合成纖維在水中的分散手段與表征方法

關(guān)曉宇 錢曉明 楊棹航

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387)

濕法成網(wǎng)是非織造成網(wǎng)方式的一種，它源自傳統(tǒng)的造紙業(yè)。其原理是將纖維原料在水介質(zhì)中混合分散制成纖維漿料，再將漿料輸送到成網(wǎng)機(jī)構(gòu)，在濕態(tài)下脫水成網(wǎng)再加固成非織造布。傳統(tǒng)造紙行業(yè)將植物纖維作為纖網(wǎng)的基本原料，再配以分散劑、黏合劑等助劑制成漿粕。隨著產(chǎn)品要求的不斷升級，越來越多的產(chǎn)品開始嘗試加入不同性能的化學(xué)纖維、金屬纖維等一系列非傳統(tǒng)植物纖維［1］制成非織造布或功能紙，不同的合成纖維具有不同的特性，所以能賦予纖網(wǎng)不同的特性。與天然纖維相比，合成纖維在力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性及特殊功能性等方面具有明顯優(yōu)勢，在提高力學(xué)性能的同時(shí)賦予抗菌、抗靜電、阻燃等其他多種特殊功能。

與傳統(tǒng)濕法抄造所使用的植物纖維不同，合成纖維由于自身所固有的特性，例如纖維的剛度、長度、吸濕性及相對密度等問題，使得合成纖維在進(jìn)行濕法抄造時(shí)存在諸多問題，例如由于合成纖維的吸濕性能和表面電荷不同于植物纖維，所以在懸浮液中的分散性能很差，容易產(chǎn)生絮聚現(xiàn)象，導(dǎo)致纖網(wǎng)成型均勻度較差，同時(shí)在生產(chǎn)中還容易產(chǎn)生一系列其他問題［2］。

1 合成纖維的分散方法

1.1 改變纖維性狀促進(jìn)分散

1.1.1 根據(jù)堆積因子調(diào)整纖維長徑比

20世紀(jì)90年代，Kerekes和Schell在前人概念的基礎(chǔ)上提出了堆積因子的概念［3］，用N表示直徑相當(dāng)于纖維長度的球形體積內(nèi)纖維的數(shù)目：

式中：CV——體積濃度;

L——纖維長度;

d——纖維直徑。

在纖維-水體系研究中，對纖維長徑比加以控制可以得到勻度較好的紙頁［4］。當(dāng)N較小時(shí)纖維在液相中的分布趨于一致;當(dāng)N逐漸增大時(shí)纖維的流動(dòng)性能明顯下降，逐漸絮聚難以被分散［5］。根據(jù)堆積因子公式，減小纖維長度、增加纖維直徑、降低漿料體積濃度能夠有效地降低堆積因子N的大小，從而達(dá)到促進(jìn)纖維分散的效果。以一些滌綸分散試驗(yàn)為例，合適的分散長徑比約為500∶1，低于300∶1 不利于分散，高于700∶1 則纖網(wǎng)強(qiáng)力過低［6］。很多試驗(yàn)研究根據(jù)堆積因子將合成纖維短切并抄造成網(wǎng)，長度多在4 mm以下，以此增強(qiáng)合成纖維的分散效果。但也有研究人員指出，單純地以切短纖維或混合植物纖維來應(yīng)對分散問題而回避其他技術(shù)難題，這樣抄造出來的纖網(wǎng)很難滿足工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的高性能要求［7］。

1.1.2 纖維改性

利用合成纖維制造濕法非織造布的主要難題在于合成纖維的疏水性。雖然合成纖維或植物纖維在制造纖網(wǎng)的工序上大致相同，但兩種纖維的化學(xué)性質(zhì)差別很大，主要是由于合成纖維疏水性強(qiáng)，在水中不易分散并容易絮聚，很難形成連續(xù)均勻的纖網(wǎng)。針對合成纖維的疏水性能，很多研究人員嘗試對纖維進(jìn)行改性處理，改善其親水性，使其能在水中分散得更均勻，滿足濕法抄造的要求。改性方法多以物理或化學(xué)方法為主，通過接枝改性、腐蝕纖維表面等物理或化學(xué)方法使纖維表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在一定程度上改善纖維的親水性能［8-11］。具體的親水改性與紡織纖維研究中的方法大抵相同，但由于方法復(fù)雜不利于大規(guī)模生產(chǎn)，在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面比其他分散方法應(yīng)用得少。

1.2 動(dòng)力分散

在纖維懸浮液中施加動(dòng)力是促使纖維分散的主要方法。合成纖維由于自身的疏水性將纖維束放入水中時(shí)直接絮聚成一團(tuán)并具有一定強(qiáng)力，無法自然均勻地分散成纖網(wǎng)，同時(shí)纖維束本身也存在并絲纏繞等狀態(tài)而非全部單根散纖維狀態(tài)，這就需要施加剪切力來克服其他力促使纖維分散。Shiffler于1985年針對纖維動(dòng)力分散提出了一個(gè)剪切力不等式［12］：

式中：Fs——施加在纖維束上的剪切力;

Fσ——表面張力;

Fμ——阻力;

Ff——垂熔力。

只有當(dāng)施加在纖維束上的剪切力滿足此不等式并且持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，纖維束才會(huì)打開分散成單根纖維狀態(tài);如果剪切力不夠，即使時(shí)間再長也不會(huì)分散纖維，依然會(huì)在纖網(wǎng)上留下疵點(diǎn)［13］。除此之外，調(diào)整施加動(dòng)力的頻率也能改善纖維的絮聚情況，并且在多種纖維混合抄造的情況下起到有效混合的作用。有研究證明，施加動(dòng)力將纖維束分散成單纖維，在此基礎(chǔ)之上加入分散劑能有效地維持這種分散情況［14］。

除了促使纖維束打開分散之外，研究動(dòng)力形成湍流能夠幫助預(yù)測纖維的運(yùn)動(dòng)和懸浮軌跡，以及纖維在纖網(wǎng)中的取向和排列，從而賦予非織造布更多的結(jié)構(gòu)變化并擴(kuò)展產(chǎn)品的應(yīng)用范圍［15-17］。

1.3 化學(xué)試劑分散

利用化學(xué)試劑促進(jìn)合成纖維在懸浮液中分散是目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最廣、研究最多的一種方式，同時(shí)采用分散劑的布面疵點(diǎn)要明顯少于不采用分散劑的布面疵點(diǎn)［18］。根據(jù)合成纖維表面電荷的不同，按照纖維分散機(jī)理選擇相應(yīng)的離子型或非離子型分散劑。在目前的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)中，分散合成纖維多采用CMC(羧甲基纖維素)和PEO(聚氧化乙烯)等高分子分散劑［19-22］，提高懸浮液濃度，限制纖維在水相中的自由度;同時(shí)在纖維表面形成潤滑膜，以減小纖維糾纏的可能性，對短纖維起到一定的助流效果。此外，在一些針對碳纖維、玻璃纖維和陶瓷纖維等其他合成纖維分散的試驗(yàn)中，使用與纖維表面電荷相同或相反的離子分散劑來分散纖維也能得到不錯(cuò)的效果。例如大部分合成纖維和無機(jī)纖維表面帶負(fù)電荷，加入CPAM(陽離子聚丙烯酰胺)或SDS(十二烷基硫酸鈉)等陽離子型分散劑，在一定分散條件下效果甚至高于PEO等高分子分散劑［23-25］。在這類具有很強(qiáng)電荷特性的合成纖維懸浮液中，使用相反電荷離子分散劑成網(wǎng)可能更為均勻［26］。同時(shí)分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小也是影響因素之一，太低無助于分散，太高則會(huì)影響分散系的流動(dòng)性［27］，對后續(xù)抄造纖網(wǎng)造成阻礙。

國外對于濕法非織造纖維分散劑的研究與國內(nèi)基本一致，略有不同的是在分類上根據(jù)對纖網(wǎng)的輔助功效分為兩種類型：一種是低分子量試劑，可幫助纖維潤濕和在水中分散;另一種是通過調(diào)節(jié)懸浮液黏度，防止長纖維形成纖維長串，同時(shí)提高非織造布的外觀勻整度［18］。

2 合成纖維分散程度的表征

對不同試驗(yàn)條件下纖維的分散程度進(jìn)行表征評價(jià)是研究的重要環(huán)節(jié)。不同研究領(lǐng)域根據(jù)自身工藝特點(diǎn)對纖維分散程度的表征也有不同的標(biāo)準(zhǔn)和手段，例如造紙行業(yè)反映纖維分散程度常使用打漿度來表示［28-30］。對于一般的纖維分散程度表征方法主要分為兩類，一類是通過直觀方法對纖網(wǎng)或產(chǎn)品進(jìn)行分析，另一類則是通過測定分散劑水溶液的表面張力、動(dòng)電電位和吸光度等參數(shù)來表征纖維的潤濕或分散性能。

纖維、箱體系統(tǒng)、湍流、分散的質(zhì)量及穩(wěn)定性都會(huì)對纖網(wǎng)表面的疵點(diǎn)造成影響。國外針對纖維分散程度的表征主要集中在合成纖維在纖網(wǎng)或布面上留下的疵點(diǎn)方面，研究人員將纖維形成的疵點(diǎn)分成四種形式：并排粗節(jié)疵點(diǎn)、繩結(jié)狀疵點(diǎn)、熔融疵點(diǎn)和纖維團(tuán)狀疵點(diǎn)［31］。

2.1 直觀對比

將不同參數(shù)條件下合成纖維在溶液中沉淀后的圖片進(jìn)行直觀對比是最直接的表征方式，因其操作方式簡單故得以廣泛應(yīng)用，但這種方法也有許多不足。首先，這種對比僅僅是圖像的對比，并不能對纖維分散程度進(jìn)行一定的量化表達(dá)，只能定性說明;其次，在某些場合改變工藝參數(shù)后纖維的分散程度很接近，分散程度的差別無法通過肉眼清晰地觀測出，直觀對比方法在這種場合無法起到直觀的表征作用。

2.2 ζ電位

如圖1所示，根據(jù)斯特恩雙電子層理論，存在斯特恩層和擴(kuò)散層兩部分，滑動(dòng)面與溶液本體之間的電勢差稱為ζ電位［32］，是對顆粒之間相互排斥或吸引力強(qiáng)度的度量，同時(shí)反映分散的穩(wěn)定性。ζ電位絕對值越高，靜電斥力越大，分散體系越穩(wěn)定，纖維越容易分解;反之，電位絕對值越低，分散體系越傾向于凝聚。由此可見，分散體系的穩(wěn)定性與ζ電位有一種依存關(guān)系，所以在不同行業(yè)中經(jīng)常用ζ電位來表征添加分散劑后懸浮溶液整體的穩(wěn)定性或分散程度［33-34］。通過對ζ電位的研究可以有效輔助試劑的添加，但也有試驗(yàn)證明，ζ電位的影響因素很多，同時(shí)測量方式也存在一定的差異。

1 斯特恩雙電子層模型

2.3 亮度直方圖

利用光的投射原理得到漿料體系或纖網(wǎng)成型后的圖像，對該圖像進(jìn)行分析，將光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，得出圖像上不同區(qū)域的亮度直方圖分布或者相應(yīng)的灰度等級［35］，再通過一定算式得出漿料或非織造布的均勻系數(shù)，這種通過圖像亮度分布來分析并表征圖像均勻度的方法在很多行業(yè)早有應(yīng)用。以分析圖像為主，圖像獲取和分析操作都較為簡單，在多個(gè)學(xué)科都有應(yīng)用并有相應(yīng)的檢測儀器。也有試驗(yàn)指出，雖然運(yùn)用亮度直方圖的分布及相應(yīng)的均勻指數(shù)具有一定的說服力，但在某些情況下，例如纖網(wǎng)面密度對分散均勻的影響并不能準(zhǔn)確地反映出來;同時(shí)纖維的顏色、透明度和毛羽都會(huì)對均勻指數(shù)產(chǎn)生一定的影響，這種指數(shù)只是在面密度和纖維顏色相近的條件下對比纖維分散性能才有效果［36］。除了圖像分析上的局限之外，圖像采集時(shí)攝像頭進(jìn)光量的大小、物體背光均勻性和連續(xù)性等問題也會(huì)影響圖像的亮度分布變化。根據(jù)這一應(yīng)用限制，不少研究人員在亮度直方圖的基礎(chǔ)上開發(fā)出一系列評價(jià)指標(biāo)及測試手段來改進(jìn)這一缺陷［37］，但設(shè)備和操作都過于復(fù)雜，反而限制了應(yīng)用。

2.4 布面疵點(diǎn)形式

如上所述，國外的相關(guān)研究將合成纖維分散不均勻分為四種疵點(diǎn)形式，在一些文獻(xiàn)中對分散程度的表征也以疵點(diǎn)作為對象。通過分析處理纖維分散沉淀圖像(圖2)，標(biāo)定分散不均勻的纖維，通過對比疵點(diǎn)纖維根數(shù)或疵點(diǎn)所占圖像像素點(diǎn)個(gè)數(shù)來反映不同工藝參數(shù)下纖維分散程度的優(yōu)劣［27，38-40］。雖然纖網(wǎng)疵點(diǎn)的表征方式應(yīng)用很多，但有時(shí)被認(rèn)為僅僅是關(guān)注疵點(diǎn)而非纖網(wǎng)本身的均勻分布［41］，所以也存在一定的爭議性。

2.5 樣方分析

圖2 分散時(shí)間對不同纖維直徑形成疵點(diǎn)的影響

樣方分析是一種空間點(diǎn)格局分析方法，通過將一組樣方(通常是正方形單元格)覆蓋在研究區(qū)域上，統(tǒng)計(jì)單元格中的點(diǎn)數(shù)并計(jì)算樣方個(gè)數(shù)及頻率，然后與完全隨機(jī)過程對比來判斷點(diǎn)模式的空間分布特征，用方差均值比VMR來判斷［42-43］。樣方分析法也具有一定的局限性，其與樣方尺寸和分布類型具有密切的關(guān)系，改變樣方尺寸的大小及形狀可能會(huì)改變分布的判定結(jié)果［44］。

樣方分析常應(yīng)用于地理學(xué)、生態(tài)學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［45-48］，也有紡織領(lǐng)域研究人員在樣方分析的基礎(chǔ)上添加一些算法推導(dǎo)出均勻指數(shù)、分散指數(shù)等指標(biāo)［49-51］，進(jìn)一步量化纖維的分散均勻程度并取代原本的VMR值，為各種不同參數(shù)條件下的纖維分散表征提供便利。例如將樣方覆蓋在纖維成網(wǎng)圖像上，纖維在每一個(gè)樣方中所占面積算成一個(gè)子集，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)子集并計(jì)算其CV值，通過不同參數(shù)下CV值的大小來表征纖維的分散程度［41］，纖維分布越均勻，同一樣方尺寸下CV值越低(圖3)。

3 纖維長度在不同樣方尺寸下的CV值變化

3 結(jié)語

濕法非織造布加工方法在非織造領(lǐng)域中起步較晚，但在原料要求、生產(chǎn)速度和產(chǎn)品特點(diǎn)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在近幾年逐漸受到青睞。雖然濕法工藝源自于造紙行業(yè)，但在原料、加工工藝及設(shè)備要求上與其有一些差別。目前針對濕法工藝各個(gè)流程的研究較少，導(dǎo)致國內(nèi)現(xiàn)有的濕法非織造布產(chǎn)品多采用纖維素纖維或植物纖維制成可沖散材料，而與國外各類合成纖維制成的屏蔽布、手機(jī)底板基布等通信材料應(yīng)用相比尚存在較大差距。本文僅起到拋磚引玉的作用，希望能給其他行業(yè)和濕法非織造行業(yè)研究起到一定的幫助作用。

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