脫漂工藝對(duì)醫(yī)用水刺全棉非織造材料性能的影響

蔣佩林， 俞晶穎， 金平良， 黃 晨， 靳向煜， 李 健

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 上海紡織建筑設(shè)計(jì)研究院， 上海 200060)

脫漂工藝對(duì)醫(yī)用水刺全棉非織造材料性能的影響

蔣佩林1， 俞晶穎1， 金平良2， 黃 晨1， 靳向煜1， 李 健2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 上海紡織建筑設(shè)計(jì)研究院， 上海 200060)

為提高醫(yī)用非織造材料產(chǎn)品的使用性能，采用氫氧化鈉/過氧化氫一步法對(duì)棉纖維進(jìn)行脫脂漂白，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),利用極差分析法,確定最佳脫漂工藝，探討先漂后刺和先刺后漂2種工藝對(duì)醫(yī)衛(wèi)用水刺全棉非織造材料吸水性、白度、強(qiáng)度、柔軟性和透氣性的影響。結(jié)果表明：溫度對(duì)纖維白度和吸水量的影響最大，時(shí)間對(duì)纖維強(qiáng)度的影響最大；使用最佳脫漂工藝參數(shù)得到的水刺全棉非織造材料，其厚度、面密度和斷裂強(qiáng)度有所下降，吸水性明顯上升；最佳脫漂工藝參數(shù)組合為：時(shí)間60 min，浴比1∶30，溫度95 ℃；采用最佳脫漂工藝參數(shù)組合制備的先漂后刺水刺全棉非織造材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率較高，而采用先刺后漂水刺全棉非織造材料的柔軟性、透氣性和吸水性更好。

全棉非織造材料； 醫(yī)療紡織品； 水刺法； 脫脂漂白工藝； 水刺吸水性； 白度

醫(yī)療衛(wèi)生用紡織品是產(chǎn)業(yè)用紡織品的重要組成部分，過去5年，我國在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的成果[1]。中國成為全球醫(yī)療衛(wèi)生用品的主要貿(mào)易國，純棉水刺非織造材料已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)[2-3]。水刺非織造材料可用于加工手術(shù)衣、手術(shù)巾、手術(shù)罩布、傷口敷料、繃帶和止血帶等醫(yī)療制品，以及衛(wèi)生巾、嬰兒紙尿褲、成人失禁墊、濕巾擦布等衛(wèi)生用品[4-6]。傷口敷料、紙尿褲等醫(yī)衛(wèi)用品要求其具有良好的吸收性能(吸液、吸血、止血等)，無毒性，具有親和性等功能[7]。全棉非織造材料用的原料棉纖維具有上述功能，且水刺工藝生產(chǎn)過程無污染，非織造材料表面不掉毛、無灰塵，非常適合制作上述醫(yī)衛(wèi)用品。

醫(yī)衛(wèi)用非織造材料產(chǎn)品對(duì)吸水性有一定的要求，需要對(duì)棉纖維進(jìn)行脫脂。并且棉纖維本身存在伴生物，如依附在纖維表面的脂肪和蠟質(zhì)、果膠物質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類物質(zhì)等，為去除伴生物，也必須進(jìn)行脫脂處理。未經(jīng)脫脂的棉纖維其吸水量僅為本身質(zhì)量的四分之一，而脫脂棉纖維的吸水量是纖維本身質(zhì)量的8倍[8]。醫(yī)衛(wèi)用水刺全棉非織造材料主要有2種制備工藝：一種工藝是先漂后刺，即先將原棉散纖維進(jìn)行脫脂漂白，然后將制備好的脫脂棉進(jìn)行梳理和水刺，得到所需的水刺全棉非織造材料；另一種工藝是先刺后漂，即先將原棉散纖維進(jìn)行梳理和水刺，成布后再對(duì)非織造材料進(jìn)行脫脂漂白，得到最終的水刺全棉非織造材料。

為研究脫漂工藝參數(shù)對(duì)醫(yī)衛(wèi)用水刺全棉非織造材料所用棉纖維性能的影響，本文通過正交試驗(yàn)，主要分析脫漂時(shí)間、浴比和脫漂溫度對(duì)棉纖維強(qiáng)度、白度和吸水性能的影響，確定最佳的脫漂工藝參數(shù)。并且分別采用先漂后刺和先刺后漂這2種制備工藝，分析2種方案對(duì)水刺全棉非織造材料最終性能的影響，為醫(yī)衛(wèi)用水刺全棉非織造材料產(chǎn)品的優(yōu)化與創(chuàng)新提供一定參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及生產(chǎn)設(shè)備

棉纖維(產(chǎn)地新疆)，規(guī)格見表1[9]，由USTER HVI1000測試；BG038-100開松機(jī)、BG058-120大倉混棉箱、BG179-70氣壓棉箱、BG218A-100雙道夫雜亂梳理機(jī)和BG258-60交叉鋪網(wǎng)機(jī)(膠南德峰機(jī)械制造有限公司)；Aquajet Y500-2水刺機(jī)(德國Fleissner公司)；ZK100B型真空干燥箱(上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司)。

表1 棉纖維的物理指標(biāo)及來源Tab.1 Physical index and source of cotton fiber

1.2 脫漂試劑和測試儀器

過氧化氫(H2O2，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；氫氧化鈉(NaOH，平湖化工試劑廠)；Goon1011低溫精練劑和Goon2011氧漂穩(wěn)定劑(嘉宏科技有限公司)。

HH-4數(shù)顯電熱恒溫水浴鍋(常州朗越儀器制造有限公司)；FA2004A電子天平(上海精天電子儀器有限公司)；LLY-01電子硬挺儀(萊州市電子儀器有限公司)；XQ-2纖維強(qiáng)伸度儀(常州朗越儀器制造有限公司)；YG026MB多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)和YG461E全自動(dòng)透氣性測定儀(溫州方圓儀器有限公司)。

1.3 工藝流程

工藝一：原棉→脫脂漂白→開松除雜→梳理→鋪網(wǎng)→水刺→烘干，先漂后刺。

工藝二：原棉→開松除雜→梳理→鋪網(wǎng)→水刺→脫脂漂白→烘干，先刺后漂。

1.4 脫脂漂白試驗(yàn)方案

采用正交試驗(yàn)方法，選取影響脫漂工藝的3個(gè)主要參數(shù)脫漂溫度、脫漂時(shí)間和浴比作為正交試驗(yàn)的3個(gè)因素，各因素取3個(gè)水平，按L9(33)正交表來安排試驗(yàn)，確定最佳的脫漂工藝參數(shù)。在工廠的實(shí)際生產(chǎn)中，脫漂溫度的高低、時(shí)間的長短和浴比都直接關(guān)系到產(chǎn)量的多少。同時(shí)，這3個(gè)因素對(duì)棉纖維的白度、強(qiáng)力和吸水性能都有一定的影響，因此，從生產(chǎn)實(shí)際角度和材料性能方面綜合考慮，合理設(shè)計(jì)各因素的3個(gè)水平，確定最佳工藝參數(shù)。脫脂漂白試驗(yàn)因子水平表如表2所示。

表2 脫脂漂白試驗(yàn)因子水平表Tab.2 Levels of factor coding for degreasing bleaching experiments

1.5 梳理與水刺

為去除纖維中的雜質(zhì)，使纖維平行伸直，達(dá)到后續(xù)水刺加工的纖維網(wǎng)要求，本文試驗(yàn)采用單錫林雙道夫梳理機(jī)對(duì)纖維進(jìn)行梳理成網(wǎng)。梳理參數(shù)如表3所示。

表3 梳理參數(shù)表Tab.3 Carding parameter

水刺法加固纖維網(wǎng)原理是采用高壓產(chǎn)生的多股微細(xì)水射流噴射纖維網(wǎng)。水射流穿過纖維網(wǎng)后，受托持網(wǎng)簾的反彈，再次穿插纖維網(wǎng)，由此，纖維網(wǎng)中纖維在不同方向高速水射流穿插的水力作用下，產(chǎn)生位移、穿插、纏結(jié)和抱合，從而使纖維網(wǎng)得到加固[10]。本文采用平網(wǎng)式水刺加固機(jī)，經(jīng)過3個(gè)水刺頭，其中第1個(gè)水刺頭進(jìn)行預(yù)濕。其水刺工藝流程見圖1所示。水刺加固具體參數(shù)如表4所示。

圖1 水刺工藝流程圖Fig.1 Spunlace process flow chart

壓強(qiáng)/MPa水刺頭1水刺頭2水刺頭3水針距離/mm網(wǎng)簾速度/(m·min-1)2.54.06.0142

1.6 性能測試

1.6.1強(qiáng)力的測試

參照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》對(duì)棉纖維進(jìn)行單纖維強(qiáng)力測試。試驗(yàn)條件為：夾距10 mm；拉伸速度10 mm/min；預(yù)加張力0.1 cN；溫度20 ℃，相對(duì)濕度65%。

參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》對(duì)水刺全棉非織造材料進(jìn)行沿簾網(wǎng)輸出方向(MD)與垂直簾網(wǎng)輸出方向(CD)方的拉伸強(qiáng)力測試，試樣大小為300 mm×50 mm,夾距為200 mm；拉伸線速度為100 mm/min；預(yù)加張力為 1 N。試驗(yàn)條件：溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為65%。

1.6.2白度的測試

參照GB/T 17644—2008《紡織纖維白度色度試驗(yàn)方法》對(duì)棉纖維進(jìn)行白度測試，其原理是利用分光光度法色度儀直接測量一定壓縮密度的試樣在試驗(yàn)盒透射面上的三刺激值X、Y、Z，通過計(jì)算獲得白度值。

1.6.3吸水量的測試

取棉纖維試樣,質(zhì)量為5 g,用水浸泡后取出懸掛30 s稱量,按下式計(jì)算棉纖維吸水率：

式中：m1為干態(tài)質(zhì)量；m2為吸水后質(zhì)量。

水刺全棉非織造材料的吸水量測試參照 GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第6部分：吸收性的測定》，取尺寸為100 mm×100 mm的試樣稱量，放入水中60 s后取出試樣，垂直懸掛試樣120 s后再稱量，按下式計(jì)算吸水量：

式中：mn為調(diào)濕后試樣(或組合試樣)的質(zhì)量，g；mk為吸液后試樣(或組合試樣)的質(zhì)量，g。

1.6.4其他性能測試

2種工藝制備得到的水刺全棉非織造材料的透氣性和柔軟性能分別參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》和GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》進(jìn)行測試。

采用TM-3000型臺(tái)式掃描電子顯微鏡對(duì)原棉纖維、脫脂棉纖維及脫漂前后水刺非織造布表面形貌進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 脫脂漂白正交試驗(yàn)結(jié)果分析

本文試驗(yàn)的直觀分析采用指標(biāo)單個(gè)分析綜合處理法，即多指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果直觀分析時(shí)，對(duì)每一個(gè)試驗(yàn)結(jié)果單個(gè)進(jìn)行分析，得到每個(gè)指標(biāo)的影響因素的主次順序和最佳水平組合，然后根據(jù)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)、試驗(yàn)?zāi)康暮驮噲D解決的實(shí)際問題綜合分析，結(jié)果如表5所示。總體來說，原棉經(jīng)過脫脂漂白后，其白度和吸水量都有明顯提高，單纖維強(qiáng)度與原棉的 3.29 cN/dtex相比有所降低，主要原因是棉纖維表面的脂肪和蠟質(zhì)、果膠物質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類等物質(zhì)被去除。

從單個(gè)指標(biāo)分析可知，影響白度的主次順序?yàn)闇囟?浴比>時(shí)間，最佳水平組合為時(shí)間 60 min，浴比1∶30，溫度95 ℃。影響吸水量的主次順序?yàn)闇囟?浴比>時(shí)間，最佳水平組合為時(shí)間30 min，浴比1∶30，溫度95 ℃。影響單纖維強(qiáng)度的主次順序?yàn)闀r(shí)間>溫度>浴比，最佳水平組合為時(shí)間60 min，浴比1∶30，溫度60 ℃。

表5 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.5 Program and result of orthogonal test

時(shí)間對(duì)脫脂棉的單纖強(qiáng)度影響最大，而對(duì)白度和吸水量的影響較小，因此綜合考慮時(shí)間的最佳水平為60 min；浴比對(duì)白度和吸水量的影響較大，而對(duì)單纖維強(qiáng)度的影響較小，因此綜合考慮浴比的最佳水平為1∶30；溫度對(duì)脫脂棉的白度和吸水量的影響最大，對(duì)單纖維強(qiáng)度的影響也較大，因此綜合考慮溫度的最佳水平為95 ℃。經(jīng)上述綜合分析，最佳水平組合為：時(shí)間60 min，浴比1∶30，溫度95 ℃。因此，在制備醫(yī)衛(wèi)用水刺全棉非織造材料的過程中，將脫脂漂白工藝參數(shù)確定為最佳水平組合。脫漂前后棉纖維由黃色變?yōu)榘咨?/p>

圖2示出脫漂工藝參數(shù)采用最佳水平組合的脫脂棉。由圖可明顯看出，棉纖維在脫漂前后，其天然轉(zhuǎn)曲的結(jié)構(gòu)沒有明顯破壞。

圖2 原棉與脫脂棉纖維的表觀形貌照片F(xiàn)ig.2 Surface morphology graph of raw cotton (a) and cotton after degreasing (b)

2.2 非織造材料性能測試分析

表6示出采用先刺后漂工藝制備得到的水刺全棉非織造材料在脫漂前后基本性能測試結(jié)果。由此可以看出，水刺全棉非織造材料經(jīng)脫漂后(3#、4#)，面密度和厚度都有所下降，原因是經(jīng)過脫脂漂白處理后，棉纖維表面的脂肪和蠟質(zhì)等物質(zhì)被脫漂干凈，伴隨纖維的棉屑和雜質(zhì)也一同被去除。雖然棉纖維在脫脂漂白處理后，纖維本身受到損傷，單纖維斷裂強(qiáng)度有所下降，但是纖維斷裂伸長率有些許上升，同時(shí)，水刺全棉非織造材料脫漂后的橫向(MD)和縱向(CD)方向的斷裂強(qiáng)度有些許增加，其抗彎剛度和透氣率數(shù)據(jù)相差不大，說明采用最佳水平組合的脫漂工藝參數(shù)對(duì)水刺全棉非織造材料的透氣性和柔軟性影響不大。經(jīng)過脫漂后的水刺全棉非織造材料，其吸水性明顯增加。脫漂前的全棉水刺非織造布的布面偏黃，而脫漂后的布面較白。

表6 水刺全棉非織造材料脫漂前后基本性能Tab.6 Basic properties of pure cotton spunlaced nonwovens before and after degreasing and bleaching

圖3示出采用先刺后漂工藝制備得到的全棉水刺非織造布在脫漂前后的電鏡照片，由圖可看出，棉纖維在脫漂前后并未見明顯的損傷，纖維線密度相差不大。

圖3 水刺全棉非織造材料脫漂前后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 Surface morphology graph of pure cotton spunlaced nonwovens before (a) and after (b)degreasing and bleaching

2.3 生產(chǎn)工藝結(jié)果分析

本文試驗(yàn)稱取等量的原棉和脫脂棉纖維(處理時(shí)間為60 min，浴比為1∶30，溫度為95 ℃)，采用相同的梳理水刺工藝參數(shù)，分別得到原棉水刺非織造材料和脫脂棉水刺非織造材料，其中原棉水刺非織造材料再經(jīng)過與脫脂棉處理參數(shù)相同的脫脂漂白處理，得到2種不同工藝下的水刺全棉非織造材料，3#、4#為先刺后漂工藝得到的水刺全棉非織造材料，5#，6#為先漂后刺工藝得到的水刺全棉非織造材料，通過測試對(duì)比了2種工藝下水刺全棉非織造材料的幾項(xiàng)性能如表7所示。由表可看出，采用先刺后漂工藝得到的較高面密度的水刺全棉非織造材料(3#)，面密度和厚度比先漂后刺工藝得到的(5#)要小，且差異明顯。3#與5#相比，3#水刺全棉非織造材料的拉伸斷裂強(qiáng)力明顯小于5#水刺全棉非織造材料。水刺及后漂工藝都是造成其面密度小的因素。脫脂漂白是通過化學(xué)方法除去棉纖維表面脂肪、蠟質(zhì)、果膠以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)的過程，脫脂漂白后棉纖維表面的物質(zhì)中脂肪和蠟質(zhì)的減少會(huì)使纖維表面摩擦力增大，在梳理成網(wǎng)過程中更易發(fā)生纖維間的纏結(jié)，纖維間的結(jié)合更緊密，纖網(wǎng)強(qiáng)力更大，經(jīng)水刺加固后得到的水刺非織造材料的力學(xué)性能更好，梳理成網(wǎng)過程的纖維損失也會(huì)相對(duì)較小，水刺工藝主要依靠水射流穿透纖網(wǎng)使得纖維產(chǎn)生位移、纏結(jié)和抱合，水射流作用于纖維的力是很大的，未經(jīng)脫脂漂白的棉纖維形成的纖網(wǎng)中纖維間的纏結(jié)不如已脫脂漂白的纖維，在水刺過程中纖維會(huì)有一定損失并更易發(fā)生CD方向的位移，纖網(wǎng)幅寬變大使得面密度下降；先刺后漂工藝得到的水刺材料是水刺加固后再進(jìn)行脫脂漂白的，脫脂漂白過程中水刺材料中纖維上的脂肪、蠟質(zhì)、果膠以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)被除去，同樣會(huì)導(dǎo)致材料面密度下降。導(dǎo)致材料厚度的差異與面密度相同。采用先刺后漂和先漂后刺2種工藝得到的較低面密度的水刺全棉非織造材料(4#、6#)，縱橫向斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率差異的影響較小。

表7 2種生產(chǎn)工藝的水刺全棉非織造材料基本性能對(duì)比Tab.7 Specification parameters contrast of pure cotton spunlaced nonwovens produced by different processing technique

但是，對(duì)于非織造材料的柔軟性、透氣性和吸水性而言，采用先刺后漂工藝會(huì)比先漂后刺工藝得到的水刺全棉非織造材料要好。先刺后漂工藝中的脫脂漂白工序是在水刺之后進(jìn)行的，水刺非織造材料在較高溫度下的漂白溶液中經(jīng)過煮煉后材料的結(jié)構(gòu)會(huì)比先漂后刺工藝下得到的水刺非織造材料疏松，孔隙變大，因而彎曲剛度更小、透氣率更大，液體吸收性更好。

圖4示出不同工藝制備的水刺全棉非織造材料的微觀形貌?？煽闯觯捎孟却毯笃苽涞乃倘薹强椩觳牧衔匆娎w維損傷，而采用 先漂后刺制備的水刺全棉非織造材料纖維出現(xiàn)有明顯的折斷現(xiàn)象，說明前者對(duì)纖維的損傷較小，而后者對(duì)纖維損傷較大。棉纖維在經(jīng)過脫脂漂白后，纖維表面脂肪、蠟質(zhì)等物質(zhì)被去除，其強(qiáng)力已經(jīng)受到一部分損傷，當(dāng)將其再進(jìn)行水刺加固時(shí)，在水針壓力的作用下，纖維進(jìn)一步受損，以致出現(xiàn)如圖4(b)中的部分纖維損傷。而對(duì)于采用先刺后漂工藝的水刺全棉非織造材料，棉纖維在受到水針壓力時(shí)，纖維本身并未受損，能夠在水針壓力下保持纖維完整不被破壞，因此，采用先刺后漂制備的水刺全棉非織造材料強(qiáng)度較高，手感柔軟性較好。

圖4 不同工藝制備的水刺全棉非織造材料SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of pure cotton spunlaced nonwovens produced by different processing technique. (a) Spunlaced-to-bleaching; (b) Bleaching-to-spunlacied

3 結(jié) 論

1)用H2O2和NaOH對(duì)棉纖維進(jìn)行脫漂一步法處理，得到的最佳工藝參數(shù)組合為：處理時(shí)間 60 min，浴比1∶30，溫度95 ℃。

2)通過正交試驗(yàn)分析得出，影響纖維白度的主次順序?yàn)闇囟?浴比>時(shí)間，影響纖維吸水量的主次順序?yàn)闇囟?浴比>時(shí)間，影響單纖維強(qiáng)度的主次順序?yàn)闀r(shí)間>溫度>浴比。

3)使用最佳脫漂工藝參數(shù)得到的水刺全棉非織造材料，其厚度、面密度和斷裂強(qiáng)度有所下降，吸水性明顯上升，而對(duì)透氣性和柔軟性影響不大。

4)采用先刺后漂工藝得到的水刺全棉非織造材料的柔軟性、透氣性和吸水性較好，采用先漂后刺工藝得到的水刺全棉非織造材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率較高。

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Influenceofdegreasingandbleachingprocessonperformanceofpurecottonspunlacednonwovensusedformedicaltreatmentandhygiene

JIANG Peilin1， YU Jingying1， JIN Pingliang2， HUANG Chen1， JIN Xiangyu1， LI Jian2

(1.CollegeofTextiles，DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.ShangtexArchitecturalDesignResearchInstitute,Shanghai200060,China)

In order to improve the performance of nonwoven fabric used for medical treatment and hygiene, the optimal degreasing and bleaching process was determined by orthogonal test and range analysis which is studied by NaOH / H2O2one-step method and studied the effects of the bleaching-to-spunlaced and the spunlaced-to-bleaching process on water absorption, whiteness, strength, softness and permeability of the spunlaced nonwoven fabric. The results show that the optimum parameters are as follows: time 60 min, liquor ratio 1∶30, temperature 95 ℃. The effect of temperature on fiber whiteness and water absorption was the most significant, and time had the greatest effect on fiber strength. The thickness, weight and tensile strength of cotton spunlaced nonwoven fabric with the best bleaching parameters decreased, and the water absorption increased significantly. The bleaching-to-spunlaced nonwoven fabric prepared with this parameter combination has higher tensile strength and elongation, and the spunlaced-to-bleaching nonwoven fabric has better softness, permeability and water absorption.

pure cotton nonwovens materials; medical and hygiene textiles; spunlaced method; degreasing and bleaching; water absorption; whiteness

TS 174.8；TS 192.7

A

10.13475/j.fzxb.20161204106

2016-12-23

2017-05-25

蔣佩林(1993—)，女，碩士生。研究方向?yàn)榉强椩觳牧辖Y(jié)構(gòu)與性能。金平良，通信作者，E-mail:jpl_2006@126.com。