納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料開發(fā)

1. 福建省產(chǎn)業(yè)用紡織品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 南平 353000；2. 福建省合成革基布與非織造布新材料工程研究中心,福建 南平 353000；3. 福建南紡有限責(zé)任公司,福建 南平 353000

目前，市場(chǎng)上對(duì)具有潔面功能的面膜的期望較大，具有吸附功能的超細(xì)纖維面膜越來越受追捧。用超細(xì)纖維制成的面膜，具有比較復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的毛細(xì)效應(yīng)，其吸附功能比普通棉面膜強(qiáng)，能吸收較多的液體。超細(xì)纖維的單絲細(xì)度比真絲和其他天然纖維都小，彎曲模量低，因此制得的面膜手感柔軟、細(xì)膩。此外，超細(xì)纖維的比表面積大，相同線密度的超細(xì)纖維束表面積約為常規(guī)纖維束的兩倍，這提高了面膜的蓬松性、覆蓋性和吸收能力。因此，開發(fā)出比普通面膜材料具有更強(qiáng)吸附功能的納米化超細(xì)纖維面膜材料有遠(yuǎn)大的市場(chǎng)前景。本文介紹納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料的開發(fā)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐。

1 納米化海島纖維

海島纖維是將一種聚合物在纖維截面中以“島”的狀態(tài)分散于另一種聚合物(相當(dāng)于“?！?中形成的，前者稱為“島”組分，后者稱為“?！苯M分。常規(guī)海島纖維經(jīng)堿減量后，“?！苯M分被溶除，“島”組分則開纖形成超細(xì)纖維，其單絲纖度約0.05 den(約0.056 dtex)[1]。本文中的納米化海島纖維，其“島”組分開纖后形成的超細(xì)纖維的單絲纖度約0.002 den(約0.022 dtex)，相當(dāng)于直徑200 nm；兩種組分分別采用聚乳酸和聚酰胺，其中堿溶性的聚乳酸為“?！苯M分，聚酰胺為“島”組分。常規(guī)海島纖維的“?！迸c“島”組分在纖維軸向呈連續(xù)、密集、均勻分布；本文中的納米化海島纖維，其“島”組分在纖維軸向呈間斷、隨機(jī)分布，屬于不定島型海島纖維。

1.1 納米化海島纖維材料的特點(diǎn)

納米化海島纖維織成織物后，經(jīng)堿減量處理溶解掉“?！苯M分，使織物中的單絲直徑減小為200 nm左右，并形成多層次結(jié)構(gòu)，海島絲浮在織物表面，其細(xì)絨毛間互相纏結(jié)，賦予織物超柔軟細(xì)膩的手感，具有優(yōu)異的貼膚舒適性，而且織物表面的反光點(diǎn)小，光澤、色澤更加柔和，外觀細(xì)潔、精致[2]。由于纖維間孔徑小且孔隙率高，具有良好的毛細(xì)效應(yīng)，大大提升了產(chǎn)品的吸水、吸油性，具有良好的潔面清膚作用。同時(shí)，纖維間的微孔結(jié)構(gòu)能保留更多的靜止空氣在纖維集合體中，因此具有很好的隔熱保暖性能。

1.2 納米化海島纖維生產(chǎn)性能分析

由于納米化海島纖維的組分特點(diǎn)，在后道加工生產(chǎn)中容易出現(xiàn)靜電黏附現(xiàn)象，這對(duì)纖維輸送、梳理成網(wǎng)都會(huì)產(chǎn)生一定的不良影響。因此，綜合考慮可紡性的各個(gè)要素，在開松混合中通過油劑自動(dòng)添加系統(tǒng)消除靜電，合理配置梳理機(jī)針布型號(hào)和隔距。

2 納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文開發(fā)的納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料由三層纖網(wǎng)復(fù)合而成，其中上、下兩個(gè)表層均采用由納米化海島纖維制成的纖網(wǎng),其面密度均為30 g/m2；中間層作為功能性芯層，選擇保水性好、富有彈性的錦綸制成的纖網(wǎng),其面密度為60 g/m2。利用水刺工藝將三層纖網(wǎng)復(fù)合，制成面密度為120 g/m2的復(fù)合纖網(wǎng)，然后再進(jìn)行堿減量處理，得到面密度為90 g/m2的納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料，其上、下兩個(gè)表層的纖維直徑為納米尺度，因此表層的毛細(xì)效應(yīng)顯著，可賦予產(chǎn)品更強(qiáng)的吸附效果，以達(dá)到潔面功能[3-5]。納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—芯層(錦綸纖網(wǎng)，面密度60 g/m2)；2,3—表層(納米化海島纖維纖網(wǎng)，面密度30 g/m2)圖1 納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意

3 水刺生產(chǎn)設(shè)備和工藝設(shè)計(jì)

目前，堿減量技術(shù)已較成熟，可利用常規(guī)海島纖維的堿減量后處理工藝。在納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料的開發(fā)過程中，關(guān)鍵是如何將三層纖網(wǎng)較好地復(fù)合，以及水刺生產(chǎn)設(shè)備的改造和工藝設(shè)計(jì)。

3.1 復(fù)合加工思路

結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)條件，集約化選擇工藝路線，確保工藝路線最優(yōu)。目前有雙梳理交叉型水刺生產(chǎn)線，不同原料需使用不同梳理機(jī)進(jìn)行加工，因此需兩套喂料開松聯(lián)合機(jī)。通過兩步法實(shí)現(xiàn)三層纖網(wǎng)的復(fù)合：第一步，采用兩套喂料開松聯(lián)合機(jī)，分別給羅拉式雜亂梳理機(jī)1和羅拉式雜亂梳理機(jī)2供料，制備雙層結(jié)構(gòu)卷材(面密度90 g/m2)，其中納米化海島纖維纖網(wǎng)面密度為30 g/m2、錦綸纖網(wǎng)面密度為60 g/m2(圖2)；第二步，采用喂料開松聯(lián)合機(jī)給羅拉式雜亂梳理機(jī)2供料，制備納米化海島纖維纖網(wǎng)(面密度30 g/m2)，同時(shí)，雙層結(jié)構(gòu)卷材由退卷裝置平整退出，并與納米化海島纖維纖網(wǎng)疊合，經(jīng)水刺加工，得到納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料(圖3)。

圖2 第一步工藝流程示意

圖3 第二步工藝流程示意

3.2 關(guān)鍵工藝路線設(shè)計(jì)及其設(shè)備改造技術(shù)

3.2.1 開清系統(tǒng)工藝路線及其設(shè)備改造

采用兩套開清系統(tǒng)分別供應(yīng)兩臺(tái)梳理機(jī)的工藝路線，完成第一步加工。在現(xiàn)有開清系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一臺(tái)喂料開松聯(lián)合機(jī)，并在管道中加裝一個(gè)三通管道閥門，與羅拉式雜亂梳理機(jī)2的精開松部分的輸料管連接。開清系統(tǒng)工藝路線及設(shè)備如圖4所示。

圖4 開清系統(tǒng)工藝路線及設(shè)備示意

3.2.2 開清工序油劑添加裝置的改造設(shè)計(jì)

為了改善纖維原料的可紡性，減少靜電黏附現(xiàn)象，在粗開松的出口處加裝油劑添加裝置，其主要結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)加油管道，并配以加油劑噴頭、加油管、水泵、調(diào)壓閥、電磁閥等組成。通過電磁閥從粗開松的喂料輥獲取聯(lián)動(dòng)信號(hào)：喂料時(shí)噴出油劑至輸棉管道內(nèi)與纖維結(jié)合，喂料停止時(shí)則停止噴出油劑；同時(shí)，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥的壓力可控制油劑的添加量。油劑添加裝置如圖5所示。

3.2.3 雙層結(jié)構(gòu)卷材制備工藝

3.2.3.1 梳理成網(wǎng)工藝

梳理成網(wǎng)工藝在雙錫林雙道夫梳理機(jī)(圖6)上完成。

圖5 油劑添加裝置

1—喂入羅拉；2—刺輥；3—預(yù)分梳機(jī)構(gòu)；4—?jiǎng)內(nèi)≥仯?—工作輥；6—主錫林；7—上道夫；8—下道夫；9—上凝聚輥(1,2)；10—下凝聚輥(1,2)；11—?jiǎng)兠蘖_拉圖6 雙錫林雙道夫梳理機(jī)

為了更好地進(jìn)行納米化海島纖維及錦綸的梳理成網(wǎng)加工，調(diào)整梳理機(jī)上各輥之間的隔距，各工作輥與主錫林之間的隔距按從大到小的原則配置，以提升梳理效果。同時(shí)，為了改善梳理飛花和纖維黏附返花問題，更換了工作輥針布，采用貝卡爾特公司的VH20/360/55 SiroLock針布，增強(qiáng)了分梳和握持能力且不影響剝?nèi)⌒Ч?；羅拉式雜亂梳理機(jī)的第一凝聚輥針布做了更換，采用貝卡爾特公司的P100/360/50 F4針布，降低了纖維的駐留能力，減少了纖維黏附返花現(xiàn)象。

對(duì)梳理成網(wǎng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，納米化海島纖維梳理的主錫林速度約900 m/min，錦綸梳理的主錫林速度約1 450 m/min。梳理機(jī)上的其他工藝參數(shù)根據(jù)纖維成網(wǎng)情況及面密度分配進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3.2 水刺工藝

在雙層結(jié)構(gòu)卷材的制備中，水刺工藝的設(shè)定很重要，既要保證雙層結(jié)構(gòu)卷材有一定的強(qiáng)度，使其能夠順利成卷和退卷；同時(shí)要使雙層結(jié)構(gòu)卷材有足夠的蓬松度，便于后續(xù)的復(fù)合加工。根據(jù)這一原則，選用不同水刺壓力組合進(jìn)行試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了五個(gè)方案(表1)。

表1 水刺壓力組合設(shè)計(jì)方案

對(duì)得到的雙層結(jié)構(gòu)卷材進(jìn)行試用評(píng)估，結(jié)合纖網(wǎng)松緊度及實(shí)際退卷情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：方案a、b得到的雙層結(jié)構(gòu)卷材表面較毛，退卷時(shí)抗拉強(qiáng)力偏低；方案e得到的雙層結(jié)構(gòu)卷材表面較緊實(shí)，這不利于后續(xù)的復(fù)合加工；方案c、d得到的雙層結(jié)構(gòu)卷材松緊度與抗變形能力適中，從實(shí)際退卷情況看，方案d優(yōu)于方案c。因此，確定采用方案d的水刺壓力制備雙層結(jié)構(gòu)卷材。

3.2.4 復(fù)合工藝與設(shè)備

得到雙層結(jié)構(gòu)卷材后，要通過退卷裝置使其平整地退繞出來，再與羅拉式雜亂梳理機(jī)2輸出的納米化海島纖維纖網(wǎng)重疊，進(jìn)入水刺機(jī)復(fù)合，形成三層結(jié)構(gòu)纖網(wǎng)，即納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料。因此，在第二步的復(fù)合加工中，退卷及復(fù)合工藝是關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.4.1 退卷裝置機(jī)構(gòu)

退卷裝置由兩個(gè)支架組成，兩個(gè)支架上分別擺放一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)卷材。雙層結(jié)構(gòu)卷材用氣脹軸作為軸芯，通過行車吊放到支架上。每根氣脹軸的固定位置兩端有一組電機(jī)和減速機(jī)，電機(jī)自帶編碼器。當(dāng)一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)卷材退卷時(shí)，可將另一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)卷材的頭端牽拉至接布臺(tái)處，用膠帶黏合，備用。當(dāng)一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)卷材退卷至其直徑達(dá)到一定值時(shí)，另一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)卷材開始退卷，同時(shí)延遲計(jì)時(shí)；待另一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)卷材上退卷出來的纖網(wǎng)行進(jìn)至接布臺(tái)處，接布臺(tái)上的夾頭夾緊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接布，完成兩個(gè)雙層結(jié)構(gòu)卷材的自動(dòng)換卷。退卷裝置機(jī)構(gòu)所圖7所示。

圖7 退卷裝置機(jī)構(gòu)示意

3.2.4.2 退卷張力控制

在雙層結(jié)構(gòu)卷材與納米化海島纖維纖網(wǎng)的復(fù)合加工中，雙層結(jié)構(gòu)卷材的退卷速度與納米化海島纖維纖網(wǎng)的輸送速度的控制很關(guān)鍵。輸送速度慢會(huì)形成縱向條紋，輸送速度快則會(huì)形成橫向條紋。因此，必須保證退卷裝置的電機(jī)速度與羅拉式雜亂梳理機(jī)2的輸送長(zhǎng)簾速度相匹配，確保雙層結(jié)構(gòu)卷材與納米化海島纖維纖網(wǎng)的張力適當(dāng)，復(fù)合時(shí)表面平整。采用環(huán)狀張力傳感器，將其安裝在退卷裝置的張力控制輥的兩端，取羅拉式雜亂梳理機(jī)2的輸送長(zhǎng)簾速度信號(hào)，通過固定牽伸方式，設(shè)定退卷裝置電機(jī)速度與輸送長(zhǎng)簾電機(jī)速度的比值。通過環(huán)狀張力傳感器的調(diào)節(jié)作用，雙層結(jié)構(gòu)卷材的退卷速度與納米化海島纖維纖網(wǎng)的輸送速度的比值始終保持穩(wěn)定，保證了雙層結(jié)構(gòu)卷材的退卷張力與納米化海島纖維纖網(wǎng)的輸送張力一致。

3.2.4.3 水刺夾持機(jī)構(gòu)

選擇Fleissner公司的Aquajet水刺機(jī)進(jìn)行復(fù)合加工，利用位于纖網(wǎng)入口處的雙簾夾持預(yù)濕機(jī)[圖8(a)]，使雙層結(jié)構(gòu)卷材與納米化海島纖維纖網(wǎng)平整地預(yù)濕、纏結(jié)，保證表面平整。[圖8(b)]所示為Aquajet水刺機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖8 雙簾夾持預(yù)濕機(jī)和Aquajet水刺機(jī)結(jié)構(gòu)示意

3.2.4.4 水刺工藝

雙層結(jié)構(gòu)卷材與納米化海島纖維纖網(wǎng)疊合后，再經(jīng)水刺復(fù)合，得到三層結(jié)構(gòu)纖網(wǎng)，即納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料。與“3.2.3.2”節(jié)相同，選用不同水刺壓力組合進(jìn)行試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了五個(gè)方案(表2)。

對(duì)得到的納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料進(jìn)行觀察，比較發(fā)現(xiàn)：方案a、b、c得到的納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料的表面復(fù)合效果偏差；方案d、e得到的納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料的表面復(fù)合效果較好，但方案e的水刺壓力較大，復(fù)合材料表面易出現(xiàn)水針痕。因此，確定采用方案d的水刺壓力組合進(jìn)行水刺復(fù)合加工。

表2 水刺壓力組合設(shè)計(jì)方案

3.2.5 其他設(shè)備

水刺復(fù)合后，還有烘干、成卷等工序，其中烘干采用熱風(fēng)穿透烘干設(shè)備，以保證良好的烘燥效率；成卷采用轉(zhuǎn)鼓表面卷繞式全自動(dòng)卷繞機(jī)。

4 堿減量效果

圖9所示為在電鏡下觀察得到的幾種納米化海島纖維的表面形貌，其中(a)為未經(jīng)堿減量處理的納米化海島纖維的表面形貌，(b)為經(jīng)堿減量處理的納米化海島纖維的表面形貌。對(duì)比可知，海島纖維經(jīng)堿減量處理后，纖維纏繞結(jié)構(gòu)和內(nèi)部孔隙基本不發(fā)生改變，但纖維表面形態(tài)發(fā)生了較大變化。在堿劑作用下，海島纖維中的“?！苯M分發(fā)生溶解，因此，纖維表面呈微細(xì)的絨毛結(jié)構(gòu)，原來的微米級(jí)單根纖維成為諸多納米化纖維束，使得纖維比表面積增大、孔隙增加。因此，本文開發(fā)的納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料的正反面(即上下表層，均為納米化海島纖維纖網(wǎng))柔軟、細(xì)膩，觸感舒適，且具有豐富的細(xì)密微孔，形成了多層孔隙結(jié)構(gòu)，獲得了優(yōu)良的吸附效果；中間芯層是富有彈性的錦綸纖網(wǎng)，其賦予納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料良好的塑形效果及良好的保水能力[6-8]，是高端面膜、鼻膜、眼膜、手指膜等產(chǎn)品的理想材料。

(a) 未經(jīng)堿減量處理

(b) 經(jīng)堿減量處理

5 結(jié)束語

通過對(duì)現(xiàn)有水刺生產(chǎn)線中開清系統(tǒng)的改造，實(shí)現(xiàn)了兩種不同纖維原料的分層梳理成網(wǎng)。通過梳理隔距的合理調(diào)整和部分針布的優(yōu)化選型，確保了納米化海島纖維梳理成網(wǎng)質(zhì)量。通過油劑添加裝置的補(bǔ)充，改善了纖維原料的可紡性。自主設(shè)計(jì)了帶自動(dòng)張力控制機(jī)構(gòu)的退卷裝置，實(shí)現(xiàn)了雙層結(jié)構(gòu)卷材與納米化海島纖維纖網(wǎng)疊合時(shí)張力一致。采用創(chuàng)新工藝——兩步法制備三層結(jié)構(gòu)的納米化海島纖維/錦綸復(fù)合材料，達(dá)到了復(fù)合材料兩面孔隙多、毛細(xì)效應(yīng)好、吸附能力強(qiáng)、潔膚功能優(yōu)等效果。