散濕巾基材水刺加固工藝研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2012，30(5)：11-14.

［5］祝晶晶，王洪，吳海波，等.水刺非織造布的纖維纏結(jié)效果分析及影響因素初探［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2012，30(9)：6-10.