非織造技術(shù)制備蠶絲纖維網(wǎng)的固結(jié)方法及結(jié)構(gòu)性能研究

1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.蘇州太湖雪絲綢股份有限公司，江蘇 蘇州 215231

睡眠對健康有著至關(guān)重要的作用，一床好的被子有助于提高睡眠質(zhì)量。與傳統(tǒng)的棉被和化纖被相比，蠶絲被具有輕薄柔軟、保暖性強(qiáng)、透氣排濕性好等優(yōu)點(diǎn)，是消費(fèi)者的較優(yōu)選擇[1]。

蠶絲被內(nèi)胎是一種蠶絲纖維網(wǎng)，目前基本采用傳統(tǒng)的手工制作方法，即拉抻工藝[2]。制作人員同時(shí)拉住蠶絲綿片的4個(gè)角，將其拉開成網(wǎng)，再進(jìn)一步將多層纖網(wǎng)鋪疊在一起，形成具有一定厚度的蠶絲纖維網(wǎng)。由于個(gè)體存在差異，手工施力無法保證所施加的拉力大小相同、均勻、連續(xù)，施力方向隨機(jī)性較大，蠶絲綿片無法均勻地被拉開，纖網(wǎng)中許多纖維聚集在一起以纖維束的形式存在，纖維分布不均勻，故而導(dǎo)致蠶絲被內(nèi)胎的面密度不均勻。

常見的作為保暖絮片的化學(xué)纖維網(wǎng)，除了將短纖維梳理成網(wǎng)外，還可以進(jìn)一步對其進(jìn)行纖維間的加固處理。在非織造產(chǎn)品的制備與加工技術(shù)中，主要有三大類纖網(wǎng)加固方法：機(jī)械加固、化學(xué)黏合和熱黏合[3]。一旦纖維間形成加固纏結(jié)點(diǎn)，纖網(wǎng)在使用過程就中可以整體受力，表現(xiàn)出更長久的蓬松性，不容易出現(xiàn)板結(jié)問題。而目前的蠶絲被制備工藝僅包含鋪網(wǎng)，沒有經(jīng)過加固。因此，盡管蠶絲被有許多優(yōu)點(diǎn)，但其致命的板結(jié)問題是限制其市場銷量的主要因素。如何使蠶絲被內(nèi)胎中的蠶絲纖維間形成纏結(jié)結(jié)構(gòu)，是提高蠶絲被耐板結(jié)性的關(guān)鍵。

蠶絲屬于表面包覆有絲膠的絲素蛋白纖維，近幾年其在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用研究比較熱門。有人將其制成絲素蛋白膜，并采用戊二醛進(jìn)一步化學(xué)交聯(lián)。葉勇等[4]在成膜絲素蛋白溶液中加入甘油和戊二醛，發(fā)現(xiàn)戊二醛的交聯(lián)作用能夠提高膜的拉伸強(qiáng)度，同時(shí)甘油良好的吸濕性提高了膜的持水性和耐水性，實(shí)現(xiàn)了對絲素膜性能的改良。楊媛媛[5]在對蠶絲的研究中，為克服蠶絲被板結(jié)缺陷，從絲膠的濕熱穩(wěn)定性出發(fā)，使用戊二醛處理脫膠蠶絲，使之與絲膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，處理后的蠶絲纖維穩(wěn)定性提高，對提高和改善蠶絲被的性能具有實(shí)際意義。鄭海玲等[6]采用絲素蛋白和戊二醛交聯(lián)劑，通過浸漬法實(shí)現(xiàn)了對脆弱絲綢織物的加固處理。

考慮到戊二醛的安全性和成本，以及其會(huì)使蠶絲發(fā)黃[5]，針對蠶絲纖維網(wǎng)的特性，選取合適的溶劑來溶解蠶絲纖維表面，再在后續(xù)烘燥過程中使相互接觸的蠶絲纖維間形成黏合點(diǎn)，有利于提高蠶絲纖維網(wǎng)的力學(xué)性能，并進(jìn)一步提高其耐板結(jié)性能。國內(nèi)外學(xué)者采用濃酸(如濃磷酸)或濃堿等溶解絲素，但導(dǎo)致絲素嚴(yán)重降解。后來有人采用飽和的中性鹽溶液、弱酸(如甲酸)等[7]來溶解絲素蛋白。還有人將脫膠蠶絲直接溶解在磷酸/甲酸混合溶劑中，以此為紡絲液進(jìn)行紡絲，初生絲經(jīng)過甲醇浴凝固后得到了力學(xué)性能優(yōu)異的絲素蛋白長絲[8]。王鵬等[9]在探討絲素膜的制備工藝中，采用甲酸和鹽的混合溶解體系，絲素均能快速溶解。Chang Seok Ki等[10]先將脫膠后的蠶繭溶解在混合溶液中得到海綿狀的蠶絲蛋白，再把蠶絲蛋白溶解在甲酸溶液中制得紡絲原液，并添加絲膠以增加黏度，制備出的再生絲的力學(xué)性能得到改善。

本課題利用甲酸對蠶絲蛋白的溶解化學(xué)特性，結(jié)合非織造技術(shù)在制備蠶絲纖維網(wǎng)中的應(yīng)用，將蠶絲纖維網(wǎng)用甲酸進(jìn)行加固處理，研究處理方法對蠶絲被結(jié)構(gòu)及性能的影響，并探明其機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)材料：蠶絲被內(nèi)胎(其中蠶絲纖維直徑約為12.7 μm，脫膠率約為26%)，由蘇州太湖雪絲綢有限公司提供；甲酸，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

制備蠶絲纖維網(wǎng)的主要設(shè)備為AS181A型梳棉試驗(yàn)機(jī)，東華大學(xué)紡織重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

1.2 蠶絲纖維網(wǎng)的制備

以蠶絲被內(nèi)胎為原料，將長的蠶絲纖維剪成長度均勻的短纖維(40～60 mm)。為減少靜電的產(chǎn)生，在進(jìn)行梳理前對纖維噴灑蒸餾水進(jìn)行預(yù)濕處理。采用AS181A型梳棉試驗(yàn)機(jī)，測量接收滾筒的直徑和長度，計(jì)算出滾筒的表面積，再參考市場上蠶絲空調(diào)被的面密度，經(jīng)過多層鋪疊制成面密度為200 g/m2的蠶絲纖維網(wǎng)。

1.3 蠶絲纖維網(wǎng)的處理方法

剪取尺寸為4 cm×4 cm蠶絲纖維網(wǎng)試樣，將其放入盛有甲酸溶液的燒杯中，給予壓力使試樣浸沒，待充分浸沒后取出，放入80 ℃烘箱中烘干。

1.4 結(jié)構(gòu)與性能測試

根據(jù)GB/T 24218.1—2009 《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：單位面積質(zhì)量的測定》測試樣品的單位面積質(zhì)量。

根據(jù)GB/T 24218.2—2009 《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測定》測試樣品的厚度。

采用TM3000 型臺(tái)式掃描電子顯微鏡，剪取蠶絲纖維網(wǎng)試樣，用導(dǎo)電膠將試樣貼在試驗(yàn)臺(tái)上，對試樣噴金后進(jìn)行拍攝。

采用XQ-2型纖維強(qiáng)伸度儀，剪取3 cm×1 cm經(jīng)調(diào)濕的蠶絲纖維網(wǎng)試樣，設(shè)定夾持距離為20 mm、拉伸速度為20 mm/min、預(yù)加張力為0.2 cN，將試樣的中間部分稍稍繃緊夾在上下夾持器之間，測試試樣的拉伸斷裂強(qiáng)力及伸長率。

根據(jù)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》測試樣品的液體吸收時(shí)間和液體吸收量。

參考GB/T 24252—2009 《蠶絲被 附錄D 填充物壓縮回彈性實(shí)驗(yàn)方法》，將調(diào)濕好的蠶絲纖維網(wǎng)裁剪出若干塊10 cm×10 cm的試樣，疊加至3 g，分兩組測試其壓縮回彈性。

2 結(jié)果與討論

2.1 甲酸處理所得蠶絲纖維網(wǎng)的表面結(jié)構(gòu)

將蠶絲纖維網(wǎng)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的甲酸溶液浸漬處理10 min，所得蠶絲纖維網(wǎng)的表面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。從圖1可以看到，因?yàn)榧姿釋πQ絲蛋白的溶解，纖維間出現(xiàn)了明顯的黏連現(xiàn)象，而原始蠶絲纖維網(wǎng)中的蠶絲纖維交叉處輪廓清晰，無黏連現(xiàn)象，

(a) 原始試樣

(b) 經(jīng)甲酸溶液處理的試樣

兩者的纖維纏結(jié)狀態(tài)明顯不同。說明甲酸可以部分溶解蠶絲纖維表面，經(jīng)過烘燥處理，相鄰蠶絲纖維間發(fā)生了明顯的黏連，因此甲酸能夠?qū)πQ絲纖維網(wǎng)起到固結(jié)作用。

2.2 甲酸處理?xiàng)l件的優(yōu)化

經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的甲酸溶液浸漬能使蠶絲纖維間形成黏合點(diǎn)，對蠶絲纖維網(wǎng)的固結(jié)效果顯著。進(jìn)一步采用90%、 85%、 80%系列質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲酸溶液對蠶絲纖維網(wǎng)試樣進(jìn)行浸漬處理，處理時(shí)間分別為5、 10、 15、 60 min，探討甲酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸漬時(shí)間對蠶絲纖維網(wǎng)處理效果的影響。

在試驗(yàn)過程中，對初始蠶絲纖維網(wǎng)試樣進(jìn)行稱量，記錄質(zhì)量為m1。按照條件處理完后取出，在烘箱中80 ℃溫度下烘至恒重，記錄質(zhì)量為m2。按照式(1)計(jì)算蠶絲纖維網(wǎng)的溶失率，其結(jié)果見表1。

(1)

表1 浸漬法試驗(yàn)因素及試驗(yàn)結(jié)果

觀察浸漬處理并烘干后的1～16號(hào)試樣，發(fā)現(xiàn)98%甲酸浸漬后的纖維網(wǎng)均發(fā)生明顯溶解，最大溶失率為74.3%，試樣手感較硬，不分層；90%、 85%、 80%甲酸處理后的試樣均無明顯溶解，溶失率也較低。但是經(jīng)85%和80%甲酸處理的試樣手感蓬松，易分層。相對而言，90%甲酸浸漬處理5 min 得到的試樣，纖維層之間有輕微分離，而經(jīng)10、 15、 60 min處理的試樣，纖維層之間均未分離，整體無明顯差異。

綜合考慮蠶絲纖維網(wǎng)溶失率、分層現(xiàn)象和浸漬時(shí)間3個(gè)因素，認(rèn)為甲酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%、浸漬10 min 為最佳工藝參數(shù)。

2.3 蠶絲纖維網(wǎng)力學(xué)性能的變化

將面密度約為40 g/m2的單層蠶絲纖維網(wǎng)用90%甲酸溶液浸漬處理10 min，烘燥后測試其力學(xué)性能。為了對比，對處理前樣品的力學(xué)性能也進(jìn)行了測試。

表2 處理前后蠶絲纖維網(wǎng)的力學(xué)性能變化

由表2可知，經(jīng)過甲酸處理后，蠶絲纖維網(wǎng)的縱向和橫向拉伸斷裂強(qiáng)力都有較為明顯的提升，但其斷裂伸長率稍有下降。梳理網(wǎng)的橫向拉伸斷裂強(qiáng)力值極小，幾乎沒有。經(jīng)浸漬處理后，因?yàn)榧姿釋πQ絲蛋白的溶解，使得纖維之間形成了如圖1(b)所示的化學(xué)黏合點(diǎn)，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，由于纖維間黏連產(chǎn)生的阻力增加，使橫向拉伸斷裂強(qiáng)力提高。而纖維網(wǎng)縱向拉伸斷裂強(qiáng)力值受纖維自身強(qiáng)力的影響較大，橫向拉伸斷裂強(qiáng)力更能體現(xiàn)處理后纖維間的黏連效果。

2.4 液體吸收時(shí)間和液體吸收量的變化

液體吸收性能是衡量非織造材料親水性能的有效指標(biāo)。本文對比測試了90%甲酸浸漬處理10 min 前后，蠶絲纖維網(wǎng)的液體吸收時(shí)間和液體吸收量的變化，見表3。

表3 纖維網(wǎng)的液體吸收時(shí)間和液體吸收量

由表3可知：經(jīng)甲酸處理后，蠶絲纖維網(wǎng)的液體吸收時(shí)間明顯增加，試驗(yàn)中試樣一直漂浮在液面上，未能浸沒于蒸餾水中，說明經(jīng)甲酸溶液浸漬處理后，纖維網(wǎng)的吸水能力降低；經(jīng)甲酸處理后，纖維網(wǎng)的液體吸收量減小。這是因?yàn)榧姿崛芙獾袅诵Q絲表面的絲膠，大大降低了蠶絲纖維表面的親水性，所以蠶絲纖維網(wǎng)的液體吸收時(shí)間大大增加，液體吸收量明顯減小。

日常生活中，蠶絲被在梅雨季節(jié)會(huì)有潮濕不適感，有人認(rèn)為蠶絲纖維吸濕性好是造成蠶絲被板結(jié)的原因。因此，從這個(gè)角度來講，適當(dāng)降低蠶絲纖維網(wǎng)的親水性，可以在一定程度上提高蠶絲被的耐板結(jié)性。

2.5 甲酸處理對纖維網(wǎng)壓縮回復(fù)性的影響

壓縮率和回復(fù)率是衡量絮墊類非織造材料的主要指標(biāo)。本文對比測試了90%甲酸浸漬處理10 min 前后，蠶絲纖維網(wǎng)壓縮率和回復(fù)率的變化，見表4。

表4 處理前后纖維網(wǎng)的壓縮率和回復(fù)率

由表4可知，經(jīng)甲酸處理后，纖維網(wǎng)的壓縮率降低，表現(xiàn)出稍好的抗壓縮性。經(jīng)甲酸溶液浸漬加固處理后，纖維網(wǎng)的耐壓性能提高。因?yàn)榻?jīng)甲酸浸漬處理后，纖維網(wǎng)的結(jié)構(gòu)更為緊密，厚度減小，所以當(dāng)纖維網(wǎng)再次承受砝碼壓力時(shí)，厚度變化較小，表現(xiàn)出較好的抗壓性能。未處理蠶絲纖維網(wǎng)的回復(fù)率為101.6%，超過了100%，說明由梳理網(wǎng)制得的試樣在壓力撤去后回復(fù)性能非常優(yōu)異。處理后蠶絲纖維網(wǎng)回彈性降低的原因可能是因?yàn)榧姿崛芤焊淖兞诵Q絲纖維本來的卷曲結(jié)構(gòu)，纖維本身的彈性降低，具體原因需要進(jìn)一步分析。

3 結(jié)論

本文選取甲酸為溶劑，采用溶液浸漬法溶解蠶絲纖維表面，再通過烘燥使蠶絲纖維間形成黏合點(diǎn)。同時(shí)，對甲酸處理?xiàng)l件進(jìn)行了優(yōu)化，對比測試了處理前后蠶絲纖維網(wǎng)的力學(xué)性能、吸液性能和壓縮回復(fù)性能，得到如下結(jié)論：甲酸溶液浸漬處理能夠使蠶絲纖維間形成黏合點(diǎn)，其最佳工藝參數(shù)為90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))甲酸浸漬處理10 min。經(jīng)甲酸處理后，蠶絲纖維網(wǎng)的拉伸斷裂強(qiáng)力明顯提高，吸水性下降，壓縮性稍有改善，回復(fù)率下降。

基于目前普遍認(rèn)同的蠶絲纖維吸濕性好是造成蠶絲被板結(jié)的原因，本文的甲酸浸漬處理方法降低了蠶絲纖維網(wǎng)的吸濕性，提高了纖維網(wǎng)的拉伸斷裂強(qiáng)力，改善了纖維網(wǎng)的壓縮性，是一種可以改善蠶絲被耐板結(jié)性的可行方法，值得進(jìn)一步研究。