熔噴保暖材料的工藝制備與產(chǎn)品性能研究

陳 影，周 蓉，李萌萌

（青島大學(xué)，山東 青島266071）

1 引言

保暖材料是指具有輕而保暖特點(diǎn)的，通常以絮料形式存在的一種填充材料［1］。熔噴非織造材料具有三維網(wǎng)狀的立體結(jié)構(gòu)，使用的材料是超細(xì)纖維，分布均勻，纖網(wǎng)中有很多立體通道，孔隙率高且孔徑小，可使靜止空氣長(zhǎng)久地保留在纖網(wǎng)中，大幅度地增強(qiáng)保暖效果［2－3］。經(jīng)我國(guó)國(guó)家檢測(cè)單位測(cè)定，相同重量的服裝保溫材料中，熔噴法非織造布的保溫效果最好［4］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多單位和個(gè)人開(kāi)發(fā)和研究新型的功能型保暖纖維和保暖材料。天津工業(yè)大學(xué)的石磊等人［5］探究了不同工藝參數(shù)對(duì)熔噴材料性能的影響，并制備了混雜多種材料的熔噴復(fù)合保暖材料；上海工程技術(shù)大學(xué)的劉茜［6］對(duì)比了羊毛、腈綸、木棉及鵝絨4種集合體的保暖性能與透氣性之間的關(guān)系，分析了纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)及集合體的體積密度對(duì)集合體保暖性能的影響；美國(guó)3M公司開(kāi)發(fā)的Thinsulate保暖材料，加入粗特三維卷曲PET纖維，提高了材料的蓬松度［7］。同時(shí)，非織造保暖材料在軍用服裝領(lǐng)域應(yīng)用也十分廣泛，其產(chǎn)品顯現(xiàn)出傳統(tǒng)保暖材料不可比擬的巨大優(yōu)越性［8］。

熔噴法非織造技術(shù)已經(jīng)成為近年來(lái)發(fā)展最快的非織造生產(chǎn)技術(shù)之一［9］，本文以聚丙烯為原料，重點(diǎn)討論了接收距離和熱空氣速度的改變對(duì)材料性能的影響，并且基于纖維卷曲度對(duì)其蓬松性及保暖性的影響，通過(guò)添加側(cè)吹風(fēng)裝置進(jìn)一步探討了提高材料保暖性的工藝。本文的研究將為新型保暖材料的制備提供一個(gè)新的思路。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

熔噴非制造保暖材料制備及性能測(cè)試用到的材料和儀器見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及方案

熔噴法是將高聚物切片通過(guò)螺桿擠壓機(jī)使其熔融，經(jīng)高溫高速氣流牽伸細(xì)化后，形成超細(xì)長(zhǎng)絲，并在氣流作用下凝集到凝網(wǎng)簾或滾筒上，同時(shí)自身粘合，進(jìn)而形成非織造材料的一種方法［10］。圖1是熔噴法非織造布的制備工藝流程。

圖1 熔噴技術(shù)原理

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置三個(gè)方案：方案I只改變接收距離，方案Ⅱ只改變熱空氣速度，方案Ⅲ在熔噴模頭與接收裝置之間加入側(cè)吹風(fēng)裝置，方案參數(shù)設(shè)置如表2。

表2 實(shí)驗(yàn)方案及參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果與討論

3.1 接收距離對(duì)熔噴材料性能的影響

對(duì)方案I的樣品進(jìn)行性能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表3所示。

表3 方案Ⅰ樣品性能參數(shù)

由表3得，當(dāng)接收距離增大時(shí)，纖網(wǎng)的克重變化不大，但厚度增大。有研究［5］表明，熔噴非織造工藝中，接收距離在11cm時(shí)熱空氣速度與纖維速度相等，超過(guò)這個(gè)臨界值后，纖維不再受熱空氣的牽引，纖維直徑也不再減小，故本實(shí)驗(yàn)所選取的接收距離對(duì)克重的影響不大。當(dāng)纖維在逐漸遠(yuǎn)離噴絲孔時(shí)，會(huì)逐步脫離氣流的牽伸力，噴到接收裝置上的纖維雜亂度增大，蓬松度也變大，因此熔噴保暖材料的厚度會(huì)變大。同時(shí)，接收距離的增大，使纖維到達(dá)接收裝置時(shí)速度和溫度都降低，纖維之間的粘合點(diǎn)減少，故纖網(wǎng)的孔徑增大，蓬松度增加，更容易在纖網(wǎng)內(nèi)形成熱量的對(duì)流，使得熔噴纖網(wǎng)的透氣率更好。另外，纖網(wǎng)孔徑增大和蓬松度的增加，使得纖網(wǎng)更容易被壓縮，即壓縮率增大；由于纖維相互之間的粘合力下降，當(dāng)外力作用去除后，纖維相互之間易滑移，所以纖網(wǎng)的壓縮回復(fù)率變差。

圖2 接收距離對(duì)克羅值、傳熱系數(shù)、保溫率的影響

對(duì)樣品保暖性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)接收距離增大時(shí)，一方面由于纖網(wǎng)的雜亂程度和蓬松度增加，在熔噴材料中靜止的空氣變多，所以傳熱系數(shù)減?。涣硪环矫?，由于試樣的厚度增加，散熱更困難，所以纖網(wǎng)的保暖性增強(qiáng)，保溫率和克羅值都增大。

3.2 熱空氣速度對(duì)熔噴材料性能的影響

對(duì)方案Ⅱ的樣品進(jìn)行性能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表4所示。

由表4得，隨著熱空氣速度的提高，牽伸形成的纖維直徑較細(xì)，且單位時(shí)間內(nèi)噴出的纖維數(shù)量增多，故材料的克重呈增大趨勢(shì)，同時(shí)更多更細(xì)更卷曲的纖維使纖網(wǎng)蓬松，孔隙率高，且纖網(wǎng)的無(wú)效孔隙增多，同時(shí)纖網(wǎng)厚度的增加，共同導(dǎo)致了氣流經(jīng)過(guò)纖網(wǎng)內(nèi)部的路程增加，所以透氣性能下降。

熱空氣速度的提高使纖維直徑變細(xì)數(shù)量增多，同時(shí)纖維剛性下降，纖網(wǎng)蓬松度提高，故壓縮性能增強(qiáng)；纖維剛性的下降也使其形變回復(fù)性能變差，即壓縮回復(fù)性下降。

表4 方案Ⅱ樣品性能參數(shù)

對(duì)樣品保暖性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)熱空氣速度增大時(shí)，纖網(wǎng)蓬松度提高，孔隙率增大，厚度增大，使材料的保溫率和克羅值變大，傳熱系數(shù)減小，即保暖性能增強(qiáng)。

圖3 熱空氣速度對(duì)克羅值、傳熱系數(shù)、保溫率的影響

3.3 側(cè)吹風(fēng)對(duì)熔噴材料性能的影響

對(duì)方案Ⅲ的樣品進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如表5所示，其中樣品10與樣品6、樣品11與樣品8除側(cè)吹風(fēng)條件不同外，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)完全相同，具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

由表5得，添加側(cè)吹風(fēng)裝置后，材料的克重、厚度增大，透氣性減小，保暖性能有小幅提高。原因是在纖維從熔噴模頭中噴出到接收裝置時(shí)加入側(cè)吹風(fēng)，使纖維在落到接收裝置前發(fā)生不同方向的卷曲，使形成的纖網(wǎng)更蓬松且厚度增大，克重也增大，纖維卷曲增大可以使纖網(wǎng)的空隙增多從而使孔隙率增大，纖網(wǎng)空隙的增多使空氣流經(jīng)纖網(wǎng)的路徑加長(zhǎng)，空氣不易通過(guò)纖網(wǎng)，透氣率減小，同時(shí)意味著可以儲(chǔ)存更多的靜止空氣，使材料的保暖性能增強(qiáng)。

表5 方案Ⅲ樣品性能參數(shù)

4 結(jié)論

熔噴纖網(wǎng)的保暖性能受到制備工藝參數(shù)影響較大。接收距離增大時(shí)，纖維雜亂度和蓬松度增大，材料克重變化不大，厚度增大，透氣性增強(qiáng)，纖網(wǎng)被壓縮的程度越大，但是壓縮回復(fù)率降低，熔噴纖網(wǎng)的保暖性變好；熱空氣速度增大時(shí)，纖維直徑減小，形成纖網(wǎng)的空隙增多，靜止空氣含量也增多，材料克重增大，厚度增大，透氣性減小，壓縮率提高，壓縮回復(fù)率下降，保暖性變好；在纖維成網(wǎng)之前加入側(cè)吹風(fēng)，會(huì)使纖維卷曲增加，纖維在不同方向的雜亂程度增加，可以使材料的克重增大，厚度增大，透氣性減小，保暖性增加。隨著技術(shù)的完善，生產(chǎn)加工工藝的成熟，相信在不久的將來(lái)，更加保暖舒適的功能性保暖材料將會(huì)進(jìn)入人們的生活。