植絨式高彈保暖材料的制備方案

張如全，胡權(quán)枝，劉雪強(qiáng)，諶玉紅，蔣吉眾，馮 軍

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植絨式高彈保暖材料的制備方案

張如全1，胡權(quán)枝1，劉雪強(qiáng)2*，諶玉紅2，蔣吉眾1，馮 軍1

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

為了開發(fā)高彈保暖材料，將絨毛直立固結(jié)在兩層保暖基布中間，設(shè)計(jì)出一種具有致密空氣層結(jié)構(gòu)的植絨式高彈保暖材料，并制備出實(shí)現(xiàn)該保暖材料的裝置。該裝置采用兩端靜電植絨工藝，制備的高彈保暖材料與普通保暖非織造布作對比測試得出，植絨式高彈保暖材料的保暖率高15%~40%、壓縮彈性回復(fù)率高20%~35%，具有保暖性好、彈性高的特點(diǎn)，對保暖材料的開發(fā)具有積極作用。

高彈保暖材料；靜電植絨；直立絨毛；非織造材料

保暖材料作為生活中的必需品有著十分重要的作用，而隨著人們生活水平的提高，傳統(tǒng)保暖材料已經(jīng)無法滿足人們對保暖性、回彈性、蓬松性、輕質(zhì)等多樣化的需求，因此研究開發(fā)新型高彈保暖材料及其加工技術(shù)非常有意義[1]。

保暖材料種類繁復(fù)[2,3]，棉花、羊毛、羽絨等天然保暖材料雖然保暖性好，但單一原料或單一結(jié)構(gòu)的保暖材料有缺陷難以滿足多方面的要求[4]；除了天然保暖材料，超細(xì)纖維、中空纖維、異形纖維等差別化纖維為原料的純化纖保暖材料大量涌現(xiàn)，如噴膠棉、太陽絨等[5]，這些新型纖維在保暖性上有所改善但在回彈性上表現(xiàn)欠佳；多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿絲棉[6]、太空棉[7]等復(fù)合保暖材料被相繼研發(fā)并大量應(yīng)用，但這些復(fù)合保暖材料制備工藝復(fù)雜，目前還難以取代傳統(tǒng)保暖材料；還有將天然纖維和化學(xué)纖維混合在一起的混合保暖材料，但是混合比及其保暖性的提高還需要進(jìn)一步研究[8]。總之，目前的保暖材料，不管是天然保暖材料還是復(fù)合保暖材料，彈性回復(fù)力性能不好，并且保暖性能也有待進(jìn)一步提高，因此開發(fā)新型高彈保暖材料越來越受到重視。

本文設(shè)計(jì)一種植絨式高彈保暖材料的制備方案，設(shè)計(jì)制作一種能制備直立絨毛固結(jié)在兩層保暖基布中間的植絨式高彈保暖材料的制備裝置，利用該制備裝置制得具有致密空氣層結(jié)構(gòu)的兩端靜電植絨的植絨式高彈保暖材料，并對制備的植絨式高彈保暖材料與傳統(tǒng)保暖材料的壓縮回彈性及保暖性進(jìn)行對比測試，以期改善保暖材料笨重、回彈性差、保暖性不好等問題，為保暖材料的開發(fā)提供新方案。

1 植絨式高彈保暖材料設(shè)計(jì)

保暖材料中熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流是熱傳遞的三種主要形式，通常情況下材料性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形狀決定了熱傳遞的速率。傳統(tǒng)保暖材料一般通過增加材料厚度和密度來增大纖維之間靜止空氣層，減緩熱傳遞，但是會讓保暖材料顯得臃腫與笨重，將靜電植絨工藝用于制作保暖材料可以在絨毛層里儲存更多的靜止空氣，在提高保暖性能的同時(shí)減少纖維用量。研究現(xiàn)有的靜電植絨產(chǎn)品得知，植絨絨毛根據(jù)產(chǎn)品需求，粗細(xì)長短各有不同，但是大部分產(chǎn)品中絨毛沒有處于直立狀態(tài)。并且都是絨毛的一端與植絨基布粘結(jié)固定，另一端處于自由狀態(tài)，兩層基布間植入固定直立絨毛的保暖材料與兩端靜電植絨工藝鮮有研究。然而，在兩層保暖基布中植入等長的直立絨毛可以構(gòu)建致密空氣層的結(jié)構(gòu)，使保暖材料內(nèi)部的靜止空氣儲存量增加，并且上下兩層保暖基布使內(nèi)部空氣不易流失，以此提高材料的保暖性及蓬松性；再者固定在兩層基布中間的直立絨毛壓縮時(shí)軸向受力，會提高保暖材料的壓縮回彈性。

對植絨式高彈保暖材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，植絨式高彈保暖材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中1是保暖基布、2是熱熔膜、3是粘合劑、4是直立絨毛。其結(jié)構(gòu)由七層組成并上下對稱，由上到下分別為：上保暖基布層、上熱熔膜層、上粘合劑層、直立絨毛層、下粘合劑層、下熱熔膜層和下保暖基布層。其中上下兩層為基布材料，本文采用保暖非織造布，即非織造纖網(wǎng)，可用梳理成網(wǎng)針刺加固方式制得；向內(nèi)其次為上下熱熔膜層，用來涂敷粘合劑并將保暖基布與絨毛固結(jié)在一起；再向內(nèi)為上下粘合劑層，主要作用為粘結(jié)靜電植絨絨毛，并在高電壓作用下當(dāng)絨毛呈直立狀態(tài)時(shí)將絨毛粘結(jié)固定；中間為等長直立絨毛層，絨毛兩端分別通過粘合劑、熱熔膜垂直植入上下兩層保暖基布中。

圖1 植絨式高彈保暖材料結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到粘合劑在干燥失去水分后會形成膜狀的粘合劑層，導(dǎo)致保暖基布透氣性變差，故通過等距間隔的涂敷熱熔膜和粘合劑來保證保暖材料的透氣性，即熱熔膜層、粘合劑層和絨毛層在兩層保暖基布之間為等寬等間距的條形分布。另外保暖材料內(nèi)部的植絨面積與空白面積之比不宜過小，否則會造成兩層基布層之間的支撐效果不佳，導(dǎo)致在未植絨區(qū)域出現(xiàn)突出或凹陷，影響產(chǎn)品外觀并且壓縮回彈性及保暖性也會減弱，所以等寬等間距的寬度保持為1cm。為了讓植絨式高彈保暖材料達(dá)到更好的保暖性及回彈性效果，植絨絨毛的長短和粗細(xì)的選擇是至關(guān)重要的，絨毛太長則完全伸直有困難，太短導(dǎo)致蓬松性和保暖性下降；絨毛粗細(xì)也會影響絨毛的伸直狀態(tài)，但太粗會降低粘結(jié)牢度，且影響回彈性；再者絨毛本身的性能也會影響保暖材料的回彈性和保暖性，所以選用絨毛要綜合考慮。

由于等長直立絨毛的兩端需分別固定在兩層保暖基布上，為了實(shí)現(xiàn)兩端靜電植絨工藝除了粘合劑，還使用了熱熔膜。將熱熔膜熱壓在保暖基布表面一起當(dāng)作植絨基材，并且把粘合劑涂敷在基布表面的熱熔膜上。其中熱熔膜有兩個(gè)作用：一是熱壓到保暖基布表面后，靜電植絨粘合劑不會滲透到保暖基布里面，并且易涂敷粘合劑，使靜電植絨絨毛能夠平整直立地固結(jié)在兩層基布之間；二是烘燥時(shí)，熱熔膜熔融后能夠?qū)⒄澈蟿雍捅Ｅ紝诱辰Y(jié)在一起，溫度冷卻后固結(jié)粘合劑層和保暖基布層，使保暖基布與直立絨毛粘結(jié)的更牢固，粘合效果更好。

植絨式高彈保暖材料通過將絨毛直立固結(jié)在兩層保暖基布中間，構(gòu)建具有致密空氣層的結(jié)構(gòu)，使材料內(nèi)部空隙增大，在同樣厚度的情況下，能減少纖維材料用量，減輕保暖材料重量，降低生產(chǎn)成本；中間絨毛層排列規(guī)整，相比于非織造纖網(wǎng)的無序排列，材料壓縮受力時(shí)絨毛軸向受力，彈性回復(fù)力增大，即彈性增強(qiáng)；采用的絨毛長度一致，制備的植絨式高彈保暖材料表面平整，產(chǎn)品美觀。綜上所述，植絨式高彈保暖材料等長的絨毛直立固結(jié)在兩層保暖基布中間能在提高保暖材料保暖性的同時(shí)又使其具備高彈性和蓬松性，并且具有表觀平整和質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)。

2 植絨式高彈保暖材料的制備流程

植絨式高彈保暖材料的制備流程：植絨前準(zhǔn)備→纖網(wǎng)準(zhǔn)備→熱壓覆膜→涂粘合劑→靜電植絨→烘燥→吸絨→纖網(wǎng)復(fù)合→烘燥→卷繞。

具體工藝為：(1)植絨前準(zhǔn)備：將熱熔膜裁剪成1cm等寬的條形備用。(2)纖網(wǎng)準(zhǔn)備：分別制備上層纖網(wǎng)與下層纖網(wǎng)，用作本文的非織造保暖基布。(3)熱壓覆膜：將熱熔膜等距間隔的涂敷在保暖非織造布需植絨的一面，其間隔的寬度為1cm，并通過熱壓輥使熱熔膜熔融與保暖非織造布初步復(fù)合在一起。(4)涂粘合劑：在與保暖非織造布熱壓復(fù)合后的1cm寬的熱熔膜上均勻涂刮靜電植絨粘合劑。(5)靜電植絨：采用下飛法靜電植絨，通過實(shí)驗(yàn)得出，絨毛長度較長時(shí)兩極板距離過小容易導(dǎo)致絨毛之間相互糾纏，無法正常植絨，所以兩極板距離適當(dāng)調(diào)大，并為了使絨毛完全伸直，植絨電壓及植絨時(shí)間也相應(yīng)增加。(6)烘燥：采用熱風(fēng)方式進(jìn)行烘燥，讓下粘合劑中的水分蒸發(fā)，使絨毛固結(jié)在熱熔膜上并形成直立的外觀效果。烘燥時(shí)間不易過短，因?yàn)樘倘菀讓?dǎo)致粘合劑固化不良，使絨毛倒伏甚至脫落。(7)吸絨：用吸風(fēng)法除絨，在絨毛上面將吸風(fēng)裝置垂直放置，將浮毛及未粘結(jié)的多余絨毛除去。(8)纖網(wǎng)復(fù)合：纖網(wǎng)復(fù)合是在自制的植絨式高彈保暖材料制備裝置中進(jìn)行的，將吸絨過后的下層纖網(wǎng)與經(jīng)過熱壓覆膜、涂粘合劑后的上層纖網(wǎng)在兩極板間的高壓電場作用下進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合時(shí)絨毛處于直立狀態(tài)，復(fù)合速度為低速，使絨毛充分伸直并且粘結(jié)牢固。(9)烘燥：纖網(wǎng)復(fù)合后，再次進(jìn)行烘燥，使上粘合劑水分蒸發(fā)，并且烘燥時(shí)熱熔膜熔融會粘結(jié)絨毛和保暖基布，使絨毛的另一端與上層纖網(wǎng)粘結(jié)更牢固。但烘燥溫度不宜太高，過高的溫度會導(dǎo)致熱熔膜變形甚至流動，對平整性有較大的影響。(10)卷繞：將二次烘燥后的已完成兩端靜電植絨工藝的材料進(jìn)行卷繞冷卻，使保暖基布與絨毛完全固結(jié)并定型，制得植絨式高彈保暖材料。

植絨式高彈保暖材料制備裝置是在對普通靜電植絨裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后制得的，在靜電植絨的上下極板中間加入傳送帶和兩對上下壓輥，用于在纖網(wǎng)復(fù)合時(shí)實(shí)現(xiàn)兩端靜電植絨工藝。植絨式高彈保暖材料制備裝置工作時(shí)，在電機(jī)帶動下傳送帶開始運(yùn)動，接通兩極板的高壓電源，將來自烘燥并吸絨后的固結(jié)直立絨毛的下層纖網(wǎng)放在傳送帶上，并把已涂敷好熱熔膜和粘合劑的上層纖網(wǎng)通過上下導(dǎo)輥送入直立絨毛上面一起經(jīng)過高壓電場和上下壓輥，在高壓電場下絨毛保持直立狀態(tài)，在經(jīng)過壓輥時(shí)等長直立絨毛與上粘合劑粘結(jié)復(fù)合。并且根據(jù)將要復(fù)合的兩層非織造纖網(wǎng)層與絨毛層厚度調(diào)節(jié)兩對壓輥間的距離，壓輥距離以略小于要復(fù)合的兩層纖網(wǎng)與絨毛層厚度為宜，后壓輥距離比前壓輥距離小，這樣能對其進(jìn)行加壓復(fù)合使絨毛插入到粘合劑層中，同時(shí)又不會破壞絨毛原有的直立狀態(tài)。隨后接烘箱，進(jìn)入下一步工藝流程。

植絨式高彈保暖材料制備裝置使絨毛兩端固定在兩層保暖基布上，該裝置利用絨毛在高壓電場下處于直立狀態(tài)，并且由于等長絨毛的另一端已經(jīng)固定在下層纖網(wǎng)上，從而絨毛上端會豎直植入上層纖網(wǎng)，在壓輥的壓力下完成粘結(jié)固定。植絨式高彈保暖材料制備裝置綜合利用了靜電植絨工藝和多層復(fù)合工藝，實(shí)現(xiàn)兩端靜電植絨工藝，在兩層保暖基布中間構(gòu)建了致密空氣層結(jié)構(gòu)，并且工藝靈活、操作方便、適應(yīng)性廣，可用來復(fù)合不同長度絨毛的保暖材料，是制備植絨式高彈保暖材料的簡易設(shè)備。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述制備工藝流程和植絨式高彈保暖材料制備裝置，采用長度為8mm、細(xì)度為5D的尼龍短纖維為絨毛，保暖非織造布為保暖基材，以及使用TPU型熱熔膜和聚丙烯類粘合劑。利用熱壓輥將熱熔膜與保暖非織造布熱壓復(fù)合后，然后利用靜電植絨裝置將涂敷熱熔膜和聚丙烯類粘合劑的下層纖網(wǎng)上植入尼龍絨毛，保證絨毛成直立狀態(tài)，用所設(shè)計(jì)的植絨式高彈保暖材料制備裝置將已烘燥、吸絨后的下層纖網(wǎng)與已涂敷好熱熔膜和粘合劑的上層纖網(wǎng)復(fù)合，完成兩端靜電植絨工藝，兩層纖網(wǎng)復(fù)合后在烘箱內(nèi)讓上粘合劑水分蒸發(fā)，并且此時(shí)熱熔膜與上下兩層保暖非織造布進(jìn)一步加固粘結(jié)，最終得到兩層保暖非織造布中間等長絨毛成直立狀態(tài)的植絨式高彈保暖材料試驗(yàn)樣品。對植絨式高彈保暖材料試驗(yàn)樣品與常規(guī)保暖非織造布的保暖性和壓縮回彈性進(jìn)行對比測試，植絨式高彈保暖材料與保暖非織造布的保暖率及壓縮彈性回復(fù)率對比測試結(jié)果見表1。

表1 植絨式高彈保暖材料與保暖非織造布的保暖率、壓縮彈性回復(fù)率對比

從表1可以看出，植絨式高彈保暖材料的保暖率可以改善15%~40%，植絨式高彈保暖材料的壓縮彈性回復(fù)率可以改善20%~35%，在平方米克重區(qū)別不大的范圍內(nèi)保暖性和彈性效果增加明顯。

4 結(jié)論

本文按照植絨式高彈保暖材料的制備方案并利用植絨式高彈保暖材料制備裝置，制備的植絨式高彈保暖材料與常規(guī)保暖非織造布相比保暖率提高15%~40%，壓縮彈性回復(fù)率提高20%~35%，達(dá)到了預(yù)期效果要求。植絨式高彈保暖材料提高了保暖材料的壓縮回彈性及保暖性，解決了保暖材料笨重、彈性差、保暖性不好等缺點(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)保暖材料。設(shè)計(jì)并制作的植絨式高彈保暖材料制備裝置具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用靈活以及可制備不同長度絨毛保暖材料的特點(diǎn)，是一種能實(shí)現(xiàn)在兩層基布中間植入直立絨毛的簡易設(shè)備，為高彈保暖材料的開發(fā)提供了新的制備方案。

[1] 岳素娟，郝新敏，張建春，等．幾種新型保暖絮材性能之比較[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2005，23(2)：28-30+41．

[2] 劉靜．非織造復(fù)合保暖材料的制備與性能研究[D]．天津：天津工業(yè)大學(xué)，2017．

[3] 范智貴，于偉東．準(zhǔn)單層羽絨絮網(wǎng)成形工藝及其性能表征[D]．上海：東華大學(xué)，2011．

[4] 曹繼崗．高蓬松纖維集合體保暖性測試方法研究及應(yīng)用[D]．上海：東華大學(xué)，2010．

[5] 趙媛媛．服裝絮料的保暖性研究[D]．上海：東華大學(xué)，2013．

[6] 王利偉．羽毛/化纖混合保暖絮片的開發(fā)及其性能的研究[D]．上海：東華大學(xué)，2004．

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Preparation Scheme of Flocking Type of High Elastic Warmth Retention Material

ZHANG Ru-quan1, HU Quan-zhi1, LIU Xue-qiang2, CHEN Yu-hong2, JIANG Ji-zhong1, FENG Jun1

(1. Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. Quartermaster Research Institute of Engineering and Technology, Beijing 100010, China)

In order to develop high-elastic warmth retention material， we devised the fluff upright in the middle of two warm fabric consolidation，and designed flocking high-elastic warmth retention material with a dense layer structure of air， and the preparation of the device to achieve the warm material performance. The device uses both ends of the electrostatic flocking process， high-elastic warm material prepared with ordinary warm non-woven fabric. The comparison test results showed that flocking high-elastic warm material rate increased by 15% to 40%， compressive elastic recovery rate increased by 20% to 35%， with warm well and high elasticity characteristics. Thus， this device has a positive effect on the development of warm material.

high elastic warmth retention material; electrostatic flocking; upright fluff; non-woven material

劉雪強(qiáng)（1976-），男，高級工程師，研究方向：功能材料.

TS176.7

A

2095－414X(2019)02－0008－04