殼聚糖/黏膠水刺非織造材料的制備及性能

陳 遲,李大偉,2,付譯鋆,2,,汪方能,王 慧,趙 瑾,薛孟迪,李婷婷

(1.南通大學 紡織服裝學院,江蘇 南通 226019;2.安全防護用特種纖維復合材料研發(fā)國家地方聯合工程研究中心,江蘇 南通 226019;3.江蘇華西村股份有限公司,江蘇 江陰 214420)

殼聚糖纖維來源廣泛,是地球上第二大可再生纖維素資源[1],廣泛存在于菌藻類細胞壁、水生甲殼類生物外殼[2]及自然界昆蟲類甲殼[3]中。殼聚糖纖維具有良好的生物相容性[4],優(yōu)異的抗菌性能[5-7],無毒,可被微生物降解[8]等,被廣泛應用于醫(yī)療衛(wèi)生領域[9]。但是殼聚糖纖維通常具有較高的初始模量、剛性大、卷曲少、強力低[10],因此,制備純殼聚糖纖維制品存在一定的困難[11]。另一方面,殼聚糖纖維市場價格高于普通纖維,導致純殼聚糖非織造產品成本偏高[12]。

黏膠纖維具有較低的初始模量,且纖維卷曲多、剛性小[13],可以彌補殼聚糖纖維在非織造加工過程中纖維摩擦抱合能力差的問題[14]。因此,將黏膠纖維與殼聚糖纖維混合梳理成網,不僅有利于后續(xù)非織造加固環(huán)節(jié)中纖維之間的纏結、抱合,提高纖維成網率[15],又能夠有效控制成本。

以殼聚糖纖維、黏膠纖維為原料,通過調控原料配比,制備出6種不同的殼聚糖/黏膠纖維水刺非織造材料,并測試分析原料配比對其規(guī)格結構和相關性能的作用關系。

1 試驗部分

1.1 材料

殼聚糖纖維(青島云宙生物科技有限公司);黏膠纖維(南通新綠葉非織造布有限公司)。纖維原料具體規(guī)格參數見表1。

表1 纖維原料規(guī)格參數

1.2 殼聚糖/黏膠水刺非織造材料的制備

分別按10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8、0∶10稱取殼聚糖、黏膠纖維,設計試樣克重為50 g/m2,并按纖維混合開松、梳理、鋪網、水刺加固、干燥的工藝路線,制備不同配比的殼聚糖/黏膠水刺非織造材料。在試驗過程中,纖網喂入簾的速度為2.0 m/min,水針壓力為10 MPa。

1.3 性能測試

采用臺式掃描電子顯微鏡對殼聚糖纖維、黏膠纖維表面微觀形貌進行觀察。

按照國家標準GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分:單位面積質量的測定》測定不同試樣的克重;采用國家標準GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分:厚度的測定》,使用YG141LA數字式織物厚度儀測量不同試樣的厚度。

根據公式(1)計算孔隙率。

式中:ε為孔隙率,%;m為克重,g/m2;γ為纖維密度,g/m3;n為厚度,m。

按照國家標準GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗方法 第15部分:透氣性的測定》,使用YG461型中壓透氣量儀測量不同試樣的透氣率。

按照國家標準GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》,用YG065電子織物強力機測定不同試樣的拉伸斷裂強力。

按照國家標準GB/T 18318.5—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第5部分:純彎曲法》,用斜面法測試不同試樣的彎曲性能。彎曲剛度的計算如公式(2)所示。

式中:B為彎曲剛度,m N·cm;m為克重,g/m2;l為彎曲長度,cm。

按照國家標準GB/T 24218.6—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第6部分:吸收性的測定》,用蒸餾水浸泡0.01 m2的試樣30 min,根據公式(3)計算保液率。

式中:K為保液率,%;W1為吸水前質量,g;W2為吸水平衡后質量,g。

2 結果和討論

2.1 表面微觀形貌

圖1和圖2分別為殼聚糖纖維和黏膠纖維的表面微觀形貌。從圖中可以看到殼聚糖纖維表面存在少量條紋,橫截面接近于橢圓形,沒有明顯的皮芯結構。而黏膠纖維表面存在明顯的縱向溝槽,橫截面呈鋸齒狀,且具有皮芯結構。

圖1 殼聚糖纖維的表面微觀形貌

圖2 黏膠纖維的表面微觀形貌

2.2 克重及厚度

厚度和克重是衡量非織造材料均勻程度的重要指標,不同試樣的厚度與克重測試結果見表2。6種試樣厚度均在0.49 mm左右,克重在48～51 g/m2范圍內,符合設計克重要求,且隨黏膠纖維占比的增加,呈現出微幅上升趨勢。這可能是由于殼聚糖纖維強度和卷曲數較低,在梳理、鋪網過程中存在一定損耗。當強度和卷曲好的黏膠纖維加入時,彌補了克重上的損失,提高了纖網的均勻性[14]。

表2 不同試樣的厚度及克重

2.3 孔隙率

首先由殼聚糖、黏膠纖維的密度及纖維配比計算得到等效密度γ,然后按公式(1)計算孔隙率ε,結果見表3。6種試樣的孔隙率均在92.90%以上,隨著黏膠纖維含量的增加,等效密度和孔隙率均逐漸增大。這是因為與殼聚糖纖維相比,黏膠纖維縱向存在大量的溝槽,增加了纖維比表面積,所以隨著黏膠纖維含量的增加制成的復合水刺非織造材料孔隙率逐漸增大。

表3 不同試樣的孔隙率

2.4 透氣性

不同水刺非織造材料的透氣性結果如圖3所示。從圖3可以看出,隨著黏膠纖維占比增加,試樣透氣率顯著上升。這是因為黏膠纖維表面有大量溝槽,纖維間孔隙大,空間通道多,從而空氣透過速率快,透氣性好[16]。非織造材料的透氣性越好,用作面膜或醫(yī)用敷料時,有利于皮膚的自由呼吸、新陳代謝[17],可起到更理想的護膚效果。

圖3 不同試樣的透氣率

2.5 拉伸斷裂強力

圖4為不同試樣的縱/橫向拉伸斷裂強力,從圖4分析可得,試樣的縱橫向斷裂強力均隨黏膠纖維占比含量的增大而提高。這是因為殼聚糖纖維比黏膠纖維的模量大、剛性大,斷裂伸長率也比黏膠纖維小,且殼聚糖纖維抱合力差[10],這些因素降低了梳理時纖維的成網效果和水刺過程中的纏結作用。而黏膠纖維縱向有溝槽、摩擦力大、卷曲數多、拉伸斷裂強力大,利于纖維相互纏繞抱合[16],故黏膠纖維含量占比越高,殼聚糖/黏膠水刺非織造材料強度越好。由于纖維在鋪網過程中多呈縱向排列,故縱向斷裂強力高于橫向斷裂強力。

圖4 不同試樣的縱橫向拉伸斷裂強力

2.6 剛柔性

按照國家標準GB/T 18318.5—2009,用斜面法測試試樣的彎曲性能,計算結果見表4。隨著黏膠纖維含量的增加,試樣的彎曲剛度逐漸增大,純殼聚糖纖維水刺材料彎曲剛度最小。這是因為殼聚糖纖維的剛性大,在水刺工藝中受到水針沖擊損傷較多,導致纖維之間的纏結抱合差[18],結構較為疏松,從而試樣的彎曲剛度減小,材料較為柔軟。而黏膠纖維卷曲多,纖維纏結效果更好,纖網結構更為緊密,因此,黏膠纖維越多,彎曲剛度越大,材料柔性越差?？v向彎曲剛度值大于橫向,這是鋪網時纖維多呈縱向排列所引起的。從表4數據來看,所制成的產品都符合柔軟性能要求。

表4 不同試樣的彎曲剛度

2.7 接觸角

接觸角是衡量織物潤濕性的重要標志,接觸角越小,織物潤濕性能越好。圖5為不同試樣的接觸角,6種試樣的接觸角隨黏膠纖維含量的增加,略有下降,但均在84°～88°范圍之間,小于90°,潤濕性較好。這是因為殼聚糖和黏膠纖維均為吸水性較好的纖維,且經過梳理成網和水刺加固的非織造材料具有三維多孔立體結構。

圖5 不同試樣的接觸角

2.8 保液率

保液率是評價非織造材料液體保持性能的重要指標,是指材料吸收以及纖維間留存的水分,不會因自身重力而離開非織造材料。不同試樣的保液率結果如圖6所示?？梢钥闯鲳つz纖維含量越多,試樣的保液率越高。因為黏膠纖維表面有較多縱向溝槽,纖維之間能構成較多的微通道,可吸收并保留一定的水分,故黏膠纖維所占比例越高,試樣保液率越高。當非織造材料用作面膜基布時,較高的保液率可維持更多的精華液,實現更好的護膚效果;而用于醫(yī)用敷料時,較高的保液率可維持傷口創(chuàng)面濕潤的微環(huán)境[19],加速創(chuàng)面愈合。

圖6 不同試樣的保液率

3 結 論

利用殼聚糖纖維和黏膠纖維,制備出6種不同原料配比的殼聚糖/黏膠纖維水刺非織造材料,并對其相關性能進行測試分析,結果表明:(1)適當增加黏膠纖維含量,可提高試樣的孔隙率和透氣性;(2)殼聚糖纖維強度小于黏膠纖維,且剛性大、卷曲少,故殼聚糖/黏膠水刺非織造材料的機械力學性能隨黏膠纖維含量的增多而提升;(3)黏膠纖維所占比例越高,試樣的潤濕性能、保液率越好,可用作面膜基布和醫(yī)用傷口敷料。