靜電植絨制備高彈保暖絮片工藝探討

1. 武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200；2. 軍需工程技術(shù)研究所， 北京 100010

靜電植絨作為一種紡織加工工藝，其利用高壓電場(chǎng)使絨毛帶上靜電作往復(fù)運(yùn)動(dòng)并垂直植入涂有黏合劑的基材表面，以形成絨毛效果[1]。近年來，植絨工藝優(yōu)化[2]、植絨絨毛[3-4]、植絨黏合劑[5]、植絨產(chǎn)品后整理[6]和植絨產(chǎn)品開發(fā)[7]等已有大量的研究，并已研發(fā)出具有阻燃、防污、吸聲、隔熱、保暖等多功能的靜電植絨產(chǎn)品。

傳統(tǒng)保暖材料通過增加纖維與纖維之間的空隙或增加材料厚度等方式，提高材料的保暖性及壓縮回彈性[8]。新型保暖材料則使用高性能纖維，通過織物設(shè)計(jì)或新型復(fù)合等方法，提高材料的保暖性[9-10]。但基于保暖材料成型等因素，保暖材料的壓縮回彈性會(huì)受到限制，因此需進(jìn)一步優(yōu)化保暖材料的結(jié)構(gòu)，或開發(fā)出新型保暖材料[11]。靜電植絨工藝制作保暖材料利用的是豎直絨毛能增加材料回彈性并提高材料內(nèi)部空隙率。目前，國外已通過靜電植絨技術(shù)將碳纖維垂直植入基材表面，制成了彈性熱界面材料，其在具有高彈性的同時(shí)導(dǎo)熱效果增強(qiáng)[12]。

本文將利用熱熔膜和黏合劑，通過靜電植絨技術(shù)，在2層基布(即保暖非織造布)中植入豎直的絨毛(即尼龍短纖維)，形成2層基布之間固結(jié)直立絨毛的三明治結(jié)構(gòu)的保暖材料(即高彈保暖絮片)。其中，絨毛起支撐作用，同時(shí)還能儲(chǔ)層更多的靜止空氣，提高絮片的回彈性及保暖性。本文通過改變絨毛長(zhǎng)度、植絨時(shí)間、植絨電壓這3項(xiàng)工藝參數(shù)，制備不同的高彈保暖絮片試樣，測(cè)試并分析試樣的保暖性及壓縮回彈性，研究絨毛長(zhǎng)度、植絨時(shí)間、植絨電壓對(duì)試樣保溫率及壓縮彈性率的影響，探討最佳工藝參數(shù)，以期為高彈保暖絮片的開發(fā)與研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料與設(shè)備

試驗(yàn)原料：尼龍短纖維(絨毛)、保暖非織造布(基布)、聚丙烯酸酯黏合劑、TPU型熱熔膜。

試驗(yàn)設(shè)備：XFD-180型靜電植絨機(jī)、DHG-9030A型鼓風(fēng)式烘箱、ASTMD6571-1壓縮彈性測(cè)試裝置、YG606F紡織品保暖測(cè)試儀。

1.2 試樣制備

制備工藝流程：保暖非織造布→熱壓覆膜→涂覆黏合劑→靜電植絨→烘燥→吸絨→非織造布復(fù)合→烘燥→卷繞→高彈保暖絮片。

制備時(shí)，通過改變靜電植絨的絨毛長(zhǎng)度(3、 5、 8、 10 mm)、植絨時(shí)間(2、 5、 8、 11 s)及植絨電壓(50、 60、 70、 80、 90 kV)，得到不同的高彈保暖絮片試樣。

1.3 性能測(cè)試

高彈保暖絮片的外觀影響著最終產(chǎn)品的外觀，其內(nèi)部絨毛的伸直狀態(tài)影響著最終產(chǎn)品的回彈性和保暖性。本文采用目測(cè)法觀察試樣的整體外觀及內(nèi)部絨毛形態(tài)，選取試樣用于測(cè)試和分析。

1.3.1 保暖性

保暖性的評(píng)價(jià)指標(biāo)通常有保溫率、熱阻及克羅值等。本文采用保溫率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試參照GB/T 11048—2008《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 壓縮回彈性

保暖材料在使用過程中會(huì)受到壓力，因此壓縮回彈性是其重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)[13]。本文以壓縮彈性率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試參照GB/T 24442.1—2009《紡織品壓縮性能的測(cè)定第1部分：恒定法》標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 保暖性

2.1.1 絨毛長(zhǎng)度和植絨時(shí)間對(duì)保暖性的影響

絨毛是絲束經(jīng)切割或粉碎后通過電著處理得到的一定長(zhǎng)度的纖維。絨毛的長(zhǎng)徑比對(duì)植絨產(chǎn)品的性能有較大影響。絨毛過長(zhǎng)則易彎曲，過短則空氣儲(chǔ)存能力不足，產(chǎn)品的保暖性受影響；絨毛太粗則易與黏合劑黏結(jié)不牢，太細(xì)則影響產(chǎn)品的壓縮回彈性。

測(cè)試并分析絨毛長(zhǎng)度和植絨時(shí)間對(duì)高彈保暖絮片試樣保暖性的影響發(fā)現(xiàn)，5種植絨電壓下試樣保溫率的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出一致的規(guī)律。故本文以50、 80 kV植絨電壓為例，分析長(zhǎng)度為3、 5、 8、 10 mm的絨毛分別植絨2、 5、 8、 11 s制得試樣的保溫率(圖1和圖2)。

圖1 絨毛長(zhǎng)度和植絨時(shí)間對(duì)試樣保溫率的 影響(植絨電壓為50 kV)

圖2 絨毛長(zhǎng)度和植絨時(shí)間對(duì)試樣保溫率的 影響(植絨電壓為80 kV)

由圖1和圖2可以看出：

(1) 當(dāng)植絨時(shí)間和植絨電壓一定時(shí)，試樣保溫率隨絨毛長(zhǎng)度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，且都在絨毛長(zhǎng)度為8 mm時(shí)保溫率達(dá)到峰值。究其原因在于，絨毛長(zhǎng)度較短時(shí)絨毛易完全伸直，隨著絨毛長(zhǎng)度的增加，試樣內(nèi)部絨毛層厚度及靜止空氣的儲(chǔ)存量增加，保溫率上升；當(dāng)絨毛長(zhǎng)度大于8 mm時(shí)，絨毛完全伸直的難度加大，保溫率下降。因此，基于絨毛長(zhǎng)度對(duì)保暖性能的影響，確定最佳絨毛長(zhǎng)度為8 mm。

(2) 當(dāng)絨毛長(zhǎng)度和植絨電壓一定時(shí)，試樣保溫率隨植絨時(shí)間的增加而增加。具體為，當(dāng)植絨時(shí)間較短時(shí)，保溫率增加比較明顯；當(dāng)植絨時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，保暖率增速下降。原因在于，當(dāng)基布上的植絨密度達(dá)到飽和后，繼續(xù)增加植絨時(shí)間只會(huì)增加浮絨，故隨著植絨時(shí)間的增加，試樣的保溫率開始有相應(yīng)的提高，但達(dá)到一定值后便增速放緩。因此，基于保暖率和植絨效率的考慮，確定最佳植絨時(shí)間為8 s。

2.1.2 植絨電壓和植絨時(shí)間對(duì)保暖性的影響

植絨電壓和植絨時(shí)間對(duì)絨毛在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及絨毛最終的伸直狀態(tài)影響很大。植絨電壓過小則絨毛極化帶電受到的電場(chǎng)力很小，絨毛不能完全伸直，產(chǎn)品保暖性受影響；植絨電壓過大則會(huì)出現(xiàn)擊穿等問題。故本文植絨電壓控制在50～90 kV。植絨時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致植絨密度偏小，試樣保暖性受影響；但植絨密度有最大值，植絨時(shí)間過長(zhǎng)只會(huì)增加浮絨。

因絨毛較短的試樣外觀較為平整，且其內(nèi)部絨毛的伸直狀態(tài)易于觀察，加之上文已得出絨毛長(zhǎng)度為8 mm時(shí)試樣保暖性最好，故本文選取長(zhǎng)度為5和8 mm的絨毛制得的高彈保暖絮片試樣，用于測(cè)試和分析植絨電壓(50、 60、 70、 80、 90 kV)和植絨時(shí)間(2、 5、 8、 11 s)對(duì)試樣保暖性的影響(圖3和圖4)。

圖3 植絨電壓和植絨時(shí)間對(duì)試樣保溫率的 影響(絨毛長(zhǎng)度為5 mm)

圖4 植絨電壓和植絨時(shí)間對(duì)試樣保溫率的 影響(絨毛長(zhǎng)度為8 mm)

由圖3和圖4看出：

(1) 在植絨時(shí)間和絨毛長(zhǎng)度一定時(shí)，植絨電壓升高，則試樣的保溫率增加，且增勢(shì)逐漸趨緩。其中，當(dāng)植絨電壓從50 kV增加到80 kV時(shí)，試樣的保溫率增勢(shì)明顯，這是因?yàn)橹步q電壓的增加使得絨毛更易伸直；當(dāng)植絨電壓超過80 kV時(shí)，試樣的保溫率基本無變化，這是因?yàn)榇藭r(shí)絨毛已完全伸直，增大植絨電壓對(duì)試樣的保暖性無影響。因此，確定最佳植絨電壓為80 kV。

(2) 在植絨電壓和絨毛長(zhǎng)度一定時(shí)，植絨時(shí)間增加，則試樣的保溫率增加，且增勢(shì)逐漸放緩。這是由于植絨時(shí)間增加，基布上的植絨量增加，密集豎直的絨毛會(huì)阻止熱量的散發(fā)，并在試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量的間隙，試樣保溫性增加；但由于基布上的植絨量有限，其達(dá)到飽和后繼續(xù)增加植絨時(shí)間只會(huì)增加浮絨，故保溫率增速下降。故植絨時(shí)間應(yīng)控制在有效植絨時(shí)間內(nèi)。

2.2 壓縮回彈性

2.2.1 絨毛長(zhǎng)度和植絨時(shí)間對(duì)壓縮回彈性的影響

測(cè)試并分析絨毛長(zhǎng)度和植絨時(shí)間對(duì)高彈保暖絮片試樣壓縮回彈性的影響發(fā)現(xiàn)，5種植絨電壓下試樣壓縮彈性率的變化趨勢(shì)相同。故本文以50和80 kV的植絨電壓為例，分析長(zhǎng)度為3、 5、 8、 10 mm的絨毛分別植絨2、 5、 8、 11 s制得試樣的壓縮彈性率(圖5和圖6)。

圖5 絨毛長(zhǎng)度和植絨時(shí)間對(duì)試樣壓縮彈性率的 影響(植絨電壓50 kV)

圖6 絨毛長(zhǎng)度和植絨時(shí)間對(duì)壓縮彈性率的影響 (植絨電壓80 kV)

由圖5和圖6可以明顯看出：

(1) 在植絨時(shí)間和植絨電壓一定時(shí)，當(dāng)絨毛長(zhǎng)度較短時(shí)，絨毛長(zhǎng)度增加，試樣的壓縮彈性率隨之增加。這是因?yàn)榇藭r(shí)絨毛呈伸直狀態(tài)，且兩端分別固定在2層基布上，當(dāng)試樣受到重壓時(shí)，內(nèi)部絨毛的軸向受力產(chǎn)生彎曲形變，壓縮回彈性增大。當(dāng)絨毛長(zhǎng)度大于8 mm時(shí)，部分試樣的壓縮彈性率開始下降，這是由于隨著絨毛長(zhǎng)度的繼續(xù)增加，內(nèi)部絨毛層厚度占試樣總厚度的比例增大，部分絨毛沒有完全伸直，導(dǎo)致試樣壓縮彈性率下降。因此，確定最佳絨毛長(zhǎng)度為8 mm。

(2) 在絨毛長(zhǎng)度和植絨電壓一定時(shí)，植絨時(shí)間增加，試樣的壓縮彈性率提高。原因在于，植絨量開始隨植絨時(shí)間的增加而增加，植絨量越多，則試樣內(nèi)部絨毛層的彈性回復(fù)速度越快，回復(fù)性能越好；當(dāng)植絨量達(dá)到飽和時(shí)，植絨時(shí)間增加對(duì)試樣壓縮回彈性的影響效果減小。

2.2.2 植絨時(shí)間和植絨電壓對(duì)壓縮回彈性的影響

因絨毛長(zhǎng)度為8 mm時(shí)，試樣壓縮彈性率出現(xiàn)峰值，又因絨毛長(zhǎng)度為5 mm時(shí)，產(chǎn)品厚度適宜、外觀平整，故本文以長(zhǎng)度為5和8 mm的絨毛長(zhǎng)度為例，分析植絨時(shí)間(2、 5、 8、 11 s)和植絨電壓(50、 60、 70、 80、 90 kV)對(duì)試樣壓縮回彈性的影響(圖7和圖8)。

由圖7和圖8可以看出：

圖7 植絨時(shí)間和植絨電壓對(duì)試樣壓縮彈性率的 影響(絨毛長(zhǎng)度5 mm)

圖8 植絨時(shí)間和植絨電壓對(duì)試樣壓縮彈性率的 影響(絨毛長(zhǎng)度8 mm)

(1) 在植絨電壓和絨毛長(zhǎng)度一定時(shí)，試樣的壓縮彈性率開始隨植絨時(shí)間的增加而增加，但當(dāng)植絨時(shí)間超過一定值時(shí)，壓縮彈性率增幅趨于平緩或略有下降。原因在于，當(dāng)植絨時(shí)間較短時(shí)，增加植絨時(shí)間則試樣內(nèi)部絨毛層的絨毛量增多，試樣壓縮彈性率上升；當(dāng)植絨時(shí)間增至8 s時(shí)，植絨量趨于飽和，繼續(xù)增加植絨時(shí)間不會(huì)產(chǎn)生有效的絨毛，甚至?xí)?duì)試樣的壓縮彈性率產(chǎn)生不良影響。因此，確定最佳植絨時(shí)間為8 s。

(2) 當(dāng)植絨時(shí)間和絨毛長(zhǎng)度一定時(shí)，植絨電壓增大則試樣壓縮彈性率增大。這是由于植絨電壓增大使絨毛更加伸直，這樣試樣在受到壓縮力時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的回彈性，但當(dāng)植絨電壓過大時(shí)，試樣壓縮彈性率增幅變緩。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本及生產(chǎn)效率，確定最佳植絨電壓為80 kV。

3 結(jié)論

基于靜電植絨技術(shù)，本文提供了一種高彈保暖絮片的制備方法。通過在2層保暖非織造布之間固結(jié)豎直絨毛的辦法，提高了高彈保暖絮片的保暖性和回彈性，解決了保暖材料壓縮回彈性差的問題。對(duì)不同工藝條件下制得的高彈保暖絮片進(jìn)行保暖性和壓縮回彈性測(cè)試和分析，得到了制備高彈保暖絮片的最佳工藝參數(shù)：絨毛長(zhǎng)度為8 mm，植絨時(shí)間為8 s，植絨電壓為80 kV。