雙組分橘瓣型紡粘水刺材料的過濾和力學(xué)性能

王 敏， 韓 建，2， 于 斌，2， 朱斐超， SOLITARIO Nesti， 宋衛(wèi)民

(1. 浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018； 3. 意大利未來紡織工業(yè)研究院， 意大利 普拉托；4. 廊坊中紡新元無紡材料有限公司， 河北 廊坊 065000)

雙組分橘瓣型紡粘水刺材料的過濾和力學(xué)性能

王 敏1， 韓 建1，2， 于 斌1，2， 朱斐超1， SOLITARIO Nesti3， 宋衛(wèi)民4

(1. 浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018； 3. 意大利未來紡織工業(yè)研究院， 意大利 普拉托；4. 廊坊中紡新元無紡材料有限公司， 河北 廊坊 065000)

為獲得過濾和力學(xué)綜合性能優(yōu)異的雙組分橘瓣型紡粘水刺材料，采用單因素試驗(yàn)方法研究了纖網(wǎng)面密度對(duì)紡粘水刺非織造材料孔徑、過濾性能、拉伸性能以及撕裂性能的影響，并對(duì)其結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行觀察分析。結(jié)果表明:雙組分纖維呈中空橘瓣?duì)睿徴乘滩牧媳砻胬w維大部分裂離為超細(xì)纖維，中間層纖維基本為完整的中空結(jié)構(gòu)；紡粘水刺材料的平均孔徑為7～10 μm，且隨著纖網(wǎng)面密度的增大而逐漸減小，過濾效率對(duì)應(yīng)提高；纖網(wǎng)面密度對(duì)紡粘水刺材料的縱橫向拉伸強(qiáng)力、斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)力影響顯著，隨著纖網(wǎng)面密度的提高，上述力學(xué)性能指標(biāo)均逐漸增大，但受到鋪網(wǎng)加工方式影響，紡粘水刺材料的縱橫向力學(xué)性能差異仍較大。

雙組分纖維； 紡粘水刺布； 過濾性能； 力學(xué)性能

雙組分紡粘水刺技術(shù)是將2種高聚物通過一定方式熔融，并同時(shí)從噴絲組件擠出形成的雙組分纖維，再通過水刺工序?qū)﹄p組分纖維網(wǎng)進(jìn)行開纖和加固最終形成超細(xì)纖維非織造材料的技術(shù)[1-2]。采用該技術(shù)制備的非織造材料是一種新型特殊纖維材料，融合了紡粘非織造材料和水刺非織造材料的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。普通纖維單纖線密度一般在2.2～3.3 dtex，而雙組分非織造材料經(jīng)水刺開纖后線密度可達(dá)到0.08 dtex，并形成特殊的三維立體結(jié)構(gòu)，纖維比表面積增大、結(jié)構(gòu)更致密，其吸濕性和透氣性更好[3]。因此，雙組分中空桔瓣型超細(xì)纖維紡粘水刺非織造材料可廣泛地應(yīng)用于高級(jí)擦拭布、高級(jí)過濾材料、高級(jí)人造革和高級(jí)床上用品等領(lǐng)域[4-6]。

國內(nèi)外對(duì)雙組分紡粘水刺非織造材料進(jìn)行了研究，主要集中于加工工藝和產(chǎn)品的力學(xué)、過濾性能方面。如劉亞等[7]通過紡粘法制備了可裂離聚酰胺6/聚酯(PA6/PET)雙組分纖維，研究了聚酯和聚酰胺切片的基本特性和紡粘工藝參數(shù)對(duì)纖維性能的影響，發(fā)現(xiàn)紡絲熔體壓力和溫度對(duì)纖維截面結(jié)構(gòu)有顯著影響，當(dāng)聚酯和聚酰胺在噴絲孔匯聚，若二者的熔體壓力不相匹配，將獲得異形截面纖維。錢曉明等[8]以鄰苯二甲酸二辛脂顆粒為介質(zhì)研究了紡粘水刺超細(xì)纖維非織造材料的空氣過濾性能，測試了非織造材料過濾器的纖維細(xì)度和孔徑分布，發(fā)現(xiàn)超細(xì)纖維非織造材料的過濾效率和過濾阻力隨其面密度的增加而增大，這也與典型纖維過濾介質(zhì)的過濾性能相符合。靳向煜等[9]研究了分裂型超細(xì)纖維水刺布的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在外界機(jī)械力作用下，分裂型超細(xì)纖維水刺非織造材料中的纖維會(huì)進(jìn)一步開纖，在改善其開纖的同時(shí)，各項(xiàng)力學(xué)性能變化不太。有學(xué)者[10]利用空氣鋪網(wǎng)和水刺制備了超細(xì)纖維非織造材料，發(fā)現(xiàn)超細(xì)纖維非織造與相同工藝純滌綸非織造材料相比其具有更高的拉伸強(qiáng)力和較低的斷裂伸長，以及更高的吸水率。

本文主要研究纖網(wǎng)面密度對(duì)紡粘水刺非織造材料表面形貌、孔徑大小、過濾性能、拉伸性能和撕裂性能的影響，以期為紡粘水刺非織造材料的生產(chǎn)及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

聚酯(PET)切片由中國石油化工股份有限公司提供，特性黏度為0.65 dL/g，密度為1.34 g/cm3；聚酰胺6(PA6)切片由浙江龍誠化纖有限公司提供，特性黏度為2.4 dL/g，密度為1.15 g/cm3。

1.2 樣品的制備

將干燥后的PET和PA6切片分別喂入各自雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)料口中，熔體經(jīng)過濾和計(jì)量后進(jìn)入復(fù)合紡絲組件并從噴絲孔擠出，初生纖維經(jīng)側(cè)吹風(fēng)冷卻和管式牽伸形成雙組分牽伸絲，雙組分纖維中PET/PA6的體積比為70∶30；牽伸絲通過直接鋪網(wǎng)在輸網(wǎng)簾上形成紡粘纖網(wǎng)，最后經(jīng)多道水刺開纖和加固形成非織造材料，其生產(chǎn)過程如圖1所示。通過控制輸網(wǎng)簾速度，制備了面密度分別為48、60、80、100、130、170、220 g/m2的非織造材料。

圖1 雙組分紡粘水刺非織造材料生產(chǎn)過程

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌觀察

通過JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察非織造材料表面和截面形貌，測試前對(duì)樣品進(jìn)行鍍金處理，加速電壓為4 kV。

1.3.2 孔徑測試

采用德國PSM165孔徑儀，按照ASTM F316《通過起泡點(diǎn)和平均流動(dòng)孔試驗(yàn)描述膜過濾器的孔大小特征的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》對(duì)非織造材料的孔徑進(jìn)行測試。

1.3.3 過濾性能測試

采用國產(chǎn)LZC-H 型濾料綜合性能測試臺(tái)對(duì)非織造材料的過濾性能進(jìn)行測試，測試用氣溶膠粒徑為0.3 μm。

1.3.4 拉伸性能測試

采用Instron 3369型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)GB/T 24218.3—2010《非織造布斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》測試非織造材料的橫縱向拉伸性能，試樣尺寸為30 cm×5 cm，夾持距離為20 cm，拉伸速度為100 mm/min，每種非織造材料測試5塊樣品取其平均值。

1.3.5 撕裂性能測試

采用Instron 3369型電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，根據(jù)GB/T 3917.2—2009《褲型試樣(單縫)撕破強(qiáng)力的測定》測試非織造材料的撕裂性能，試樣尺寸為20 cm×5 cm，夾持隔距為10 cm，拉伸速度為100 mm/min，每種非織造材料測試5塊樣品取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌特征

雙組分纖維及非織造材料的形貌特征如圖2

所示。由圖2(a)可知雙組分纖維開纖前比較平直規(guī)整；從圖2(b)可以清晰地看到纖維呈中空橘瓣?duì)?，并?瓣P(guān)ET和8瓣P(guān)A6相間排列構(gòu)成，2種組分之間界面鮮明，這說明2種聚合物不相容，通過水刺可將其裂離為纖度更小的扇形截面纖維；從圖2(c)可以看出纖網(wǎng)表面經(jīng)水刺后大部分纖維已分裂為超細(xì)纖維，只有少量纖維保持完整的雙組分結(jié)構(gòu)；由于水刺能量主要作用于纖維表面，所以從圖2(d)可以觀察到非織造材料中間層纖維大部分未裂離，保持完整的中空橘瓣形狀。

2.2 孔 徑

雙組分超細(xì)纖維非織造材料是一種典型的多孔過濾材料，而其孔徑的大小及分布對(duì)它的過濾性能有很大的影響。不同面密度的非織造材料的平均孔徑如3所示?？梢钥闯觯S著非織造材料面密度的增大，其最大孔徑和平均孔徑呈逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)面密度為48 g/m2時(shí)，水刺布的最大孔徑和平均孔徑值分別為45.8 μm和10.3 μm，而當(dāng)面密度為220 g/m2時(shí)，其最大孔徑和平均孔徑分別為18.5 μm和7.3 μm。隨著纖網(wǎng)面密度的增大，單位面積的纖維數(shù)量增加，纖維之間變得更加緊密，導(dǎo)致纖網(wǎng)最大孔徑和平均孔徑減小。當(dāng)纖網(wǎng)面密度超過130 g/m2時(shí)，最大孔徑和平均孔徑的變化趨勢(shì)逐漸減小。

圖2 雙組分纖維和非織造材料形貌

圖3 非織造材料孔徑與面密度的關(guān)系

2.3 過濾性能

過濾效率和過濾阻力是衡量非織造材料過濾性能2個(gè)最重要的指標(biāo)。不同面密度非織造材料的過濾性能如圖4所示。面密度為48 g/m2的材料過濾阻力最小，與此同時(shí)其過濾效率也最低，分別為8.12 Pa和23.51%。隨著非織造材料面密度的增大，其過濾效率和過濾阻力逐漸增大。當(dāng)材料的面密度達(dá)到220 g/m2時(shí)，其過濾效率和過濾阻力分別提高到74.12%和48.52 Pa。非織造材料的過濾性能與其孔徑的大小是密切相關(guān)的，由圖3可知，面密度為220 g/m2的非織造材料的平均孔徑為7.3 μm，而面密度為48 g/m2的非織造材料的平均孔徑為10.3 μm。從另一方面考慮，非織造材料面密度越大，單位面積的纖維根數(shù)越多，氣凝膠粒子更容易被捕獲，過濾效率提高，但氣體介質(zhì)通過非織造材料的阻力也相應(yīng)增大，導(dǎo)致其過濾阻力增大。

圖4 非織造材料過濾性能與面密度的關(guān)系

2.4 拉伸力學(xué)性能

紡粘水剌非織造材料受到外力拉伸時(shí),主要表現(xiàn)為纖維之間的滑移,纖維受力會(huì)逐漸伸直,由于纖維之間的相互纏結(jié),纖維的伸直會(huì)受到周圍纖維的阻礙，若纖維間的纏結(jié)程度能夠產(chǎn)生足夠的壓力以握持這根纖維,則產(chǎn)生纖維自鎖現(xiàn)象[11]。圖5、6示出不同面密度紡粘水刺非織造材料的拉伸力學(xué)性能?？梢钥闯觯弘S著纖網(wǎng)面密度的增大，非織造材料的縱橫向強(qiáng)力均近似呈線性增加；對(duì)應(yīng)斷裂伸長率也逐漸增大，但增加趨勢(shì)隨著面密度的逐漸增大而放緩。同樣面密度的紡粘水刺非織造材料，其縱向斷裂強(qiáng)力大于橫向，但縱向斷裂伸長率小于橫向。這是由于本文研究所用的紡粘水刺非織造材料在生產(chǎn)過程中采用直接鋪網(wǎng)的成網(wǎng)方式，纖維大多數(shù)沿著縱向(機(jī)器方向)取向排列導(dǎo)致(如圖7中紡粘水刺材料的纖維分布所示)，當(dāng)非織造材料縱向受到拉伸時(shí)，纖維之間互相擠壓，從而增強(qiáng)了纖維之間的抱合和自鎖，阻礙部分纖維的順利拉伸；而當(dāng)非織造材料橫向受到拉伸時(shí)，由于外力方向垂直于纖維軸向，使纖維間具有較大的滑移距離和較小的抱合力，從而使得橫向伸長率比縱向伸長率大，橫向斷裂強(qiáng)力比縱向斷裂強(qiáng)力小[12]。

圖5 非織造材料斷裂強(qiáng)力與面密度的關(guān)系

圖6 非織造材料斷裂伸長率與面密度的關(guān)系

圖7 顯微鏡下非織造材料的表面形態(tài)

2.5 撕裂強(qiáng)力

圖8示出不同面密度紡粘水刺材料的撕裂性能。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)面密度增大時(shí)，非織造材料橫縱向撕裂強(qiáng)力均不斷增加。

圖8 非織造材料撕裂強(qiáng)力與面密度的關(guān)系

紡粘水刺非織造材料的橫向撕裂強(qiáng)力大于其縱向撕裂強(qiáng)力，這與非織造材料的直接鋪網(wǎng)方式有關(guān)。本文實(shí)驗(yàn)采用單縫撕裂法，單縫撕破時(shí)，斷裂的纖維是非受拉系統(tǒng)的纖維。當(dāng)縱向拉伸時(shí)，沿橫向的纖維斷裂；當(dāng)橫向拉伸時(shí)，沿縱向的纖維斷裂。從圖7可以看出，紡粘水刺非織造材料中沿縱向排列的纖維比沿橫向排列的纖維更多，所以導(dǎo)致橫向撕裂強(qiáng)力大于縱向撕裂強(qiáng)力。

3 結(jié) 論

1) 紡粘水刺非織造材料用雙組分纖維呈中空橘瓣?duì)?，?瓣P(guān)ET和8瓣P(guān)A6相間排列構(gòu)成；紡粘水刺材料表面纖維大部分裂離為超細(xì)纖維，中間層纖維基本為完整的中空結(jié)構(gòu)。

2)隨著纖網(wǎng)面密度的增大，紡粘水刺非織造材料的最大孔徑和平均孔徑均減小，過濾阻力增大，過濾效率提高。

3) 隨著纖網(wǎng)面密度的增大，紡粘水刺非織造材料的縱橫向拉伸強(qiáng)力、斷裂伸長率和撕裂強(qiáng)力均逐漸增大，但受到鋪網(wǎng)加工方式的影響，紡粘水刺材料的縱橫向力學(xué)性能差異仍較大。

FZXB

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Filtration and mechanical performance of orange petal shape bicomponent spunbond-spunlace nonwoven materials

WANG Min1， HAN Jian1,2， YU Bin1,2， ZHU Feichao1， SOLITARIO Nesti3， SONG Weimin4

(1.CollegeofMaterialsandTextiles，ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.KeyLaboratoryofIndustrialTextileMaterialsandManufacturingTechnology,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 3.NextTechnologyTecnotessile,Prato,Italy; 4.LangfangChinatexXinyuanNonwovensCo.,Ltd.,Langfang,Hebei065000,China)

In order to achieve orange petal shape bicomponent spunbond-spunlace nonwovens with excellent comprehensive filtration and mechanical properties, single factor experiment was adopted to investigate the influence of fiber web density on pore size, filter performance, tensile properties and tear properties of the bicomponent nonwovens, the surface and cross-section morphologies of bicomponent fibers and spunbond-spunlace nonwovens were also observed. The results show that the cross-section morphologies of bi-component fibers was orange petal shape, and the fibers in surface of nonwovens were mostly split into superfine fibers, while the intermediate fibers kept complete hollow structure. The mean pore size of bicomponent spunbond-spunlace nonwovens was between 7 and 10 μm and decreased with increase of web density, and the filtration efficiency increased correspondingly. The web density had remarkable influence on the longitudinal and lateral tensile, elongation and tearing properties of bicomponent spunbond-spunlace nonwovens. With the increase of the web density, the above mechanical properties were all enhanced, but these properties also existed difference between longitudinal and lateral directions due to the web processing method.

bicomponent fiber; spunlace nonwoven; filtration property; mechanical property

10.13475/j.fzxb.20150907105

2015-09-29

2016-05-23

國家國際科技合作計(jì)劃(2014DFG52520)；浙江理工大學(xué)521人才計(jì)劃(2014DFG52520)

王敏(1989— )，男，碩士生。研究方向?yàn)楫a(chǎn)業(yè)用紡織材料。韓建，通信作者，E-mail：hanjian8@zstu.edu.cn。

TS 176

A