香蒲絨高蓬松絮片制備與壓縮性能評價

游香瑾,曹勝彬,徐廣標,b

(東華大學 a. 紡織學院;b. 紡織面料技術教育部重點實驗室,上海 201620)

香蒲絨高蓬松絮片制備與壓縮性能評價

游香瑾a,曹勝彬a,徐廣標a,b

(東華大學 a. 紡織學院;b. 紡織面料技術教育部重點實驗室,上海 201620)

采用氣流成網(wǎng)并結合熱風黏合法制備了4種不同混比的香蒲絨及木棉高蓬松絮片,測試評價了絮片的結構參數(shù)和壓縮性能.通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),制備的絮片中纖維隨機排列,纖維間由ES纖維(聚乙烯、聚丙烯共混)熔融黏結,絮片孔隙率高達90%以上.利用KES-FB3壓縮測試儀測試,結果發(fā)現(xiàn)，香蒲絨/ES(80/20)絮片壓縮功為15.52 cN·cm/cm2,而木棉/ES(80/20)絮片壓縮功為17.36 cN·cm/cm2,香蒲絨/ES (80/20)絮片壓縮回復率為46.32%,略大于相同混比的木棉/ES絮片壓縮回復率,絮片中加入低比例的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維對絮片壓縮性能影響不大.

香蒲絨纖維;高蓬松絮片;形態(tài)結構;壓縮性能

香蒲絨是香蒲植物所結果實上緊密排列、結構類似羽絨的朵狀纖維,主要包括主干、單纖和種子[1].基于蒲絨纖維的特性而被應用到一些領域: 如蒲絨纖維質地柔軟,常用來做枕絮[2]； 截面不規(guī)則,可積聚相當多的靜止空氣,有保暖隔熱的作用,可利用香蒲絨纖維生產隔熱材料[3];香蒲絨纖維表層有蠟質和果膠,密度小于水且不溶于水,能做浮力材料[4],也能用做吸油材料[5],已有學者研究香蒲絨集合體的吸油性能[6].

但是,由于香蒲絨具有纖維短、輕、不易收集、易折斷等缺點,目前國內大部分香蒲絨處在自生自滅狀態(tài),香蒲絨纖維的開發(fā)與利用受到了極大的限制,造成了天然資源的浪費[7].蒲絨纖維來源廣泛,成本低,纖維自身可以生物降解,對環(huán)境友好[8],其具有廣泛的應用前景.因此,本文制備了不同混比的香蒲絨高蓬松絮片,并研究了絮片的壓縮性能,為進一步應用在浮力、吸油領域提供依據(jù).

1 絮片制備

1.1 纖維原料

本文從松江的某湖泊中采集香蒲絨纖維原料,從浙江海寧某公司取得木棉、ES(聚乙烯、聚丙烯共混)纖維、PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)纖維.香蒲絨如圖1所示,具有樹枝狀結構,類似羽絨纖維.

圖1 香蒲絨的結構Fig.1 Structure of cattail

1.2 絮片試制

采用氣流法制作纖維網(wǎng),結合熱風黏合法來固結纖維網(wǎng)[9],從而制備絮片.首先按比例稱取纖維樣品,通過刺輥分別開松4種纖維,再將開松后的纖維按比例橫鋪至直取式角釘簾混棉機中進行預混合,再通過混棉機重復一次混合,采用美國Rando氣流成網(wǎng)機制網(wǎng),得到片狀纖維集合體.最后,用電熱恒溫鼓風干燥箱干燥烘制,為使得熱黏合纖維融化,黏結纖維網(wǎng),需要給纖維網(wǎng)加熱， 同時為了保證絮片有穩(wěn)定蓬松度,需要給纖維網(wǎng)施加一定壓強. 試驗中,烘制溫度調至150 ℃,集合體表面所施加壓強為1.4×105Pa.

ES纖維是一種最理想的熱黏合纖維[10],熱定形加固過程中形成纖維間黏結結構,提高絮料的綜合性能.加入PET纖維,用于測試絮片加入化學纖維后的性能變化情況.

為了使樣品受熱均勻,在加熱到一半時間時要將樣品翻面.由于香蒲絨與木棉纖維的體積密度相差近2倍,因此在烘制時間上有所不同.采用不同混比方案,制備4種高蓬松絮片如表1所示.

表1 纖維絮片試樣
Table 1 Fiber wadding samples

參數(shù)ABCD絮片成分香蒲絨/ES香蒲絨/ES/PET木棉/ES木棉/ES/PET成分比例80/2060/20/2080/2060/20/20加熱時間/h1.51.52.02.0

1.3 絮片形態(tài)結構參數(shù)

1.3.1 形態(tài)結構

采用日立3000型臺式掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣A、B、C、D進行形態(tài)觀測.根據(jù)試驗需求撕取適量試樣輕輕貼在圓形樣品臺上,注意保持撕取的樣品平整,對試樣噴金后放入電鏡真空箱里進行觀察,結果如圖2和3所示.

圖2 不同混比的香蒲絨絮片表面形態(tài)Fig.2 Surface morphology of cattail wadding with different blending ratios

圖3 不同混比的木棉絮片表面形態(tài)Fig.3 Surface morphology of kapok wadding with different blending ratios

由圖2和3可知：纖維在絮片中隨機分布,自身形態(tài)保持良好;絮片中添加的ES纖維,作為熱黏合纖維在高溫條件下會發(fā)生熔解從而將周圍的纖維黏合起來.

1.3.2 結構參數(shù)測試

在室內溫度為(20±5)℃和相對濕度為(60±5)%條件下，用FA2002A型電子天平(精度為0.000 1 g)稱取圓形絮片的質量,絮片面積為0.007 2 m2,換算求得面密度;用YG141N型數(shù)字織物厚度儀,參照GB/T 3820—1997測量絮片厚度,壓腳壓力設定為20 cN.根據(jù)孔隙率的計算公式[11](如式(1)所示)得出絮片的孔隙率(φ).

φ=1-ρA/ρ×h×1 000

(1)

其中:ρA為絮片面密度,g/m2;ρ為混合纖維的加權平均密度,g/cm3;h為絮片厚度,mm.

4種高蓬松絮片的結構參數(shù)如表2所示,除密度之外其余參數(shù)均取自5個試樣的平均值.

表2 絮片參數(shù)
Table 2 Wadding parameters

指標ABCDρ/(g·cm-3)0.460.360.320.34ρA/(g·m-2)322.8202.3295.0213.1h/mm9.839.249.799.93φ/%93.6295.9595.7197.04

2 壓縮性能測試及評價

2.1 壓縮性能測試

采用KES-FB3型壓縮測試儀,壓頭面積設定為10 cm2,壓腳升降最大速度設定為0.1 cm/s,最大壓力設定為10 cN,參照FZ/T 01051.2—1998測試絮狀纖維集合體的壓縮性能.各絮片均取5份試樣,每份試樣測試5次.壓縮性能指標[12]分別為壓縮功(WC)、壓縮彈性回復率(RCn)和壓縮曲線的線性度(LC).

(2)

式中: P為壓縮過程中的外力.

(3)

式中:n為連續(xù)壓縮中的第n次壓縮循環(huán);1表示第1個壓縮循環(huán).

LC=2WC/Pm(T0-Tm)

(4)

式中: Pm為最大壓力值，Pm值越大,表明壓縮曲線越接近于直線,壓縮功越小；T0為0.05 kPa輕壓時絮片的厚度,即初始厚度;Tm為9.80 kPa重壓時絮片的厚度,即最大壓力時的厚度.

2.2 結果與討論

2.2.1 壓縮曲線

利用KES-FB3型壓縮測試儀得到4種隨機排列絮狀纖維集合體的壓縮回復曲線如圖4所示.

圖4 4種纖維絮片壓縮回復曲線Fig.4 Compression resilience curves of four fiber waddings

由圖4可以看出,4種高蓬松絮片的壓縮曲線形狀相似,都為平凹型且存在壓縮滯后.對于4種不同混比的高蓬松絮片而言,初始階段隨著施加壓力的增大,厚度迅速減小,出現(xiàn)拐點后,壓力迅速增大,厚度變化變小至穩(wěn)定,即Tm;隨著壓力緩慢減小,絮片緩慢回彈,厚度會漸漸增加.由于壓縮彈性回復率不能達到100%,壓縮回彈具有滯后性,相同壓力下,回復后的絮片厚度要小于壓縮前絮片厚度.

香蒲絨/ES和香蒲絨/ES/PET絮片的壓縮曲線位置比較接近,壓縮性能相差不大,而木棉/ES和木棉/ES/PET絮片的壓縮曲線相距較遠.

2.2.2 壓縮性能測試結果

每種試樣進行20次壓縮回復試驗,壓縮性能指標取其平均值,結果如表3所示.

表3 壓縮性能測試結果
Table 3 Testing results of compression property

指標ABCDWC/(cN·cm·cm-2)15.5215.4917.3617.54RC/%46.3247.1145.2243.13LC/%37.4537.7629.2829.48

由表3可以看出， 香蒲絨/ES(試樣A)、香蒲絨/ES/PET(試樣B)絮片的壓縮性能相近,木棉/ES(試樣C)、木棉/ES/PET(試樣D)的壓縮性能相近,這說明PET纖維的加入對絮片的壓縮性能沒有太大影響.

表3中試樣A和B的壓縮功小于試樣C和D的壓縮功.壓縮功表示壓縮過程中外力P對單位面積試樣所做的功,壓縮功數(shù)值越大表示絮片越蓬松.木棉絮片的壓縮功大于香蒲絨絮片的壓縮功,所以木棉絮片要比香蒲絨絮片更蓬松、柔軟.原因可能是木棉纖維是中空纖維,中空度很大,為80%～90%.絮片孔隙率對絮片壓縮功有著很大的影響.

表3中試樣B的壓縮彈性回復率大于試樣A.與木棉絮片相比,香蒲絨絮片壓縮彈性回復率較大,與孔隙率的大小成反比,壓縮后,香蒲絨絮片的回復性較好.孔隙率不利于提高絮片壓縮回復性,因為孔隙在壓縮后不易回復.一定比例的PET纖維加入對壓縮回復性影響不大.

試樣A和B線性度接近,試樣C和D線性度接近,但試樣A和B的線性度要大于試樣C和D的線性度. 線性度等于壓力變形曲線下的面積對該曲線兩端點連線下面積之比,表示壓縮曲線接近于直線的程度.從表3中得知木棉絮片的線性度小,木棉絮片被壓縮時單位質量所需要的壓力小,使得絮片易被壓縮.這和木棉本身的大中腔結構有關.

3 結 語

通過氣流成網(wǎng)結合熱風黏合法加工工藝,制備香蒲絨絮片,選用木棉絮片作為對比試樣.在掃描電子顯微鏡下觀察絮片的形態(tài)結構發(fā)現(xiàn),內部纖維隨機排列,ES纖維形成黏合點,孔隙率達到90%以上.

研究了高蓬松絮片的壓縮性能,得到香蒲絨/ES壓縮功為15.52 cN·cm/cm2,香蒲絨/ES/PET壓縮功為15.49 cN·cm/cm2,與之相比木棉/ES壓縮功為17.36 cN·cm/cm2,木棉/ES/PET壓縮功為17.48 cN·cm/cm2.香蒲絨絮片的壓縮功小于木棉絮片的壓縮功,木棉絮片更蓬松、柔軟.香蒲絨絮片的壓縮回復性能優(yōu)于木棉絮片的壓縮回復性能.香蒲絨絮片相較于木棉絮片，不易被壓縮.一定比例的PET纖維的加入對絮片的壓縮性能影響不大.

[1] 曹勝彬,徐廣標,王府梅. 香蒲絨纖維形態(tài)結構分析[J]. 東華大學學報(自然科學版),2009,35(2): 144-147.

[2] 蔣志君. 聞香治病話藥枕[J]. 開卷有益(求醫(yī)問藥),2002 (3): 44.

[3] DAVID A V. Method of making heat insulating material from cattail fibers[P]. USA,3063125. 1962-11-13.

[4] 曹勝彬. 香蒲絨纖維結構性能及其集合體浮力測試與評價[D]. 上海: 東華大學紡織學院,2009: 49-50.

[5] LTM T T,HUANG X. Evaluation of kapok (Ceiba pentandra(L.)Gaertn.) as a natural hollow hydrophobic-oleophilic fibrous sorbent for oil spill cleanup[J]. Chemoesphere,2006,66(5): 955-963.

[6] CUI Y H,XU G B,LIU Y J. Oil sorption mechanism and capability of cattail fiber assembly[J]. Industrial Textiles,2014,43(3): 330-337.

[7] 徐廣標,徐麗麗,王向欽. 擦油棉的油液吸附特性[J]. 東華大學學報(自然科學版),2015,41(1): 43-47.

[8] 王泉泉,徐廣標,王府梅. 蒲絨纖維的吸油性能[J]. 東華大學學報(自然科學版),2010,36(1): 26-29.

[9] 辛長征,楊秀琴,李建鋒. 熱風法絮片的工藝設計[J]. 非織造布,2004,12(2): 17-18.

[10] 王紅,斯堅. ES纖維的發(fā)展及在非織造布領域的應用[J]. 非織造布,2008,16(2): 37-38.

[11] MARION A,PIERRE L. An evaluation of fiber orientation and organization in nonwoven fabrics by tensile,air permeability and compression measurements[J]. Journal of Materials Science,2014,49(1): 52-61.

[12] 樓英,王府梅,劉維. 木棉絮料的壓縮性能測試分析[J]. 紡織學報,2007,28(1): 10-12.

Preparation and Compression Evaluation of Cattail High-Loft Wadding

YOUXiang-jina,CAOSheng-bina,XUGuang-biaoa,b

(a. College of Textiles;b. Key Laboratory of Textile Science &Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Four kinds of high-loft wadding with different blending ratios of cattail and kapok were prepared by adopting air laying web and hot air-through bonding process. These wadding’s structural parameters and compressive properties were tested and evaluated. It was found that fibers in the wadding were arranged randomly and bonded by the melting ethylene-propylene side by side (ES) fibers using the scanning electron microscope;the wadding porosities were up to 90%. The results which got by the KES-FB3 compression tester show that the compress work of cattail/ES (80/20) wadding is 15.52 cN·cm/cm2,the compress work of kapok/ES (80/20) wadding is 17.36 cN·cm/cm2,the compress recovery rate of cattail/ES (80/20) wadding is 46.32%,which is larger than the same ratio of cattail/ES wadding slightly. The low proportion of polyethylenetere-phthalate (PET) has little effect on the wadding’s compressibility.

cattail fiber;high-loft wadding;morphology;compressibility

1671-0444 (2016)05-0689-04

2015-08-20

游香瑾(1991—)，女，河南周口人，碩士研究生，研究方向為紡織材料的結構與性能. E-mail: 2130083@mail.dhu.edu.cn 徐廣標(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail: guangbiao_xu@dhu.edu.cn

TS 102.2

A