聚乙烯/聚酯纖維卷曲對熱風非織造材料性能的影響

劉 歡，封 嚴，錢曉明，齊晶晶，韓麗娜，馬計蘭

(1.天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院，天津 300387； 2.北京京蘭非織造布有限公司, 北京 101204)

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，二胎政策的開放、人口老齡化以及龐大的人口基數(shù)等都會促進衛(wèi)生用品市場的持續(xù)發(fā)展[1]。在婦女衛(wèi)生巾、嬰兒紙尿褲等衛(wèi)生用品中，由于面層材料與皮膚緊密接觸，因此要求面層材料透氣、透濕，能很好地吸收液體，并能使液體快速進入導流層，且防止液體回滲保持自身的干爽[2]。此外，消費者更希望面層材料有良好的觸感，以便在使用時更加舒適。柔軟性是影響舒適性的重要因素，對于非織造材料的柔軟特征已有較多研究。焦曉寧等[3]發(fā)現(xiàn)用SCJ-891整理劑整理后的非織造布柔軟度變好，手感變好。劉美言[4]采用非離子固體柔軟劑對織物進行后處理，得到更加柔軟、手感更好的織物。王建等[5]對有夜光涂層的織物做了柔軟處理，結(jié)果表明經(jīng)柔軟處理后的織物手感有所改進。劉凡等[6]用4種不同方法對非織造布進行柔軟處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過柔軟處理的非織造布比未經(jīng)處理的非織造布的滑爽性要好。對非織造材料增加一些花紋，使得其與皮膚接觸的面積減少，可得到透氣性能良好、更加舒適的衛(wèi)生材料。嚴木[7]在面層材料中增加了多個立體壓紋，制得3D立體壓紋面層的紙尿褲；蘇藝強[8]采用特殊卷曲纖維制得凹凸立體親膚面層材料，該面層材料設有多個凸形親膚粒子，每個親膚粒子之間帶有凹形通氣槽；劉洋等[9]在面層材料設置了柱形的凹凸個體形成上下雙層立體結(jié)構(gòu)；嚴華榮等[10]研究的透爽立體感珍珠紙尿褲面層材料由3層組成，上層有凸起結(jié)構(gòu)，帶有立體引流紋。

目前，市場上衛(wèi)生用品的面層材料一般采用薄型的紡粘非織造材料或者熱風非織造材料。用于衛(wèi)生用品面層的薄型紡粘非織造材料的代表是SSS非織造材料(簡稱3S)[11]。3S由3層紡粘非織造材料構(gòu)成，3層之間有黏合點，沒有黏合的地方可以滑動，纖維為長絲結(jié)構(gòu)沒有卷曲，因此成品具有絲柔、爽滑的特點。熱風非織造材料使用的原料是ES纖維(聚乙烯/聚酯)，它是一種雙組分皮芯結(jié)構(gòu)復合纖維，由皮層(聚乙烯，PE)和芯層(聚酯，PET)復合而成，ES纖維是短纖維，具有卷曲結(jié)構(gòu)，其熱風非織造材料具有蓬松、棉柔的特點[12]。何厚康[13]通過研究一次性衛(wèi)生用熱風非織造材料的接觸舒適性及其定量評價方法，發(fā)現(xiàn)影響其最終舒適性的有熱風非織造材料的黏合點、皮層PE的含量、面密度均勻性，并且通過主觀評價分析得出光滑性是影響消費者舒適性最主要的因素?；谏鲜鲈颍疚囊詿犸L非織造材料為研究對象，運用物理方法通過改變ES纖維的卷曲性能來制備熱風非織造材料，使其在保留本身棉柔、蓬松的基礎上兼具3S紡粘非織造材料絲柔、爽滑的特點，使得消費者在使用時感覺更加舒適。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

實驗儀器見表1。

表1 實驗儀器

1.2 實驗原料

實驗所用纖維原料為雙組分皮芯結(jié)構(gòu)的ES纖維(北京京蘭非織造布有限公司)，皮芯比例為PE/PET 50/50，纖維規(guī)格為長度38 mm，線密度1.33 dtex。該公司提供了4種不同卷曲度的ES纖維，本文實驗制得了面密度為20 g/m2但結(jié)構(gòu)不同的4種熱風非織造材料，分別記為試樣1、試樣2、試樣3、試樣4。

1.3 制備工藝及參數(shù)

將ES纖維經(jīng)過開松、混合，再通過機械梳理形成纖維網(wǎng)，最終經(jīng)過熱風加熱使得纖維相互搭接處的表層纖維熔融黏合，其中熱風溫度為135 ℃，熱風機頻率為25 Hz，加熱時間為3 min，最終纖維網(wǎng)冷卻后形成蓬松的熱風非織造材料[14]。

由于3S紡粘非織造材料在一次性衛(wèi)生用品市場中有很廣泛的應用，故作為對比試樣，選取了2種3S紡粘非織造材料，分別記為試樣5和試樣6，試樣5為普通3S紡粘非織造材料，試樣6為柔軟處理后的3S紡粘非織造材料。

1.4 纖維原料性能測試

采用TM3030型臺式掃描電子顯微鏡，對纖維表面形態(tài)及橫截面樣貌進行觀察。

采用YG362A型卷曲彈性儀，根據(jù)GB/T 14338—2008《化學纖維 短纖維卷曲性能實驗方法》測試短纖維卷曲性能。

采用YG001A型單纖維電子強力儀，根據(jù)FZ/T 98009—2011《電子單纖維強力儀》測試纖維的拉伸性能。

1.5 非織造材料的性能測試

采用YG141型數(shù)字式織物厚度儀，按照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》測試試樣的厚度，選取的壓力為0.5 kPa、壓腳面積為20 cm2。

采用YG461H型全自動透氣量儀，按照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》測試材料的透氣性能，測試選用20 cm2的測試面積，壓力差為100 Pa。

采用YG(B)216型織物透濕量儀，按照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分：蒸發(fā)法》測試試樣的透濕性能，設置實驗環(huán)境溫度為38 ℃，相對濕度為50 %。

采用5969型萬能電子強力儀，根據(jù)GB/T 24218.18—2014《紡織品 非織造布試驗方法 第18部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定》 測試試樣的力學性能，選取隔距為200 mm，拉伸速度為100 mm/min。

采用LISTER AC型電子水分滲透儀和WETBACK無紡布吸濕測定儀，根據(jù)GB/T 24218.8—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第8部分：液體穿透時間的測定》測試試樣的液體穿透時間，根據(jù)GB/T 24218.14—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第14部分：包覆材料返濕量的測定》測試試樣的返濕量。樣品大小為125 mm×125 mm，實驗用滲透液為質(zhì)量濃度9 g/L的NaCl溶液模擬尿液。

試樣孔隙率計算公式為：

式中：η為孔隙率，%；G為面密度，g/m2；ρ為原材料密度，g/m3；δ為材料厚度，m。

采用KES-FB4型川端織物風格儀根據(jù)FZ/T 01054—2012 《織物表面摩擦性能的試驗方法》對6種試樣進行摩擦性能測試，測試試樣大小為200 mm×200 mm。KES-FB4是通過模擬指尖觸感設計傳感器部的負載，可將接近人類指尖的感覺數(shù)值化，最終得出試樣的摩擦因數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣形貌

ES纖維橫截面形貌見圖1，ES纖維表面形貌見圖2，試樣表面形貌見圖3。

圖3 試樣表面形貌

從圖1中可以看出ES纖維是同心的雙組分皮芯結(jié)構(gòu)，其中皮層為PE，芯層為PET。采用Image J軟件計算6種試樣的直徑。試樣1～6號的平均直徑分別為12.75、12.36、12.69、12.44、17.40、17.88 μm。

從圖3可以看出，試樣1、2、3、4為具有卷曲的短纖維，試樣5、6為沒有卷曲的長絲。上述6種試樣中3S紡粘非織造試樣的纖維直徑較熱風非織造材料的纖維直徑大。紡粘非織造材料的表面沒有纖維的頭端，手感較為爽滑，因此降低纖維的卷曲度是改善織物觸感的有效方法。

2.2 ES纖維和試樣的基本性能

ES纖維和試樣的基本性能見表2?？梢钥闯?，試樣1、2、3、4的厚度隨著纖維卷曲度的降低而逐漸減小。在面密度接近的情況下，試樣1的厚度最大，結(jié)構(gòu)更加蓬松，表明纖維卷曲度越大纖維網(wǎng)的蓬松性越好。試樣1、2、3、4的厚度比試樣5和試樣6的厚度大，這是因為熱風工藝和紡粘工藝不同。熱風非織造材料利用熱熔黏合，熔融的聚合物流動并凝聚在纖維交叉點上，未黏合部分則保持原來的狀態(tài)，纖維隨機排列，具有良好的空間結(jié)構(gòu)。3S紡粘非織造材料是聚合物直接成網(wǎng)，3層紡粘非織造材料經(jīng)過加熱加壓后結(jié)構(gòu)緊密，軋點周圍的纖維黏結(jié)在一起，所以厚度小，蓬松性比熱風非織造材料差。

表2 ES纖維和試樣的基本性能

2.3 ES纖維卷曲對試樣透氣透濕性影響

ES纖維卷曲程度對試樣透氣透濕性能的影響見圖4。

圖4 ES纖維卷曲程度對試樣透氣透濕性能的影響

從圖4可以看出，隨著纖維卷曲度的降低，試樣1、2、3、4的透氣率和透濕率基本不變，試樣1、2、3、4的透氣性能優(yōu)于試樣5和試樣6，透濕率相差不大。GOZEN等[15]研究表明透氣性和透濕性主要與試樣的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，田偉等[16]對非織造材料進行測試與分析，發(fā)現(xiàn)試樣的透氣率與孔隙率呈冪函數(shù)的關(guān)系。從表2可以看出，試樣1、2、3、4的孔隙率基本不變，且大于試樣5和試樣6。熱風非織造材料自身具有蓬松的特性，纖維網(wǎng)中的孔隙較大，有助于氣體通過。紡粘非織造材料纖維網(wǎng)中的纖維排列較為緊密，且3層紡粘非織造材料是通過熱軋的方式加固的，3層之間也較為緊密。因此3S紡粘非織造材料透氣性沒有熱風非織造材料好。

2.4 ES纖維卷曲對試樣力學性能的影響

ES纖維卷曲程度對試樣斷裂強力的影響見圖5。

圖5 ES纖維卷曲程度對試樣斷裂強力的影響

從圖5可以看出，隨著ES纖維卷曲度的改變，試樣1、2、3、4縱、橫向的力學性能沒有明顯變化，且3S紡粘非織造材料的斷裂強力優(yōu)于熱風非織造材料，各向異性較小。試樣斷裂時起主要作用的是材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，斷裂實質(zhì)上是纖維間的相互作用[17]，所以影響熱風非織造材料斷裂強力的主要因素是纖維原料和成網(wǎng)、固網(wǎng)的方法，而纖維卷曲度的改變對纖維本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生本質(zhì)性變化。熱風非織造材料是短梳理成網(wǎng)后經(jīng)熱風加熱、加固而形成的干法非織造材料，試樣的縱向強力大于橫向強力；而3S紡粘非織造材料是聚合物直接成網(wǎng)，通過熔體噴絲后經(jīng)過牽伸工藝，熔體長絲隨即搭接在一起，然后經(jīng)過熱軋作用加固而成。纖維之間黏結(jié)的部分比熱風非織造材料多，所以3S紡粘非織造材料的斷裂強力比熱風非織造材料斷裂強力高，試樣6的斷裂強力有所降低，可能是經(jīng)過柔軟處理導致的。

2.5 ES纖維卷曲對試樣滲透和反滲性影響

圖6 ES纖維卷曲程度對試樣滲透時間和回滲量的影響

ES纖維卷曲程度對試樣滲透時間和回滲量的影響見圖6?？梢钥闯?，隨著纖維卷曲度的降低，試樣1、2、3、4的滲透時間逐漸減少，回滲量沒有變化。纖維的卷曲度降低，最終制得的熱風非織造材料的厚度變小，液體穿過試樣的通道變短，且纖維的卷曲度減小，纖維變得順直，纖維網(wǎng)的孔徑較大，液體穿透試樣就越容易，使得試樣1、2、3、4的滲透時間逐漸變小且回滲量沒有變化。

試樣5和試樣6的滲透時間和回滲量都比試樣1、2、3、4大。試樣1、2、3、4為熱風非織造材料，原料是具有卷曲的短纖維，纖維與纖維之間的毛細作用大，使得吸收液體的速度較快，且液體不容易反滲。3S紡粘非織造材料的結(jié)構(gòu)較為緊密，且試樣中存在軋點，在軋點部位是不通透的，所以液體滲透時間較長，且易反滲。

2.6 ES纖維卷曲對試樣摩擦性能的影響

ES纖維卷曲程度對試樣摩擦因數(shù)的影響見圖7。

圖7 ES纖維卷曲程度對試樣摩擦因數(shù)的影響

從圖7可以看出，4種熱風非織造材料和2種3S紡粘非織造材料的橫向平均摩擦因數(shù)都大于縱向平均摩擦因數(shù)。試樣的縱向是沿著機器輸出方向，橫向是垂直于機器的輸出方向，且大多數(shù)的纖維是沿著機器的輸出方向排列的。傳感器在測試縱向摩擦因數(shù)時是順著纖維排列方向移動的，在測試橫向摩擦因數(shù)時是垂直于纖維排列方向移動的，因此6種材料都是橫向平均摩擦因數(shù)大于縱向平均摩擦因數(shù)。

從圖7還可以看出，隨著纖維卷曲度的降低，試樣1～4的縱、橫向摩擦因數(shù)都減小。只是因為降低纖維的卷曲度，得到的纖維卷曲數(shù)也變小，纖維更加順直，因此纖維在成網(wǎng)的過程中相互搭接的地方變少，纖維網(wǎng)中熔融點減少，在測試過程中，傳感器受到的阻力減小，表現(xiàn)為試樣摩擦因數(shù)減小。試樣6的摩擦因數(shù)最小，試樣4與試樣6相比橫向平均摩擦因數(shù)相差0.9%，縱向平均摩擦因數(shù)相差3.3%。摩擦因數(shù)可以決定熱風非織造材料的滑爽性，摩擦因數(shù)小，說明織物的手感比較爽滑，反之摩擦因數(shù)大，表現(xiàn)為織物觸感粗糙。由實驗結(jié)果可知，通過物理方法降低纖維原料的卷曲度，可以達到類似于經(jīng)化學柔軟處理的3S紡粘非織造材料的滑爽性。

3 結(jié) 論

①ES纖維卷曲度降低，對熱風非織造材料的機械、透氣、透濕性能基本沒有影響。ES纖維的卷曲度為12.08%時，纖維的卷曲數(shù)為10.5 個/(25 mm)，制得的熱風非織造材料的縱向斷裂強力達到了34.6 N，橫向斷裂強力為5.5 N。透氣率為3 686 L/(m2·s)，透濕率為192.916 g/(m2·h)。

②ES纖維的卷曲度從19.08%降低到12.08%，最終制得的熱風非織造材料試樣回滲量基本不變?yōu)?.04 g，滲透時間減少了47.4%，熱風非織造材料的滲透性能優(yōu)于3S紡粘非織造材料。

③ES纖維的卷曲度從19.08%降低到12.08%，最終制得的熱風非織造材料試樣的縱向平均摩擦因數(shù)減小了22.4%，橫向的平均摩擦因數(shù)減小了22.2%。當ES纖維的卷曲度為12.08%時制得的熱風非織造材料的縱橫向摩擦因數(shù)略小于經(jīng)過柔軟處理的3S紡粘非織造材料，縱向摩擦因數(shù)相差3.3%，橫向摩擦因數(shù)相差0.9%。

綜上所述：降低ES纖維的卷曲度，可以降低熱風非織造材料的摩擦性能，并使其與經(jīng)柔軟處理的3S紡粘非織造材料接近；還可以減少材料的液體滲透時間等，并且其他性能符合一次性衛(wèi)生用品標準，對拓展一次性衛(wèi)生用品市場，豐富衛(wèi)生用品種類有重要的意義。