熱塑性聚氨酯非織造材料成型工藝與應(yīng)用

倪鄭曉，徐玉康，陳 廷

（蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

中國(guó)是全球最大的非織造布生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)，近年來(lái)，非織造布產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)。2020年，紡熔非織造產(chǎn)品產(chǎn)能達(dá)592.4萬(wàn)t，其中，紡黏非織造布占據(jù)50.0%。2020年全行業(yè)實(shí)際產(chǎn)量較2016年增長(zhǎng)89.0%，年均增長(zhǎng)7.7%[1]。

彈性非織造材料主要由熱塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane，TPU）非織造材料與其他材料采用熱軋技術(shù)復(fù)合而成。其中，TPU非織造材料主要通過(guò)紡黏非織造技術(shù)制備獲得，部分通過(guò)熔噴非織造技術(shù)加工制成。優(yōu)異的回彈性能使聚氨酯彈性非織造材料廣泛應(yīng)用于一次性衛(wèi)生護(hù)理用品、醫(yī)用繃帶、醫(yī)用敷料等領(lǐng)域。

TPU種類較多，原料特性差異較大，致使聚氨酯非織造材料制備工藝難度增加、產(chǎn)品性能均勻性降低。基于聚氨酯非織造材料存在的缺陷，本研究綜述了聚氨酯非織造材料成型工藝特點(diǎn)、聚氨酯原料性能要求以及聚氨酯非織造材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 彈性紡黏/熔噴非織造材料

1.1 紡黏/熔噴非織造材料成型工藝原理

紡黏非織造技術(shù)是基于熔體紡絲原理，使高聚物熔體從噴絲板擠出、經(jīng)高速氣流牽伸形成連續(xù)長(zhǎng)絲，長(zhǎng)絲在網(wǎng)簾上相互粘合，經(jīng)熱軋?zhí)幚硇纬山Y(jié)構(gòu)緊密、力學(xué)性能優(yōu)異的紡黏非織造材料。

在熔噴非織造材料成型工藝中，高聚物熔體經(jīng)計(jì)量泵調(diào)控、定量流經(jīng)噴絲孔形成熔體細(xì)流，在兩側(cè)經(jīng)高速高溫?zé)峥諝獾膰姶敌纬衫w維，纖維在網(wǎng)簾上相互粘合，形成連續(xù)狀熔噴非織造材料。

1.2 紡黏/熔噴非織造技術(shù)原料特性

紡黏/熔噴非織造材料都是熔體直接紡絲成網(wǎng)的一步法工藝，可紡性是評(píng)估高聚物能否成纖的關(guān)鍵指標(biāo)。聚合物原料可紡性影響因素主要包括分子鏈分布特征、相對(duì)分子質(zhì)量和分布以及熔融指數(shù)。

1.2.1 分子鏈分布特征

高聚物原料分子鏈排列規(guī)整度高有利于材料成型工藝中的溫度調(diào)控，分子鏈排列越規(guī)整、有序排列區(qū)域尺寸均勻性越好，在成纖工藝中溫度的可控性越好，更有利于提高纖維的結(jié)構(gòu)和尺寸均勻性，進(jìn)而提高紡黏/熔噴非織造材料性能的穩(wěn)定性。

1.2.2 相對(duì)分子質(zhì)量和分布

相對(duì)分子質(zhì)量和分布顯著影響高聚物成纖性能。在一定范圍內(nèi)，隨著分子質(zhì)量的增加，纖維強(qiáng)度逐漸增大、高聚物形變量增加，進(jìn)而改善了纖維的彈性與抗疲勞性能，而降低或提高分子質(zhì)量均無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)成纖。紡黏成纖技術(shù)要求聚合物原料平均分子質(zhì)量適中且分子質(zhì)量分布較窄；熔噴成纖技術(shù)要求高聚物原料具有較低的分子質(zhì)量，且分子質(zhì)量分布較窄。

1.2.3 熔融指數(shù)

熔體流動(dòng)性能一般采用熔融指數(shù)（Melt Flow Index，MFI）來(lái)表征，其單位為g/10 min，MFI值越大，熔體的流動(dòng)性越好。紡黏非織造材料成纖用原料的熔融指數(shù)通常為20～300 g/10 min，熔噴非織造材料成纖用高聚物原料的熔融指數(shù)要求高于400 g/10 min。

1.3 彈性非織造材料

紡黏/熔噴非織造材料以其成型工藝流程短、生產(chǎn)速度快、材料結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異等特點(diǎn)在過(guò)濾、防護(hù)、衛(wèi)生用品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。然而，紡黏/熔噴非織造材料內(nèi)纖維間黏合點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊密且固結(jié)度高，使該材料彈性性能較差，限制其應(yīng)用。彈性非織造材料的評(píng)價(jià)方法為材料在外載荷作用下，伸長(zhǎng)率需高于60.0%，去除載荷后材料恢復(fù)初始長(zhǎng)度的占比要高于55.0%。為改善紡黏/熔噴非織造材料的彈性性能，研究人員已展開多項(xiàng)研究，采用具有彈性的高聚物顆粒為原料制備紡黏/熔噴非織造材料成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。目前，采用的原料主要有聚氨酯彈性體、聚酯類彈性體、聚醚酯類彈性體，其中，聚氨酯彈性體最佳[3-7]。

2 TPU非織造材料成型技術(shù)發(fā)展

2.1 TPU的結(jié)構(gòu)特征

TPU的結(jié)構(gòu)為(AB)n嵌段線型聚合物，由二異氰酸酯、聚醚（或聚酯）等低聚物二元醇與小分子擴(kuò)鏈劑聚合而成。TPU主要有兩種：（1）由低聚物二元醇柔性長(zhǎng)鏈構(gòu)成的軟鏈段，以提高延伸性、柔韌性等性能；（2）二異氰酸酯及擴(kuò)鏈劑構(gòu)成的硬鏈段，以調(diào)控TPU剛性、硬度等性能，可通過(guò)調(diào)控軟硬鏈段含量來(lái)制備結(jié)構(gòu)不同的TPU材料。

根據(jù)合成所用的不同低聚物二元醇，TPU可分為聚醚型和聚酯型。聚醚型TPU中醚鍵的內(nèi)聚能低、旋轉(zhuǎn)位壘小，TPU分子鏈具有較優(yōu)異的柔順性和流動(dòng)性[8]。聚醚型TPU耐水解性好、回彈性及抗沖擊性能優(yōu)異，而聚酯型TPU具有較優(yōu)異的耐熱性能、可拉伸性及耐磨性能。

2.2 TPU非織造材料制備技術(shù)

較高的熔體黏度和熔體彈性使TPU紡黏/熔噴非織造材料制備工藝難度增加，限制了該材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[9]。為制備結(jié)構(gòu)連續(xù)且性能均勻的紡黏/熔噴非織造材料，企業(yè)和科研人員已開展較多技術(shù)研究。

Sun等[10]先將TPU與其他聚合物顆粒共混，再經(jīng)熔噴技術(shù)加工制備彈性熔噴非織造材料，該制備技術(shù)的工藝連續(xù)性較差。彭孟娜等[11]制備了聚丙烯PP/TPU海島型復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的熔噴非織造材料，其中，TPU為“島”，該纖維平均直徑為4.53 μm且拉伸強(qiáng)度高。Md Obaidur等[12]首先將TPU與聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）混合，其次將混合顆粒通過(guò)二次造粒制備出具有兩種成分的顆粒，最后采用熔噴技術(shù)制備混合均勻度高的TPU/PLA熔噴非織造材料。然而，采用混合顆粒方法制成的熔噴非織造材料的回彈性能較差。

2.2.1 國(guó)外TPU非織造材料制備技術(shù)

Lee等[13]采用兩種TPU原料（TPU245和TPU280）制備獲得纖維平均直徑約6.00 μm的熔噴彈性非織造材料。測(cè)試顯示，TPU280熔噴非織造材料的回彈性能幾乎是TPU245熔噴非織造材料的兩倍。3M公司分別采用聚氨酯彈性體、聚酯類彈性體、聚酰胺類彈性體、A-B-A型嵌段共聚物（B為彈性段）等顆粒為原料制備獲得熔噴非織造材料。研究表明，聚氨酯彈性熔噴非織造材料力學(xué)性能最佳[14]。日本Kanebo公司采用聚氨酯切片為原料制備獲得的商品名為Espansione厚重型彈性非織造布，其纖維直徑為0.02～0.04 mm，最大拉伸率為350.0%～700.0%[15]。Wadsworth等[16]利用熱塑性聚氨酯切片制成熔噴彈性非織造布，纖維平均直徑為5.20 μm，斷裂伸長(zhǎng)率最高可達(dá)444.0%。

2.2.2 國(guó)內(nèi)TPU非織造材料制備技術(shù)

王新元[17]采用兩種纖維級(jí)聚氨酯切片（G83是聚醚型，B87是聚酯型）為原料制備了兩種TPU熔噴非織造材料，研究表明，材料的最大斷裂伸長(zhǎng)率均高于500.0%。韓亞元等[18]制備了5種不同TPU熔噴非織造材料，力學(xué)數(shù)據(jù)顯示，TPU熔噴非織造材料的縱向強(qiáng)度和回彈性均優(yōu)于橫向。閆新等[19]采用德國(guó)巴斯夫的TPU顆粒為原料制備了熔噴非織造材料，纖維平均直徑為18.00 μm，力學(xué)性能、回彈性能優(yōu)異。

綜上所述，國(guó)外已開發(fā)力學(xué)性能優(yōu)異且力學(xué)回彈性較好的TPU熔噴非織造材料，國(guó)內(nèi)雖開展了較多TPU非織造材料成型技術(shù)的探索，但尚未研發(fā)出一種能規(guī)?；B續(xù)生產(chǎn)的TPU非織造材料制備技術(shù)。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

由于具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)回彈性能，TPU非織造材料可以應(yīng)用于一次性衛(wèi)生產(chǎn)品、醫(yī)療防護(hù)用品、服裝襯里等。

3.1 衛(wèi)生護(hù)理用品

一次性吸收性衛(wèi)生用品也稱用即棄產(chǎn)品，包括女性衛(wèi)生用品、嬰兒紙尿褲或嬰兒尿片和成人失禁用品等，其縱向抗張強(qiáng)度不低于400 N/m，縱向伸長(zhǎng)率不低于20.0%。TPU非織造材料主要用于衛(wèi)生護(hù)理用品的腰圍以及產(chǎn)品與身體接觸部位，符合產(chǎn)品使用性能要求。

3.2 醫(yī)療防護(hù)用品

醫(yī)療防護(hù)用品主要包括醫(yī)用防護(hù)服、口罩、醫(yī)用敷料等一次性醫(yī)用耗材。

3.2.1 醫(yī)用防護(hù)服

醫(yī)用防護(hù)服既要能保護(hù)醫(yī)護(hù)人員免受有毒有害的液體、氣體或具有傳染性病毒和微生物的侵襲，又要能排汗且保證穿著舒適，同時(shí)還需具備一定的抗菌性、防致敏性、阻燃性。目前，TPU非織造材料主要用于防護(hù)服的領(lǐng)口、袖口以及腿口等需伸縮且回彈性較好的部位，這些部位材料的斷裂強(qiáng)力應(yīng)不小于45 N，斷裂伸長(zhǎng)率應(yīng)不小于15.0%。

3.2.2 醫(yī)用口罩

按性能特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行分類，醫(yī)用口罩可分為醫(yī)用防護(hù)口罩、醫(yī)用外科口罩和一次性使用醫(yī)用口罩，均能較好地阻隔外部的膠粒狀細(xì)菌或顆粒[20]。TPU非織造材料因具有優(yōu)異的回彈性能，可用于口罩的耳帶以及鼻梁等部位。

3.2.3 醫(yī)用敷料

醫(yī)用敷料是用于覆蓋瘡、傷口或其他遭損害部位的醫(yī)用材料，為受創(chuàng)體表提供適合的愈合環(huán)境，主要包括紗布、繃帶、膠帶等材料，這類產(chǎn)品對(duì)技術(shù)要求較高。敷料要能杜絕細(xì)菌繁殖，同時(shí)具有透氣、透濕、隔水和防菌等性能[21]。TPU非織造材料主要作為高透氣、高回彈性能材料用于醫(yī)療敷料表面層以及支撐層，能滿足使用要求。

3.3 服裝襯里

黏合襯可以增強(qiáng)服裝的輪廓感，借助自身的硬挺和彈性，可使服裝平挺或達(dá)到預(yù)期的造型。TPU非織造材料可作為服裝黏合襯的內(nèi)部疊合復(fù)合材料，縱橫向斷裂強(qiáng)力均能滿足不同部位服裝襯里的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

TPU非織造技術(shù)的開發(fā)能促進(jìn)彈性非織造材料快速發(fā)展。TPU非織造材料具有彈性高、彈性回復(fù)性能好等特點(diǎn)，成為護(hù)理用品材料、醫(yī)用材料、服裝輔助材料等具有高附加值的材料。在彈性非織造材料領(lǐng)域，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家較早地投入了大量的基礎(chǔ)研究，技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先地位。我國(guó)醫(yī)療、衛(wèi)生、服裝等領(lǐng)域?qū)椥苑强椩觳牧系男枨筝^大，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、品質(zhì)提升，國(guó)產(chǎn)TPU非織造材料獲得了較好的市場(chǎng)前景。