拒水親油PET/ES針刺非織造布的制備及性能研究*

1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州215123；2.江蘇省蘇州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 蘇州215006；3.蘇州貝彩納米科技有限公司，江蘇 蘇州 215104

當(dāng)今原油泄漏和工廠含油廢水排放對(duì)海洋、河流環(huán)境造成了很大的影響，給人類環(huán)境帶來威脅。拒水親油材料具有特殊的潤(rùn)濕性能，能夠吸收水中的油性液體，而不吸收多余的水，促使水油分離，從而起到凈化水源的作用。

利用拒水親油材料來處理油污問題是一種低成本、高效率的方法，以紡織品為基底構(gòu)建拒水親油表面，提升了紡織品的應(yīng)用價(jià)值[1]。近年來非織造技術(shù)發(fā)展迅猛，相比傳統(tǒng)織造方法，其制備工藝流程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)速度快，產(chǎn)量高。合成纖維大分子主鏈上主要是親油性的有機(jī)基團(tuán)，缺乏一定數(shù)量的親水基團(tuán)，與各類油性分子有較好的相似相溶性，具有一定的疏水性和親油性。

本文以聚酯(PET)纖維和聚乙烯/聚丙烯(ES)復(fù)合纖維為原料，以針刺加工工藝制備PET/ES非織造布。PET纖維和ES纖維都屬于合成纖維，吸濕性差，且聚酯、聚丙烯、聚乙烯都是大分子非極性結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度高，不含親水基團(tuán)，故有一定的拒水效果[2-3]。同時(shí)ES雙組分纖維有獨(dú)特的熱黏合特性，在熱處理?xiàng)l件下可與其他材料發(fā)生黏合，形成纖維增強(qiáng)材料。拒水整理選用的HOLPOSON?ECO-0C無氟防水劑是不含氟系的綠色環(huán)保型單防整理劑，無氟防水劑能降低織物的表面張力，使其低于水而高于油。因此無氟防水劑只能賦予織物防水功能，而對(duì)織物的親油功能無影響。同時(shí)，本文還通過在拒水整理前對(duì)PET/ES針刺非織造布進(jìn)行熱烘或者不熱烘處理，探究了熱烘對(duì)非織造布拒水親油性能的影響，比較了處理前后非織造布的接觸角、吸油率等參數(shù)，并分析了熱烘、無氟防水劑濃度、改性方法等因素對(duì)非織造布拒水性和吸油性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

原料：PET纖維、ES纖維均為市購(gòu)；無氟防水劑(HOLPOSON?ECO-0C)，浙江福爾普生新型材料有限公司生產(chǎn)；含油廢水為實(shí)驗(yàn)室自制，具體制備方法：先將1 000 mL去離子水倒入燒杯中，然后緩緩倒入250 mL煤油，用磁力攪拌器在60 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌10 min后靜置30 min，使水油充分混合，備用。

儀器及設(shè)備：針刺生產(chǎn)線(常熟萬龍機(jī)械有限公司)，Instron 5967型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)Instron公司)，OCA50型全自動(dòng)視頻接觸角測(cè)試儀(美國(guó)Dataphysics公司)，TM3030型臺(tái)式掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)，84-1型磁力攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)，Adventurer型電子天平(美國(guó)奧豪斯儀器有限公司)，WGLL-125BE型烘箱(天津市泰斯特儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 PET/ES針刺非織造布的制備

按不同質(zhì)量比充分混合PET纖維和ES纖維，PET/ES的共混比設(shè)置為100/0、 75/25、 50/50、 25/75、 0/100共5種。針刺工藝流程：PET/ES纖維開松混合→梳理成網(wǎng)→鋪網(wǎng)→預(yù)針刺→主針刺(為了增加非織造布的強(qiáng)力，將預(yù)針刺后的材料對(duì)疊進(jìn)行主針刺，電源頻率設(shè)置為13 Hz)→PET/ES針刺非織造布。

1.2.2 拒水親油PET/ES針刺非織造布的制備

試驗(yàn)前對(duì)5種不同纖維共混比的非織造布進(jìn)行取樣，取出一部分試樣放入烘箱進(jìn)行120 ℃、60 min的熱烘處理。

分別用不同濃度的無氟防水劑對(duì)經(jīng)過熱烘和沒有經(jīng)過熱烘處理的試樣進(jìn)行拒水整理。拒水整理工藝流程：PET/ES針刺非織造布→二浸二軋(制備濃度分別為50、60 和70 mL/L的無氟防水劑溶液，將試樣在混合溶液中浸泡30 s使樣品充分浸濕，臺(tái)式軋車上氣壓值設(shè)置為1.8 kPa，帶液率為230%)→60 ℃烘箱中烘干。

1.3 表征方法

1.3.1 外觀形貌

用TM3030型臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀察PET/ES針刺非織造布的外觀形貌。

1.3.2 拉伸性能

用Instron 5967型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試非織造布的拉伸性能，準(zhǔn)備5.0 cm×2.5 cm的長(zhǎng)方形條狀試樣3～5塊，測(cè)量結(jié)果取平均值。設(shè)置夾距為3.0 cm，預(yù)加載荷為2 N，拉伸速度為50 mm/min。

1.3.3 拒水親油性能分析

(1) 接觸角。用視頻接觸角測(cè)試儀測(cè)量試樣的水接觸角。將試樣用雙面膠固定在載玻片上，使試樣平鋪整齊、厚度相同；再將試樣放在置物臺(tái)上，在試樣上滴下3 μL的液滴，用視頻接觸角測(cè)試儀拍攝出水滴在試樣上的圖像，并用實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)出試樣的水接觸角。

(2) 吸油率。準(zhǔn)備5.0 cm×5.0 cm的試樣3～5塊，稱量，在培養(yǎng)皿中倒入50 mL含油污水，將含油污水的油水體織比控制在1∶4；將試樣放入培養(yǎng)皿中進(jìn)行吸油，靜置30 min后取出，靜置于濾網(wǎng)上5 min，直至無含油污水滴落。稱量，根據(jù)下式計(jì)算吸油率：

式中：m1——吸油前試樣的質(zhì)量，g；

m2——吸油后試樣的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 PET/ES針刺非織造布表面拒水親油性能的構(gòu)建

從改變接觸角大小出發(fā)，構(gòu)建拒水親油材料需具備兩個(gè)條件，即材料表面有微納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能[4]。根據(jù)Wenzel理論，對(duì)于具有疏水性且水滴的接觸角大于90°的表面，粗糙度越大，則接觸角越大，拒水性能越好；若在同一表面，油的接觸角小于90°，則粗糙度增大后，油滴的接觸角接近0°，說明該表面的親油性很好[5]。PET/ES針刺非織造布表面本身呈現(xiàn)一定的粗糙度，本文用無氟防水劑對(duì)該非織造布進(jìn)行拒水整理，通過在纖維表面涂覆低表面能的無氟防水劑和對(duì)纖維之間的空隙進(jìn)行填充，從而降低非織造布的表面張力，使其具有一定的拒水效果[6]。

PET纖維和ES纖維本身的吸濕性差，PET大分子除了兩端的醇羥基之外無其他極性基團(tuán)，ES雙組分纖維無論是聚丙烯還是聚乙烯，大分子都是非極性結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度高，不含親水基團(tuán)，其分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。未經(jīng)處理的PET/ES針刺非織造布的水接觸角均在110°左右，具有一定的拒水效果。經(jīng)無氟防水劑整理的PET/ES針刺非織造布，纖維與纖維交叉處、纖維表面涂覆有無氟防水劑，無氟防水劑在非織造布表面的作用形式如圖1所示，陰影部分為 HOLPOSON?ECO-0C 無氟防水劑。

圖1無氟防水劑在PET/ES針刺非織造布表面的作用形式

2.2 外觀形貌

試驗(yàn)所制得的拒水親油PET/ES針刺非織造布的面密度為390～750 g/m2，厚度約6 mm。采用掃描電子顯微鏡對(duì)所制備的拒水親油非織造布中的纖維形貌進(jìn)行觀察，圖2和圖3為PET/ES(50/50)針刺非織造布的表面形貌。由圖可見，PET纖維和ES纖維有效地纏結(jié)在一起，且纖維形貌清晰完整，只有少量纖維出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，經(jīng)過120 ℃熱烘處理的非織造布表面無明顯差別。無氟防水劑附著在纖維上并且纖維之間仍然存在大的空隙，分散良好的無氟聚合物形成覆蓋物以防止纖維吸水。由于產(chǎn)品厚度、密度、熱烘溫度等影響，從圖中可看出部分ES熱熔纖維產(chǎn)生了黏合現(xiàn)象。

2.3 拉伸性能

工業(yè)廢水廢油、印刷廢水、石油溢油等是主要的環(huán)境污染源，油水分離材料的主要任務(wù)就是解決這類污染問題。油水分離材料必須具有一定的力學(xué)穩(wěn)定性、耐久性等，能用于各種惡劣環(huán)境中，因此，材料的拉伸性能是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。表1為無氟防水劑濃度、熱烘及PET/ES纖維共混比對(duì)針刺非織造布拉伸斷裂強(qiáng)力的影響。

(a) 放大30倍

(b) 放大100倍

(a)放大30倍

(b) 放大100倍

表1 無氟防水劑濃度、熱烘及PET/ES纖維共混比對(duì)PET/ES針刺非織造布拉伸斷裂強(qiáng)力的影響 (單位：N)

由表1可知：熱烘后再拒水整理的非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力明顯高于未熱烘非織造布；PET/ES纖維共混比對(duì)非織造布的強(qiáng)力沒有顯著影響。因?yàn)镋S纖維受熱后拉伸斷裂強(qiáng)力增大，熱烘處理使非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力提高，當(dāng)PET/ES纖維共混比為50/50時(shí)，熱烘對(duì)拉伸斷裂強(qiáng)力的影響最大。

2.4 接觸角

接觸角是判斷非織造布潤(rùn)濕性能的指標(biāo)，接觸角越大，非織造布的潤(rùn)濕性能越差，即非織造布的吸水性越差，拒水性越好。一般來說，當(dāng)水接觸角大于150°且接觸角滯后小的表面稱為超疏水表面。當(dāng)水接觸角達(dá)到135°時(shí)，非織造布便具有良好的拒水性能。由圖4和圖5可以看出：當(dāng)水滴落在拒水處理后的非織造布上時(shí)，接觸角都較大，非織造布沒有將水滴吸收；在未處理非織造布上滴下水滴時(shí)，接觸角明顯小于經(jīng)拒水處理的非織造布。

圖4 無氟防水劑濃度對(duì)水接觸角的影響

(a) 整理前

(b) 整理后

圖5 70 mL/L無氟防水劑整理前后的水接觸角

2.4.1 PET/ES纖維共混比對(duì)水接觸角的影響

PET/ES纖維共混比不同時(shí)，非織造布的水接觸角不同。當(dāng)PET/ES纖維共混比為100/0時(shí)，試樣的水接觸角最小，即試樣的拒水性能最差。當(dāng)PET/ES纖維共混比為50/50時(shí)，試樣的水接觸角達(dá)到最大，即非織造布的拒水性能最好。

2.4.2 無氟防水劑濃度對(duì)水接觸角的影響

PET/ES針刺非織造布的水接觸角隨著無氟防水劑濃度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)無氟防水劑濃度為70 mL/L時(shí)，PET/ES針刺非織造布的水接觸角最大，拒水性能最好(圖5)。

2.4.3 熱烘處理對(duì)接觸角的影響

在用無氟防水劑對(duì)非織造布拒水整理前進(jìn)行熱烘，水接觸角明顯增大(圖6)，說明熱烘處理提高了非織造布的拒水性能。

圖6 熱烘后再拒水整理的非織造布的水接觸角

2.5 吸油性能

由于未處理和只經(jīng)過熱烘處理的非織造布的水接觸角較小，具有一定的吸水性。在吸油試驗(yàn)中，吸收的液體可能包含水和油兩種成分，對(duì)吸油后試樣的質(zhì)量測(cè)定不具有準(zhǔn)確性。所以在研究吸油性能時(shí)，本文將著重研究只經(jīng)過拒水整理和先熱烘再拒水整理的兩組非織造布。

2.5.1 PET/ES纖維共混比對(duì)吸油率的影響

圖7為無氟防水劑濃度對(duì)試樣吸油率的影響。從圖7可以看出:當(dāng)原料組成僅為PET纖維或者ES纖維時(shí)，所制得的針刺非織造布經(jīng)拒水整理后，其吸油率明顯小于PET/ES共混針刺非織造布；當(dāng)PET纖維和ES纖維質(zhì)量比相同時(shí)，試樣的吸油率最大，油滴滴落到試樣上后，浸潤(rùn)速度較快，基本看不出接觸角(圖8)。PET纖維和ES纖維混合制作的非織造布的吸油性能好于單一纖維非織造布的吸油性能。

圖7 無氟防水劑濃度對(duì)試樣吸油率的影響

圖8 PET/ES(50/50)非織造布的油接觸角

2.5.2 熱烘處理對(duì)吸油率的影響

圖9為PET/ES纖維共混比為50/50時(shí)非織造布的吸油率。由圖9可知，在其他條件相同的情況下，熱烘后再經(jīng)拒水整理的非織造布的吸油率大于未熱烘的非織造布。

圖9 熱烘對(duì)PET/ES針刺非織造布吸油率的影響

3 結(jié)論

(1) PET纖維和ES纖維都屬于疏水性纖維，所制得的PET/ES針刺非織造布有完整的外觀形貌，且PET纖維與ES纖維有效地纏結(jié)在一起；經(jīng)無氟防水劑整理后，電鏡照片顯示防水劑附著在纖維上，起到了防止纖維吸水的作用。

(2) 拒水整理后，由于非織造布的密度增大，其拉伸斷裂強(qiáng)力有所提升。同時(shí)，如果在拒水整理前先經(jīng)熱烘，則PET纖維和ES纖維混合原料的針刺非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力顯著增加。

(3) PET/ES針刺非織造布經(jīng)拒水整理后，其水接觸角明顯增大。當(dāng)PET/ES纖維共混比為50/50，無氟防水劑濃度為70 mL/L時(shí)，非織造布的拒水性能最好。此外，熱烘處理對(duì)非織造布的吸油率和接觸角均有一定的提高，因此為了提高非織造布的吸油效果，應(yīng)采用先熱烘后拒水整理的工藝對(duì)非織造布進(jìn)行后整理。