黃麻復(fù)合床墊材料的制備及其性能

賴 艷,張得昆,劉可欣,陳 莉

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

床墊是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊豢罴揖宇惍a(chǎn)品。隨著人們生活水平的提高,人們對(duì)紡織品的功能性和舒適性要求也逐漸增多[1]。目前,市場(chǎng)上床墊種類多為彈簧床墊和棕櫚床墊,這兩種床墊都存在易蟲蛀霉變等缺點(diǎn)。因此,研究新型的床墊材料具有市場(chǎng)前景。當(dāng)今很多床墊使用天然植物纖維為原料,既實(shí)現(xiàn)植物原料的再生可持續(xù)發(fā)展,又營(yíng)造了生態(tài)健康的舒適睡眠環(huán)境[2]。與化學(xué)纖維相比,天然植物纖維具有來(lái)源廣、價(jià)格低、可再生、可降解等特點(diǎn)[3-5]。黃麻纖維產(chǎn)量大,價(jià)格是亞麻纖維的1/2,苧麻纖維的2/3,同樣具有優(yōu)良的抑菌、防霉、易降解等特性[6]。利用黃麻纖維性能優(yōu)勢(shì)制備復(fù)合材料,能更大程度提升其附加值[7]。

近年來(lái),隨著生態(tài)與環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),黃麻纖維的開發(fā)利用成為研究的熱點(diǎn)之一,文獻(xiàn)[8-9]制備黃麻纖維復(fù)合材料,得出其在吸音降噪方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而適合于做汽車內(nèi)飾件;劉麗妍等[10]開發(fā)新型黃麻混織針織物,改善了黃麻手感；鄧燦輝等[11]提出了目前黃麻材料在吸附應(yīng)用中面臨的主要問(wèn)題及應(yīng)用前景；李彭勃等[12]制備了黃麻茶葉濾紙，并探討了其最佳工藝及應(yīng)用條件；李俊濤等[13]制備了玄武巖/黃麻/聚乙烯復(fù)合材料,改善了黃麻增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料之間的粘合性。還有學(xué)者在麻纖維及其復(fù)合材料的物理改性[14]、化學(xué)改性[15-16]等方面做了深入研究或全面論述。文獻(xiàn)[17-18]利用滌綸、ES雙組分纖維等制備了針刺復(fù)合材料,探討了合理的針刺工藝。不過(guò)，利用黃麻纖維制備復(fù)合床墊材料的研究十分少。本文以黃麻纖維、三維卷曲中空滌綸纖維和ES雙組分纖維為原料，通過(guò)非織造技術(shù)研發(fā)黃麻復(fù)合床墊材料,以開發(fā)新型床墊材料，豐富床墊的功能和種類。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料 黃麻纖維(平均直徑110 μm,長(zhǎng)度80～85 mm,青島金嶺沃國(guó)際貿(mào)易有限公司),三維卷曲中空滌綸纖維(6.7 dtex×65 mm,單孔,中空度為37.5%,南通羅萊化纖有限責(zé)任公司),ES雙組分纖維(1.5 dtex×38 mm,江蘇中石纖維股份有限公司)。

1.1.2 儀器 WL小型梳理針刺生產(chǎn)線(太倉(cāng)市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司),YG(B)216T型織物透濕量?jī)x(溫州大榮紡織儀器有限公司),YD141D型織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器有限公司),FA100A型電子天平(上海皓莊儀器公司),YG461L型全自動(dòng)透氣性能測(cè)試儀(萊州市電子儀器分公司),YG401C-13織物平磨儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司),YG(B)026D-500型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州大榮紡織儀器有限公司),JCM-5000型掃描電子顯微鏡(日本尼康公司)。

1.2 樣品的制備

黃麻纖維和三維卷曲中空滌綸纖維以3種不同比例混合,并加入相同量的ES雙組分纖維,通過(guò)不同的針刺密度和不同的熱風(fēng)烘燥溫度、烘燥時(shí)間,設(shè)計(jì)四因素三水平的正交試驗(yàn)方案。正交設(shè)計(jì)水平表如表1所示,其中黃麻/三維卷曲中空滌綸/ES纖維配比為因素A，針刺密度為因素B，烘燥溫度為因素C，烘燥時(shí)間為因素D。ES雙組份纖維的熔點(diǎn)在130 ℃～170 ℃,因此設(shè)置烘燥溫度130 ℃，150 ℃，170 ℃ 3個(gè)水平。經(jīng)過(guò)前期多次實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)針刺密度在50 刺/cm2～150 刺/cm2范圍時(shí),各項(xiàng)性能較好,因此設(shè)置針刺密度50 刺/cm2，100 刺/cm2，150 刺/cm2等3個(gè)水平。產(chǎn)品的正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。根據(jù)正交試驗(yàn)方案,采用干法非織造技術(shù)制備了9組床墊材料樣品,每組樣品設(shè)計(jì)的定量為685 g/m2。先將黃麻纖維、三維卷曲中空滌綸纖維,ES纖維按比例充分混合開松后,再經(jīng)過(guò)梳理、鋪網(wǎng)、針刺加固,利用熱風(fēng)粘合技術(shù)處理,最終得到黃麻復(fù)合床墊材料。

表 1 正交試驗(yàn)因素水平表

表 2 產(chǎn)品正交試驗(yàn)方案

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 定量 根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品非織造布實(shí)驗(yàn)方法 第1部分:單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。每組取30 cm×30 cm的試樣10塊進(jìn)行稱量,求其平均值。

1.3.2 厚度測(cè)試 根據(jù)GB/T 24218—2009《紡織品非織造布測(cè)試方法 第2部分:厚度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。每組取30 cm×30 cm的試樣10塊。試樣為普通型非織造布,在壓強(qiáng)為0.5 kPa加壓10 s后,記錄試樣厚度,并求平均值。

1.3.3 透氣性測(cè)試 根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)試》進(jìn)行測(cè)試。每組取30 cm×30 cm的試樣10塊,并求平均值。試樣透氣面積為20 cm2,測(cè)試壓差為200 Pa。

1.3.4 壓縮性能測(cè)試 采用GB/T 24442.1—2009《紡織品 壓縮性能的測(cè)定 第1部分:恒定法》進(jìn)行測(cè)試。每組取試樣10塊,壓腳面積100 mm2,輕壓壓力0.5 kPa,重壓壓力30 kPa。根據(jù)式(1),式(2)計(jì)算每個(gè)試樣的壓縮率C(%)、壓縮彈性率R(%),保留兩位小數(shù)。

(1)

(2)

1.3.5 拉伸性能測(cè)試 根據(jù)FZ/T 60005—1991《非織造布拉伸強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。樣品尺寸30 cm×5 cm,每組樣品橫向和縱向樣品各5條,并計(jì)算出縱橫向強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率的平均值。

1.3.6 耐磨性測(cè)試 采用GB/T 21196.3—2007《紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測(cè)試 第3部分:質(zhì)量損失的測(cè)定 》進(jìn)行測(cè)試。其中負(fù)荷壓力為5.82 N(5949),試樣直徑為38 mm,初次摩擦為100次,往后每50次記一次數(shù)據(jù),直至磨破。根據(jù)式(3)計(jì)算耐磨指數(shù)。

(3)

1.3.7 透濕性測(cè)試 采用GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第2部分:蒸發(fā)法》進(jìn)行測(cè)試。其中透濕杯內(nèi)中倒入34 mL的水,放入測(cè)試儀器內(nèi)1 h,試驗(yàn)箱相對(duì)濕度為50%,透濕杯內(nèi)相對(duì)濕度為100%。測(cè)試并計(jì)算試樣的透濕率、透濕度、透濕系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 定量和厚度

每組樣品定量及厚度的平均值見(jiàn)表3。由表3可計(jì)算出,9組床墊樣品的定量平均值為685.74 g/m2,CV=1.04%,表明9組床墊樣品定量整體相差不大,且與設(shè)計(jì)的定量相差不大,可用于其性能對(duì)比分析。對(duì)比表2和表3可知,在相同比例下,針刺密度越大厚度越小,說(shuō)明針刺密度對(duì)厚度影響較大,這是因?yàn)獒槾碳庸淌估w維相互靠攏而被擠壓,使原本蓬松的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得更緊密[19],因此針刺密度越大厚度越小。纖維配比及熱風(fēng)烘燥的溫度和時(shí)間對(duì)厚度也有一定影響,但都不如針刺密度的影響顯著。因此,影響黃麻復(fù)合床墊材料厚度的主要因素是針刺密度,其它因素的影響不明顯。

表 3 黃麻復(fù)合床墊材料的定量及厚度

2.2 透氣性能、壓縮性能及耐磨性能分析

床墊材料的透氣性能、壓縮回彈性能是反映其舒適性的重要指標(biāo),同時(shí)床墊在使用過(guò)程中表面不斷受到磨擦作用,其耐磨性能是反映其耐用程度的重要指標(biāo)。因此,以透氣性、壓縮性能和耐磨性能為評(píng)價(jià)指標(biāo),設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)分析所制備的床墊材料性能。試樣透氣性、耐磨性、壓縮性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表 4 試樣透氣性、耐磨性、壓縮性能測(cè)試結(jié)果

表 5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 透氣性能 由表4可以看出,在相同針刺密度下,隨著黃麻含量的增加,透氣率也隨之增加,這是因?yàn)辄S麻纖維較硬挺,橫截面為不規(guī)則的多角形,不易纏結(jié),使產(chǎn)品內(nèi)部間隙較多,提高了透氣性;同種配比的樣品隨著針刺密度的增加,透氣率降低,原因是針刺將纖維更好地纏結(jié)在一起,并使纖維間的孔隙減小,從而導(dǎo)致透氣率減小。正交試驗(yàn)結(jié)果分析見(jiàn)表5。根據(jù)表5可知,針刺密度對(duì)產(chǎn)品透氣性能影響較大,其次是纖維原料配比；相比之下,烘燥溫度和時(shí)間對(duì)產(chǎn)品透氣性能雖有影響但不顯著,透氣率最優(yōu)的工藝參數(shù)組合是A3B1C3D1。透氣性是床墊材料的重要性能指標(biāo)之一,通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知增加黃麻纖維含量、降低針刺密度可提高其透氣性能。2.2.2 壓縮性能 由表4可以看出,烘燥溫度較低時(shí)壓縮率較大。烘燥時(shí)間較短但溫度較高的產(chǎn)品與烘燥時(shí)間較長(zhǎng)但溫度較低的產(chǎn)品壓縮率相近。這是由于溫度較低時(shí)ES纖維熔融不充分,產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)點(diǎn)黏結(jié)不緊密,較易壓縮,而高溫下ES纖維熔融較完全,黏合較好,產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密,不易壓縮,壓縮率較低。當(dāng)烘燥溫度在130 ℃時(shí),隨著黃麻含量的增加,壓縮率降低；當(dāng)烘燥溫度升高后,隨著黃麻含量的增加,壓縮率相差不大。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)ES纖維熔融不完全,產(chǎn)品內(nèi)部沒(méi)有形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而且黃麻纖維硬挺,纖維卷曲少,隨著黃麻纖維的增加,產(chǎn)品的壓縮率降低。當(dāng)溫度較高時(shí),ES纖維熔融較完全,產(chǎn)品內(nèi)部形成了穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu),其壓縮率主要與形成的三維結(jié)構(gòu)有關(guān),而與黃麻含量關(guān)系不大。

由表4還可以看出,2，3，5號(hào)樣品的壓縮彈性率較高。其工藝特點(diǎn)一種是三維卷曲中空滌綸纖維的比例中等偏高,烘燥溫度高;另一種是烘燥溫度適中、三維卷曲中空滌綸纖維的比例高。因此,壓縮彈性率與烘燥溫度和纖維比例有很顯著的關(guān)系,烘燥溫度高,黃麻纖維含量少的產(chǎn)品壓縮回彈率較高。這是因?yàn)樵谳^高溫度下,熔融的ES纖維能很好地黏附在纖維的交接處,形成穩(wěn)固的三維結(jié)構(gòu),在壓縮后能更好地回彈;而三維卷曲中空滌綸纖維本身具有卷曲性,在產(chǎn)品內(nèi)部起到很好的彈性作用,即使烘燥溫度不高時(shí),仍能達(dá)到較高的回彈性能。在相同溫度下,隨著黃麻纖維含量的增加,壓縮彈性率降低,這是因?yàn)辄S麻纖維的彈性較差,黃麻纖維增多,其相應(yīng)的回彈性也降低。

為了更進(jìn)一步分析試樣的壓縮回彈性能,對(duì)9組床墊材料中壓縮回彈性最好的樣品(試樣2)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)壓縮性能測(cè)試。重壓時(shí)間為10 s,每20 s進(jìn)行一次壓縮和恢復(fù)過(guò)程,連續(xù)壓縮30 h,共進(jìn)行約5 400次壓縮恢復(fù)。測(cè)試其厚度、壓縮率和壓縮彈性率分別為5.97 mm,23.46%和91.43%。與長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)壓縮之前相比,試樣的厚度、壓縮率和壓縮彈性率都有不同程度的下降,但下降都不大。表明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)多次壓縮后,樣品還具有良好的壓縮回彈性。

從表5還可以看出,烘燥溫度對(duì)壓縮回彈性影響最為顯著,其次是纖維配比,針刺密度和烘燥時(shí)間對(duì)其的影響都較小。對(duì)于壓縮回彈性,最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為A1B1C3D2,即黃麻/三維卷曲中空滌綸/ES纖維的比例為30/50/20,針刺密度為50 刺/cm2,烘燥溫度為170 ℃,烘燥時(shí)間為6.5 min時(shí),壓縮回彈性最好。從表3和表4可知,不同的工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的厚度影響較大,而樣品的壓縮性能不僅和纖維配比、加工工藝參數(shù)相關(guān),還與樣品的厚度有一定的關(guān)系,而厚度又跟纖維配比及加工參數(shù)是直接相關(guān)的。因此，厚度對(duì)樣品壓縮性能影響是比較復(fù)雜的,同時(shí)也受到其它因素的交互影響,合理的纖維配比及加工工藝參數(shù)可使得產(chǎn)品具有最優(yōu)的壓縮性能。

2.2.3 耐磨性能 根據(jù)表4，5可知,樣品3和樣品9的耐磨指數(shù)明顯高于其它樣品,其工藝特點(diǎn)是針刺密度和溫度都較高,說(shuō)明較大的針刺密度和較高的烘燥溫度有利于提高其耐磨性能。原因是烘燥溫度越高,ES纖維熔融的越充分,纖維結(jié)點(diǎn)粘結(jié)越緊密,耐磨性能越好;針刺密度越大,纖維間纏結(jié)更緊密,形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu),提高了耐磨性能。從表5中還可知,對(duì)于耐磨性,最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B3C3D3。烘燥溫度對(duì)耐磨性影響最為顯著,針刺密度次之,纖維配比和烘燥時(shí)間對(duì)耐磨性影響不大,表明黃麻纖維含量增加并未降低產(chǎn)品的耐磨性,合理的工藝參數(shù)和纖維配置能夠彌補(bǔ)黃麻纖維耐磨性差的缺陷。

2.3 床墊材料的拉伸性能

9組床墊材料的拉伸斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率如表6所示。由表6可以看出,各試樣的縱橫向強(qiáng)力均隨著針刺密度的增加而增大?？梢?jiàn)針刺密度對(duì)斷裂強(qiáng)力具有明顯影響,這是因?yàn)獒槾堂芏仍酱罄w維間纏結(jié)效果越好。表6還可以看出各試樣的橫向斷裂強(qiáng)力均大于縱向；橫向斷裂伸長(zhǎng)率均小于縱向,這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)交叉鋪網(wǎng)后纖維網(wǎng)中大部分纖維長(zhǎng)度方向與橫向形成的夾角較小,因此樣品的橫向強(qiáng)力大而伸長(zhǎng)小。

表 6 床墊材料的拉伸斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率

在針刺密度相同的條件下,隨著黃麻纖維比例的增加,斷裂強(qiáng)力有降低的趨勢(shì),但不顯著,說(shuō)明黃麻纖維雖然表面光滑、卷曲少、抱合力差,但在加入了ES雙組分熱熔纖維及合理的工藝條件下,黃麻纖維可以與其它纖維之間產(chǎn)生較好的粘結(jié)作用,克服了黃麻纖維抱合力差的不足,提高了黃麻針刺復(fù)合材料的強(qiáng)力。

2.4 床墊材料的透濕性能

9組床墊材料的透濕率、透濕度及透濕系數(shù)如表7所示。由表7中可知,9組樣品的透濕性能數(shù)據(jù)有一定的差異,但變化不大。產(chǎn)品具有良好的透濕性能。

表 7 床墊材料的透濕數(shù)據(jù)

床墊材料的壓縮回彈性能是其關(guān)鍵的指標(biāo),其次拉伸性能、透氣、透濕性能等也是床墊材料的重要指標(biāo)。根據(jù)正交試驗(yàn),并考慮各性能指標(biāo)對(duì)床墊材料的綜合影響,得出影響黃麻復(fù)合床墊材料性能的主要因素依次為烘燥溫度、纖維配比、針刺密度、烘燥時(shí)間；最優(yōu)的工藝參數(shù)為黃麻/三維卷曲中空滌綸/ES纖維的比例30/50/20,針刺密度50 刺/cm2,烘燥溫度170 ℃,烘燥時(shí)間6.5 min。

2.5 黃麻復(fù)合床墊材料的結(jié)構(gòu)特征

利用掃描電子顯微鏡對(duì)最優(yōu)工藝方案下黃麻復(fù)合床墊材料的表面和截面結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行觀察,圖1為試樣表面和橫截面不同放大倍數(shù)下的電鏡照片。

(a) 試樣表面結(jié)構(gòu)(200倍)

(b) 試樣表面結(jié)構(gòu)(50倍)

(c) 試樣橫截面結(jié)構(gòu)(200倍)

從圖1可以明顯地觀察到床墊材料中組成的3種纖維成分,有溝槽的是黃麻纖維,較粗、有單孔的是三維卷曲中空滌綸纖維,較細(xì)、表面有熔融的是ES纖維。由圖1中可以看出,無(wú)論表面還是橫截面,纖維在試樣中各個(gè)方向都是隨機(jī)均勻分布的,隨機(jī)三維分布的纖維將材料內(nèi)部空間分割為無(wú)數(shù)個(gè)密集分布的孔隙;同時(shí)還可以看到ES纖維與三維卷曲中空滌綸纖維、黃麻纖維形成了點(diǎn)狀結(jié)構(gòu),形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種纖維交叉點(diǎn)上發(fā)生的點(diǎn)黏合使三維分布的纖維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,使得產(chǎn)品具有了良好的壓縮性能和通透性能。

3 結(jié) 論

(1) 利用黃麻、三維卷曲中空滌綸纖維和ES雙組分纖維通過(guò)非織造技術(shù)加工出了性能良好的黃麻復(fù)合床墊材料。影響其性能的主要因素依次為烘燥溫度、纖維配比、針刺密度、烘燥時(shí)間；最優(yōu)的工藝參數(shù)為黃麻/三維卷曲中空滌綸/ES纖維的比例30/50/20,針刺密度50 刺/cm2,烘燥溫度170 ℃,烘燥時(shí)間6.5 min。

(2) 黃麻復(fù)合床墊材料的壓縮彈性率與烘燥溫度和纖維比例有顯著關(guān)系。在一定的范圍內(nèi)烘燥溫度的提高有利于壓縮彈性率的增加;在烘燥溫度相同的條件下隨著黃麻纖維含量的增加,三維中空滌綸的減少,其壓縮彈性率降低。

(3) 烘燥溫度對(duì)產(chǎn)品耐磨性影響最為顯著,針刺密度次之,較高的烘燥溫度和針刺密度有利于提高產(chǎn)品的耐磨性能;纖維配比對(duì)耐磨性影響不大,黃麻纖維含量的增加并沒(méi)有明顯降低產(chǎn)品的耐磨性。合理的工藝參數(shù)和纖維配置能夠彌補(bǔ)黃麻纖維耐磨性差的缺陷。黃麻纖維的增加和針刺密度的降低可以提高產(chǎn)品的透氣性能。