常敬穎 李素英 張 旭 孫 信 王建軍
1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通226019;2. 南通威爾非織造新材料有限公司,江蘇 南通 226144;3. 柯恩纖維(德國)北京辦事處,北京100020
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黏膠纖維的截面形狀對(duì)非織造材料可沖散性能的影響*
常敬穎1李素英1張 旭1孫 信2王建軍3
1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通226019;2. 南通威爾非織造新材料有限公司,江蘇 南通 226144;3. 柯恩纖維(德國)北京辦事處,北京100020
非織造材料的可沖散性受纖維間摩擦作用的影響,而纖維間摩擦作用又與纖維截面形狀有關(guān)。采用木漿纖維、黏膠纖維、PLA纖維為原料,并通過濕法成網(wǎng)工藝,制備面密度為40~60 g/m2的非織造材料,研究黏膠纖維的截面形狀對(duì)非織造材料可沖散性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)黏膠纖維長(zhǎng)度為8 mm、PLA纖維長(zhǎng)度為7 mm、木漿/黏膠纖維質(zhì)量比為5∶4、熱風(fēng)溫度為65 ℃時(shí),采用花朵狀截面、表面溝槽多且深的Danufil纖維制成的非織造材料的可沖散性最佳。
截面形狀,濕法成網(wǎng),可沖散,非織造材料
隨著人們生活水平的不斷提高,日常生活中衛(wèi)生用品的需求量在不斷增加[1]。近幾年,非織造材料衛(wèi)生用品的銷售額飛速增長(zhǎng),其中,隨著“二孩”政策的逐步放開,尿不濕的需求增長(zhǎng)尤為迅速。相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示,2014年紙尿褲市場(chǎng)銷售額約290億元人民幣,比2013年的250億元人民幣增長(zhǎng)了16%,成人失禁產(chǎn)品的平均年增長(zhǎng)率為28%。美國MPE公司預(yù)計(jì),到2017年,中國紙尿褲市場(chǎng)銷售額將增長(zhǎng)到1 200億元人民幣。北美、西歐、亞太三大地區(qū)的非織造材料衛(wèi)生用品用量最多,總占比接近68%,亞太地區(qū)的占比接近35%,增長(zhǎng)速度約為8%[2]。
傳統(tǒng)的衛(wèi)生用品材料一般采用滌綸、丙綸等合成纖維,但這些纖維廢棄后不易被降解。一次性衛(wèi)生用品材料在使用后一般采用焚燒、填埋等方式進(jìn)行處理,但這種方式會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。此外,科學(xué)研究人員通過考察得出,絕大多數(shù)的水管堵塞都是由不可沖散的一次性衛(wèi)生用品所造成的[3]。近幾年新推出的可沖散非織造材料可以廣泛應(yīng)用于濕紙巾、女性衛(wèi)生用品、抽水馬桶擦拭紙等[4]。本文采用可生物降解的木漿纖維、黏膠纖維、PLA纖維為原料,并通過濕法成網(wǎng)工藝,制備可降解、可沖散的非織造材料,研究黏膠纖維的截面形狀對(duì)非織造材料可沖散性能的影響,通過試驗(yàn)與分析得出優(yōu)化工藝參數(shù),以期為可沖散材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。
1.1 試驗(yàn)原料與器材
1.1.1 試驗(yàn)原料
Bramante、Danufil、Galaxy和Viloft異形截面黏膠纖維(德國Kelheim Fibres公司),普通黏膠纖維(山東雅美科技有限公司),PLA短纖維(江陰市杲信化纖有限公司),木漿短纖維(加拿大West Fraser公司)。
1.1.2 使用設(shè)備
濕法成網(wǎng)設(shè)備,熱風(fēng)烘箱。
1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
本試驗(yàn)主要研究不同截面形狀的黏膠纖維對(duì)非織造材料的可沖散性能的影響,因此采用單一變量法,即設(shè)置不同截面形狀的黏膠纖維為變量,木漿纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PLA纖維長(zhǎng)度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏膠纖維長(zhǎng)度和烘箱溫度為定量。單因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1。
表1 單因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
1.3 制備工藝與流程
可沖散濕法非織造材料的制備流程:原料準(zhǔn)備→打漿→稱重混合→攪拌→濕法成網(wǎng)→熱風(fēng)加固→ 可沖散濕法非織造材料。
按照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)要求,用電子分析天平稱取相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的三種纖維(黏膠纖維為40%,木漿纖維為50%,PLA纖維為10%),并將稱取的木漿纖維用水浸泡2 h。然后將浸泡后的木漿纖維放入間歇式研磨杯中,研磨5 min,使木漿纖維在水中能夠均勻分散。接著,將PLA纖維和黏膠纖維及攪拌后的木漿纖維一起倒入2 000 mL料桶中,用攪拌機(jī)攪拌10 min,使三種纖維混合在一起,并均勻分散在料桶中。將均勻混合的纖維輸送到濕法成網(wǎng)設(shè)備,用擠壓板不停地上下擠壓,使纖維進(jìn)一步混合均勻,并加速將水排出。最終,在成形網(wǎng)上形成一張纖網(wǎng),待水分去除后將其從成形網(wǎng)上取下,平放靜置晾干后置于烘箱中,設(shè)置烘箱溫度為65 ℃,烘干1 h,進(jìn)一步去除水分,并將PLA纖維熔融而實(shí)現(xiàn)黏合作用。
2.1 測(cè)試儀器及測(cè)試項(xiàng)目
測(cè)試過程中使用的儀器及測(cè)試項(xiàng)目見表2。
表2 測(cè)試儀器及測(cè)試項(xiàng)目
2.2 纖維性能測(cè)試與分析
濕法成網(wǎng)非織造材料中,纖維既作為主體成分又作為纏結(jié)成分和黏合成分,因此纖維性能對(duì)非織造材料的最終性能的影響很大。纖維的截面形狀復(fù)雜、比表面積大,非織造材料的吸水性好;纖維的斷裂強(qiáng)力高,則非織造材料的斷裂強(qiáng)力高、彎曲剛度小。
2.2.1 纖維截面SEM觀測(cè)與分析
將5種不同截面形狀的黏膠纖維制作切片并鍍金,在SEM下觀測(cè)的截面形狀如圖1所示。
(a) Bramante纖維
(b) Danufil纖維
(c) Galaxy纖維
(d) Viloft纖維
(e) 普通黏膠纖維 圖1 5種黏膠纖維的截面形狀
由圖1可以得知,Bramante纖維的橫截面呈扁平空心狀,表面有溝槽分布,纖維細(xì)度較??;Danufil纖維的橫截面呈花朵狀,表面布有多且深的凹槽,纖維細(xì)度較??;Galaxy纖維的橫截面呈Y形或人字形,表面較規(guī)整,纖維細(xì)度較小;Viloft纖維的橫截面近似矩形,截面四周為波浪形,纖維細(xì)度較小;普通黏膠纖維的橫截面呈橢圓形,截面四周為波浪形,纖維細(xì)度較大。
2.2.2 纖維斷裂強(qiáng)度測(cè)試與分析
纖維斷裂強(qiáng)度采用一次拉伸試驗(yàn),預(yù)加張力0.5 cN/tex,夾持距離20 mm,拉伸速度20 mm/min;5種黏膠纖維的強(qiáng)度如圖2所示。
圖2 5種黏膠纖維的斷裂強(qiáng)度
由圖2可以得知,Galaxy纖維的斷裂強(qiáng)度最高,普通黏膠纖維次之,其余三種纖維較低。
Galaxy纖維的截面形狀為Y形,進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),纖維各角度受力較均勻,不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,因此能承受的拉伸負(fù)荷最大。一般情況下,纖維越粗,其拉伸斷裂強(qiáng)度越高。普通黏膠纖維的細(xì)度較大,因此能承受的拉伸負(fù)荷較大。
2.3 非織造材料試樣性能測(cè)試與分析
2.3.1 均勻性
試樣的均勻性可用試樣厚度及面密度的標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)表示。變異系數(shù)(CV)可按下式計(jì)算:
(1)
式中:R——數(shù)據(jù)均值;S——標(biāo)準(zhǔn)差。 標(biāo)準(zhǔn)差(S)按下式計(jì)算:
(2)
根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算出5種試樣的厚度及質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù),結(jié)果見表3。
表3 試樣的均勻性
注:R1、R2分別為試樣厚度和50 mm×200 mm的試樣質(zhì)量(間接反映面密度指標(biāo))的平均值(面密度=R2×100);S1、S2分別為試樣厚度和試樣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)差;CV1、CV2分別為試樣厚度和試樣質(zhì)量的變異系數(shù)
由表3可以看出,5號(hào)試樣的厚度和面密度的變異系數(shù)都較大,表明普通黏膠纖維制成的試樣的均勻性最差,因?yàn)槠浣孛嫘螤钭罱咏鼒A形,表面雖有溝槽但不是很多,所以纖維在成網(wǎng)時(shí)容易滑移,纖維間抱合力差;2號(hào)試樣的厚度和面密度的變異系數(shù)都較小,說明Danufil纖維制成的試樣的均勻性最優(yōu),因?yàn)槠浣孛嫘螤畛驶ǘ錉?,表面的溝槽多且深,成網(wǎng)時(shí)纖維間抱合力強(qiáng)。
2.3.2 斷裂強(qiáng)力測(cè)試與分析
對(duì)5種試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。
圖3 試樣的斷裂強(qiáng)力
由圖3可知,干態(tài)下,采用Viloft纖維制成的試樣的斷裂強(qiáng)力高于其余四種;Viloft纖維經(jīng)濕法成網(wǎng)后在纖網(wǎng)中呈不規(guī)則三維分布,因其截面形狀為扁平狀,且截面四周為波浪形,因此纖維間抱合力較強(qiáng),能承受的拉伸負(fù)荷也最大。濕態(tài)下,采用Bramante纖維制成的試樣的斷裂強(qiáng)力高于其余四種,但其在干態(tài)下的抗拉伸能力并不出眾,因此,有理由推測(cè)這與水的介入有關(guān)。Bramante纖維的截面為空心形結(jié)構(gòu),當(dāng)其被浸濕后,水進(jìn)入空心部分使纖維膨脹,導(dǎo)致纖維間抱合力增大,因此能承受較大的拉伸負(fù)荷。
2.3.3 吸水率測(cè)試與分析
對(duì)5種試樣進(jìn)行吸水率測(cè)試,結(jié)果見表4。
表4 試樣的吸水率
由表4可知,1號(hào)試樣的吸水率最高,這是因?yàn)锽ramante纖維的橫截面為扁平空心狀;2號(hào)試樣的吸水率次之,這是因?yàn)镈anufil纖維表面具有很多較深的凹槽,水分很容易進(jìn)入并儲(chǔ)存;其余三種試樣的吸水率相對(duì)較低。
2.3.4 可沖散性測(cè)試與分析
試樣的可沖散性利用分散性進(jìn)行表征。將試樣放在裝有300 mL蒸餾水的500 mL燒杯中,用保鮮膜封住杯口,并用橡皮筋將保鮮膜和燒杯固定住,放在THZ-82水浴恒溫振蕩器中,在溫度為35 ℃和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下,以500次/min的頻率振蕩[6],分別在1、2和3 min后觀察試樣在水中的分散情況并拍照(圖4)。
圖4 試樣的可沖散性
由圖4不難看出,2號(hào)試樣的分散情況最好,3號(hào)試樣次之,1號(hào)和4號(hào)試樣有一定的分散性但伴有沉淀,5號(hào)試樣的分散性較差。
由前文可知,Danufil纖維表面具有很多較深的凹槽,這些凹槽可以作為水的流動(dòng)通道,纖維在水中浸濕后,水分很容易滲入纖維內(nèi)部,因此2號(hào)試樣的可沖散性最好;Galaxy纖維的截面呈Y形,成網(wǎng)后纖維間隙較大,水分也較容易進(jìn)入,因此3號(hào)試樣的可沖散性較好;普通黏膠纖維的截面形狀較接近圓形,成網(wǎng)后纖維間隙較小,導(dǎo)致水分不易進(jìn)入,所以5號(hào)試樣的可沖散性最差。
(1) Bramante纖維的橫截面呈扁平空心狀,表面有溝槽分布,纖維細(xì)度較??;Danufil纖維的橫截面呈花朵狀,表面布有多且深的凹槽,纖維細(xì)度較??;Galaxy纖維的橫截面呈Y或人字形,纖維表面較規(guī)整;Viloft纖維的橫截面呈扁平狀,截面四周為波浪形;普通黏膠纖維的橫截面呈橢圓形,截面四周為波浪形,纖維細(xì)度較大。
(2) 當(dāng)黏膠纖維長(zhǎng)度為8 mm,PLA纖維長(zhǎng)度為7 mm,木漿/黏膠纖維質(zhì)量比為5∶4,熱風(fēng)溫度為65 ℃ 時(shí),2號(hào)試樣的均勻性最好;4號(hào)試樣在干態(tài)下的斷裂強(qiáng)力最大,5號(hào)試樣次之;1號(hào)試樣在濕態(tài)下的斷裂強(qiáng)力最大、吸水率最高,Danufil纖維制品次之;2號(hào)試樣的可沖散性最優(yōu),3號(hào)試樣次之。
(3) 在5種不同截面形狀的黏膠纖維中,截面呈花朵狀、表面溝槽多且深的Danufil纖維是制備可沖散材料的最佳選擇。
[1] 徐紅,汪輝,邵志華,等.新型棉混紡熱熔保暖絮片的開發(fā)[C]//雪蓮杯第10屆功能性紡織品及納米技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)論文集. 2010:391-395.
[2] 張傳雄,趙靜,李桂梅,等.全球非織造衛(wèi)生用品市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J].紡織導(dǎo)報(bào),2011(7):89-91.
[3] 唐瑤.可沖散非織造材料的工藝及其分散機(jī)理的研究[D]. 上海:東華大學(xué),2013.
[4] JONES R B,BOYLAN J R,HOBAR B R,et al. 用即棄產(chǎn)品的可沖散性、可分散性和生物降解性的測(cè)定[J].生活用紙,2007(11):41-44.
[5] 高居義,吳海波.可沖散性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.
[6] FATIH K,DREW M,BRUCE R.Development of a mathematical model for physical disintegration of flushable consumer products in wastewater systems[J]. Water Environment Research,2009,81(5):459-465.
Effects of cross-sectional shape of viscose fibers on flushable performance of non-woven materials
ChangJingying1,LiSuying1,ZhangXu1,SunXin2,WangJianjun3
1. School of Textiles,Nantong University,Nantong 226019,China;2. Nantong Well Nonwoven Materials Co.,Ltd., Nantong 226114,China;3. Kelheim Fibres Beijing Office,Beijing 100020,China
Flushable performance of non-woven materials is influenced by the friction between fibers,and the friction between fibers is related to the fiber’s cross-sectional shape. By using wood pulp fibers,viscose fibers,and PLA fibers,non-woven materials with areal densities from 40 to 60 g/m2were prepared through the wet-laying process,and then the effects of cross sectional shape of viscose fibers on flushable performance of non-woven materials were studied. The experimental results showed that when the fiber length of viscose fibers was at 8 mm,the fiber length of PLA fibers was at 7 mm,the weight ratio of wood pulp fibers and viscose fibers was at 5∶4,and the hot air temperature was at 65 ℃,the non-woven materials made of Danufil fibers which had flower-shaped cross-section and many deep trenches on its surface possessed the first-rate flushable performance.
cross-sectional shape,wet-laying process,flushable,non-woven material
*江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目(BY2014081-01)
2015-12-10
常敬穎,女,1990年生,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)榉强椩觳牧系慕Y(jié)構(gòu)及成型機(jī)理與產(chǎn)品開發(fā)
李素英,E-mail: lisy@ntu.edu.cn
TS172
A
1004-7093(2016)10-0026-06