全棉水刺擦拭材料的力學性能研究

劉麗娟 徐熊耀 吳海波

1. 東華大學紡織學院，上海 201620；2. 浙江王金非織造布有限公司，浙江 湖州 313104

擦拭材料作為日常生活中必不可少的清潔用品，涉及到日常生活的方方面面。隨著非織造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，水刺擦拭材料以其高產(chǎn)量、低成本的特點占據(jù)了主要市場[1-3]。全棉水刺擦拭材料具有良好的吸液性能，以及柔軟度好、不易掉毛、安全衛(wèi)生、生物相容性良好等特點，被廣泛應用于個人護理、家庭清潔、工業(yè)清潔、醫(yī)療衛(wèi)生等領域[4]。其中，當全棉水刺擦拭材料用于精密儀器的擦拭，以及作為醫(yī)用擦拭布使用時，應避免在擦拭過程中出現(xiàn)纖維的斷裂與脫落，以免對儀器及傷口造成二次污染。因此，對全棉水刺擦拭材料的力學性能提出了較高的要求[5]。

本文將采用先漂后刺的工藝，使用平紋托網(wǎng)簾制備面密度分別為30、40、50、60、70 g/m2的平紋水刺非織造材料，以及22、12、6目的托網(wǎng)簾制備面密度為50 g/m2的網(wǎng)目水刺非織造材料，研究材料的力學性能，以期為擦拭材料的使用和選擇提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗部分

1.1 原料

試驗使用的棉纖維是新疆長絨棉。原棉因含有大量的雜質(zhì)和伴生物質(zhì)，故需先進行脫脂處理。表1為使用USTER HVI1000棉纖維測試系統(tǒng)測得的原棉、脫脂棉及梳理棉的各項物理及力學指標。

表1 棉纖維的各項物理及力學指標

1.2 設備及工藝參數(shù)

使用單錫林雙道夫梳理機進行纖網(wǎng)的制備[6]。脫脂棉纖維手感偏硬，纖維間摩擦力大，因此對梳理工藝提出了較高的要求。各梳理元件的工藝參數(shù)見表2。

表2 梳理元件的工藝參數(shù) (m/min)

使用Auftrags Nr.T6616型水刺機并結(jié)合不同的托網(wǎng)簾(平紋及22、12、6目)對纖網(wǎng)進行水刺加固，制備平紋水刺非織造材料和網(wǎng)目水刺非織造材料。其中，為增強后續(xù)的水刺效果，纖網(wǎng)先進行預水刺，以排出纖網(wǎng)中的空氣，使纖網(wǎng)能更好地吸收水針能量[7]。此外，為使網(wǎng)目水刺非織造材料的網(wǎng)孔較平紋水刺非織造材料更加清晰，可適當增大每一道水刺的壓力。設置水針距離為15.0 mm，輸網(wǎng)簾速度為3.00 m/min，水刺過程中水針壓力配置如表3所示。

表3 水針壓力配置 (MPa)

1.3 性能測試

1.3.1 單纖維抽拔力

使用XQ-2型單纖維強力儀測試制備的水刺非織造材料的單纖維抽拔力。水刺非織造材料裁剪成20.0 mm×40.0 mm的試樣，然后如圖1所示，一端固定，另一端進行單纖維抽拔力測試。儀器拉伸速度設置為10 mm/min。每塊試樣抽拔50根纖維，測試結(jié)果取5塊試樣的平均值[8-9]。

圖1 單纖維抽拔力測試示意

1.3.2 束纖維勾取性能

擦拭材料使用時，接觸物表面的尖銳物體會對其中的纖維產(chǎn)生一定的勾取作用，這往往會造成束纖維發(fā)生位移甚至被抽出。

使用YG(B)026h型醫(yī)用紡織品多功能強力儀，模擬并測試水刺非織造材料中束纖維被勾取而產(chǎn)生的勾取力。拉伸速度設置為100 mm/min，且為了保證結(jié)果的準確性，適當增大了勾取面積(1.0 mm×1.0 mm)。每塊試樣測試20次，測試結(jié)果取5塊試樣的平均值。

1.3.3 拉伸斷裂強力

依據(jù)GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法) 》標準，使用YG026MB型多功能織物強力儀對水刺非織造材料進行拉伸斷裂強力的測試。試樣大小取50.0 mm×200.0 mm，夾持距離為100.0 mm，拉伸速度為100 mm/min，預加張力為1.00 N。測試結(jié)果取5塊試樣的平均值。

1.3.4 彎曲性能

依據(jù)GB/T 18318. 1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1 部分：斜面法》標準，使用LLY-01型電子織物硬挺儀測試水刺非織造材料的彎曲性能。試樣大小取25.0 mm×250.0 mm，壓板推進速度為4 mm/s，角度為41.5°。試樣放置于試樣臺上，儀器啟動后，壓板帶動試樣向前推進，試樣在重力作用下自然彎曲下垂，當試樣遮蓋住檢測線時儀器自動停止并將試樣反推至初始位置，同時儀器顯示試樣的彎曲長度。再根據(jù)彎曲長度計算試樣的抗彎剛度：

G=m×C3×10-3

(1)

式中：G——試樣的抗彎剛度，mN·cm；

m——試樣的面密度，g/m2；

C——試樣的平均彎曲長度，cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 單纖維抽拔力對全棉水刺擦拭材料力學性能的影響

水刺非織造材料的拉伸斷裂強力主要由斷裂截面處纖維的斷裂強力和抽拔力決定。理想狀態(tài)下，水刺非織造材料的拉伸斷裂強力：

F=∑f1+∑f2

(2)

式中：F——材料拉伸斷裂強力，cN；

f1——單纖維斷裂強力，cN；

f2——單纖維抽拔力，cN。

其中，單纖維抽拔力的大小可以反映纖維在水刺非織造材料中的纏結(jié)情況，從而影響材料的拉伸斷裂強力。一般情況下，單纖維抽拔力越大，則纖維纏結(jié)越緊密，使用過程越不易發(fā)生脫落。材料的拉伸斷裂強力也與單纖維抽拔力呈正相關。當單纖維抽拔力大于單纖維斷裂強力時，纖維即發(fā)生斷裂，其不能完全被抽拔出。利用XQ-2型單纖維強力儀獲得的載荷-伸長率曲線表征單纖維抽拔力。圖2以面密度為50 g/m2的平紋水刺非織造材料為例展示了其中3根單纖維在抽拔過程中的力學特征。

圖2 單纖維抽拔力曲線(面密度為50 g/m2的 平紋水刺非織造材料)

從圖2可以看出，單根棉纖維從水刺非織造材料中抽取時存在3種情況：

(1) 曲線1中單纖維發(fā)生了斷裂。棉纖維受水針作用相互纏結(jié)緊密，并形成了纏結(jié)點，且纏結(jié)點的強力大于單根棉纖維的斷裂強力。此時，單纖維抽拔力即為棉纖維的斷裂強力。

(2) 曲線2中存在多個峰值。原因在于單纖維在水刺過程中受多個水針的沖擊，發(fā)生了多次纏結(jié)。抽拔時，單纖維需從多個纏結(jié)點逐漸抽離，直至最終完全抽拔出或發(fā)生斷裂。

(3) 曲線3整體呈緩慢上升和波動的趨勢。原因在于單纖維的抽拔過程主要是在克服纖維之間的摩擦阻力?？赏ㄟ^增加梳理雜亂度或使用交叉鋪網(wǎng)的方式減少曲線3出現(xiàn)的概率。

進行單纖維抽拔力測試的同時，記錄下被抽取的纖維是否處于被拉斷狀態(tài)，再通過計算斷纖維百分數(shù)和纖維強力利用率進一步判斷纖網(wǎng)中纖維纏結(jié)的緊密度：

(3)

(4)

圖3反映了不同面密度平紋水刺非織造材料中單纖維抽拔力分布狀況。表4歸納了不同面密度平紋水刺非織造材料的厚度及力學性能。

(a) 30 g/m2

(b)40 g/m2

(c) 50 g/m2

(d) 60 g/m2

(e) 70 g/m2圖3 不同面密度平紋水刺非織造材料中 單纖維抽拔力分布

表4 不同面密度平紋水刺非織造材料的厚度及力學性能

從圖3和表4可以得出：(1)單纖維抽拔力具有一定的離散性，整體上符合正態(tài)分布，這表明測試選取的纖維符合要求，測試結(jié)果可以反映單纖維在纖網(wǎng)中的纏結(jié)情況。(2)單纖維抽拔力與材料的面密度有關。材料的面密度越大，則單纖維抽拔力越大。原因在于，在水針能量相同的情況下，面密度增大，則水針會攜帶更多數(shù)量的纖維發(fā)生緊密纏結(jié)；同時，根據(jù)懸臂梁模型和簡支梁模型[10]，材料厚度增加，則纖維隨水針運動的位移增大，纏結(jié)作用增強，故單纖維抽拔時需克服更大的纏結(jié)點強力。(3)單纖維抽拔力越大，則纖維強力利用率越高，材料拉伸斷裂強力越大。

2.2 面密度對全棉水刺擦拭材料力學性能的影響

繼續(xù)以平紋水刺非織造材料為例，研究面密度對全棉水刺擦拭材料力學性能的影響。

由表4可知，隨著面密度的增加，材料單位體積內(nèi)纖維間形成了更多的纏結(jié)點：(1)單纖維抽拔力逐漸增加并趨向于單纖維斷裂強力(4.83 cN)。(2)束纖維勾取力和材料拉伸斷裂強力也隨之增大。(3)材料的厚度及抗彎剛度隨之增加，材料柔軟度下降。其中，當材料面密度增加到70 g/m2時，柔軟度下降嚴重，可通過后整理改善材料的柔軟性。

2.3 網(wǎng)目結(jié)構(gòu)對全棉水刺非織造材料力學性能的影響

圖4為使用JSM-5600 LV型掃描電子顯微鏡觀察到的面密度為50 g/m2平紋水刺非織造材料和網(wǎng)目水刺非織造材料的表面形態(tài)，可以看出平紋水刺非織造材料與網(wǎng)目水刺非織造材料的纖維排列有較大的差別：平紋水刺非織造材料中，纖維在各個方向上呈不規(guī)則排列[圖4(a)]；網(wǎng)目水刺非織造材料中，網(wǎng)孔呈長圓形，纖維沿網(wǎng)孔發(fā)生曲折，并在網(wǎng)孔間堆積較緊密[圖4(b)]，且網(wǎng)孔間纖維多以纖維束的形式纏結(jié)[圖4(c)][11-14]，隨著網(wǎng)孔直徑的增大，網(wǎng)孔周圍纖維間的纏結(jié)作用減弱，使用過程中纖維極易造成滑移，導致網(wǎng)孔發(fā)生變化[圖4(d)]。

圖4 平紋水刺非織造材料與網(wǎng)目水刺 非織造材料的表面形態(tài)

表5為面密度為50 g/m2的不同托網(wǎng)簾生產(chǎn)的水刺非織造材料的厚度及力學性能，可以看出：

(1) 22目水刺非織造材料的單纖維抽拔力最大，平紋水刺非織造材料次之，12目水刺非織造材料的單纖維抽拔力開始下降，6目水刺非織造材料的單纖維抽拔力較小。這是因為22目的結(jié)構(gòu)有效改善了梳理過程中纖網(wǎng)縱橫向的不勻，增大了纖維排列的各向異性，令纏結(jié)點更加緊密；隨著網(wǎng)孔的增大，網(wǎng)孔間纖維纏結(jié)緊度增加，單纖維抽拔過程中斷纖維百分數(shù)增加，同時網(wǎng)孔周圍的纖維發(fā)生了較大的位移，纏結(jié)力較弱，故造成整體數(shù)據(jù)偏小。

(2) 束纖維勾取力受單纖維抽拔力影響較大，故22目水刺非織造材料的束纖維勾取力最大，平紋水刺非織造材料次之，12目水刺非織造材料的束纖維勾取力有所下降，但6目水刺非織造材料的束纖維勾取力又略有回升。

(3) 抗彎剛度方面，隨著網(wǎng)孔直徑的增大，柔軟性能在下降。22目水刺非織造材料因孔徑較小，加之水刺過程增加了棉纖維的各向排列異性，其柔軟性最佳并優(yōu)于平紋水刺非織造材料。6目水刺非織造材料厚度和抗彎剛度明顯增大，這是孔徑過大導致纖維堆積造成的，且網(wǎng)孔周圍纖維滑移現(xiàn)象嚴重，故不適宜作為擦拭材料。

表5 不同托網(wǎng)簾生產(chǎn)的水刺非織造材料(面密度為50 g/m2)的厚度及力學性能

對比相同面密度的不同托網(wǎng)簾生產(chǎn)的水刺非織造材料的力學性能可得，22目水刺非織造材料更適合用作全棉水刺擦拭材料。

3 總結(jié)

(1) 單纖維抽拔力可以表征纖維的纏結(jié)效果。單纖維抽拔力越大，則纖維間的纏結(jié)越緊密，材料的拉伸斷裂強力越大。

(2) 平紋水刺非織造材料隨著面密度的增加，其力學性能得到提高，但柔軟度下降，可利用網(wǎng)目結(jié)構(gòu)改善其柔軟度。

(3) 與相同面密度的平紋水刺非織造材料相比，22目水刺非織造材料具有更好的力學性能及柔軟度，適合用作全棉水刺擦拭材料。