熔噴/熱風非織造布的熱復合工藝及其液體非對稱傳輸性能*

胡俊杰 張 恒 高 超 黃培文 孫煥惟 甄 琪

1.上海盈茲無紡布有限公司，上海 201500；

2.中原工學院 紡織學院，河南 鄭州 451191；

3.先進紡織裝備技術省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450000；

4.中原工學院 服裝學院，河南 鄭州 451191

熱風非織造布是一種利用熱空氣穿透熱塑性纖網，使熱塑性纖維受熱熔融后自由黏合，從而使纖網固結而形成的一種三維網狀多孔材料[1]。熱風非織造布的制備工藝流程中不使用任何化學黏合劑[2]，具有綠色環(huán)保的生產特性，并且其具有結構蓬松和柔軟透氣的特性[3-4]，在醫(yī)用傷口敷料、嬰幼兒紙尿褲、女性衛(wèi)生用品和成人失禁墊片等醫(yī)療、衛(wèi)生領域廣泛應用[5-7]。然而，單一結構的熱風非織造布通常難以實現(xiàn)液體在材料上下表面水平擴散的速度差異性[8]。通過不同纖維材料的多層結構設計，可有效實現(xiàn)液體的非對稱傳輸[9-10]。因此，基于熱風非織造布的復合結構材料逐漸成為研究熱點。焦宏璞等[11]以聚丙烯/聚乙烯(PP/PE)纖網為面層，以PP/PE-黏膠纖維為底層，基于差動毛細效應制備出具有液體非對稱傳輸特性的熱風復合導流層材料，實現(xiàn)了材料垂直和水平方向的定向導水。張恒等[12]以聚酯和黏膠纖維為主要原料，基于潤濕梯度，制備出多種梯度結構的聚酯/黏膠熱風非織造布，并證實了可通過調控黏膠纖維含量來控制液體的非對稱傳輸特性。

基于前人的研究，本文以聚乳酸(polylactic acid，PLA)熔噴非織造布和聚酯/聚乙烯(PET/PE)熱風非織造布為基材，制備熔噴/熱風非織造布，并探討熱復合溫度、熱復合壓力及熱復合速度對熔噴/熱風非織造布力學性能、舒適性和液體非對稱傳輸性能的影響，以期為新型醫(yī)衛(wèi)用非織造布的開發(fā)與應用提供研究思路和實施案例。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

聚乳酸切片(牌號6252 D，相對分子質量為1.0×105，美國Nature Works LLC公司)；PET/PE熱風非織造布(面密度為35 g/m2±3 g/m2，上海盈茲無紡布有限公司)；聚丙烯(PP)網格布(牌號FNT208-445P，紹興耐特塑膠有限公司)。

1.2 設備與儀器

熔噴非織造成型機，MB-200型，蘇州多瑈新材料科技有限公司，中國；真空干燥箱，DZF6050型，上海一恒科技有限公司，中國；電熱鼓風干燥箱，DHG9070A型，上海精宏實驗設備有限公司，中國；掃描電子顯微鏡(SEM)，EVO18型，ZEISS公司，德國；電子織物強力儀，YG026 MD-250型，溫州方圓儀器有限公司，中國；全自動透氣量測量儀，YG461E-Ⅲ型，寧波紡織機械廠，中國；柔軟材料感官性能評價織物風格儀，Phabr Ometer型，欣賽寶科技公司，美國；液態(tài)水分管理測試儀，M290型，錫萊亞太拉斯(深圳)有限公司，美國。

1.3 試樣制備

1.3.1 PLA熔噴非織造布的成型加工

干燥后的PLA切片經料斗喂入熔噴非織造成型機，先在螺桿擠出機(螺桿直徑為25 mm，長徑比為1∶28)和加熱器(三區(qū)加熱，溫度分別設定為170、190和210 ℃)的作用下軟化熔融成聚合物熔體；之后，聚合物熔體在計量泵(計量泵排量為9 mL/r，轉速為8.5 r/min，西安瑞華泵業(yè)制造有限公司)的精確計量作用下定量擠出至熔噴模頭(噴絲孔直徑為0.25 mm，常州快利特機械有限公司)內，并以熔體細流形式擠出；最后,熔體細流在兩側高速熱氣流(溫度為220 ℃，風道寬度為0.75 mm，風壓為0.035 MPa)的牽伸作用下形成PLA熔噴非織造布。

1.3.2 熔噴/熱風非織造布的制備

以PLA熔噴非織造布與PET/PE熱風非織造布為基材，進行熱軋黏合復合，制備熔噴/熱風非織造布，熱復合工藝參數(shù)如表1所示。

1.4 測試與表征

1.4.1 纖維形態(tài)結構分析

使用SEM觀察熔噴/熱風非織造布試樣的表面和截面形態(tài)，并利用Nano Measurer軟件測試分析纖維的直徑分布。

表1 熔噴/熱風非織造布的熱復合工藝參數(shù)

1.4.2 力學性能測試

參照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)》分別對熔噴/熱風非織造布試樣的縱向和橫向進行拉伸斷裂性能測試。測試條件如下：夾持距離為100 mm，拉伸速度為100 mm/min。

1.4.3 柔軟性測試

參照AATCC TM202《紡織品服裝 相對手感值的評定：儀器法》，采用織物風格儀對熔噴/熱風非織造布試樣進行柔軟性測試，獲得試樣的柔性得分。柔性得分范圍為1～100，分值越大，織物手感越柔軟[13]。試樣測試面積為100 cm2，每組試樣測試3次。

1.4.4 透氣性測試

參照GB 5453—1985《織物透氣性試驗方法》對熔噴/熱風非織造布試樣進行透氣率測試。每組試樣測試5次。

1.4.5 液體傳輸性能測試

參照AATCC-195LiquidMoistureManagementPropertiesofTextileFabrics，利用液態(tài)水份管理測試儀對熔噴/熱風非織造布試樣進行液體傳輸性能測試，獲得試樣的單向水分傳遞能力指數(shù)和含水量-時間曲線。測試液體為生理鹽水。

2 結果與討論

2.1 熔噴/熱風非織造布的形貌結構

圖1所示為3#熔噴/熱風非織造布試樣的SEM圖，圖2為3#試樣的纖維直徑分布圖。由圖1a)可以看出，PLA熔噴層表現(xiàn)出典型的熔噴非織造材料特征，雜亂無序的超細纖維在水平方向上隨機排列成致密的超細網狀結構[14-15]，超細纖維的直徑為2～7 μm，如圖2a)所示。相對應的PET/PE熱風層則表現(xiàn)為一種由粗纖維組成的大孔隙結構，如圖1b)所示，纖維直徑為13～23 μm。由圖1c)可以看出，試樣的上下兩層在熱軋作用下緊密復合成一體結構。該一體結構的一側為結構致密的PLA熔噴層，另一側為具有大孔隙結構的PET/PE熱風非織造布層，從而形成了基于差動毛細效應的梯度結構，為液體非對稱傳輸性能的增強提供結構基礎[16-17]。

2.2 熱復合工藝對熔噴/熱風非織造布力學性能的影響

熱復合溫度對熔噴/熱風非織造布試樣拉伸斷裂性能的影響如圖3所示。由圖3可知，試樣的縱、

圖1 3#熔噴/熱風非織造布的SEM圖

圖2 3#熔噴/熱風非織造布的纖維直徑分布圖

橫向拉伸斷裂強力均隨著熱復合溫度的增加而表現(xiàn)出先增高后降低的趨勢。熱復合溫度為120 ℃的3#熔噴/熱風非織造布試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力最大，分別達161.6 N/(5 cm)和30.68 N/(5 cm)?？赡艿脑蚴请S著熱復合溫度從100 ℃增加到120 ℃，PLA熔噴纖維層與PET/PE纖維層的黏結更充分[18]。隨著熱復合溫度繼續(xù)增加到140 ℃，因PLA聚合物的耐熱性較差[19]，纖維受熱冷切后變脆，因而試樣的拉伸斷裂性能下降。由圖3還可看出，隨著熱復合溫度的增加，熔噴/熱風非織造布試樣的縱、橫向斷裂伸長率呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢。

圖3 熱復合溫度對熔噴/熱風非織造布試樣拉伸斷裂性能的影響(熱復合壓力為0.52 MPa，熱復合速度為1.0 m/min)

熱復合壓力對熔噴/熱風非織造布試樣拉伸斷裂性能的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著熱復合壓力從0.45 MPa增至0.59 MPa，試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當熱復合壓力為0.52 MPa時，試樣的拉伸斷裂強力最大，縱、橫向拉伸斷裂強力分別達161.6 N/(5 cm)和30.68 N/(5 cm)。造成這一現(xiàn)象的原因可能是非織造布的強度主要受纖維自身強度和纖維間黏著力這兩個主要因素的影響。熱復合壓力在一定范圍內的增加不僅增強了PLA熔噴層與PET/PE熱風層間的黏合，而且有效提高了PET/PE熱風層纖維間的黏著強度；但隨著熱復合壓力的繼續(xù)增大，纖維的外觀結構被熱和壓力破壞而不利于其力學性能的保持。因此，試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力隨著熱復合壓力的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

圖4 熱復合壓力對熔噴/熱風非織造布試樣拉伸斷裂性能的影響(熱復合溫度為120 ℃，熱復合速度為1.0 m/min)

熱復合速度對熔噴/熱風非織造布試樣拉伸斷裂性能的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著熱復合速度的不斷增大，試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力逐漸減小，斷裂伸長率逐漸增大。這主要是因為隨著熱復合速度的增大，PLA熔噴纖維層與PET/PE熱風層之間的接觸時間縮短，兩層非織造布之間的黏結不充分，因此試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力降低[20]，斷裂伸長率增大。綜上，當熱復合溫度為120 ℃、熱復合壓力為0.52 MPa、熱復合速度為1.0 m/min時，所得熔噴/熱風非織造布試樣的縱、橫向力學性能最佳，縱、橫向斷裂強力分別達161.6 N/(5 cm)和30.68 N/(5 cm)。

圖5 熱復合速度對熔噴/熱風非織造布試樣拉伸斷裂性能的影響(熱復合溫度為120 ℃，熱復合壓力為0.52 MPa)

2.3 熱復合工藝對熔噴/熱風非織造布柔軟性的影響

本文采用單因素分析方法對熱復合溫度、熱復合壓力和熱復合速度與熔噴/熱風非織造布試樣柔軟性間的關系進行試驗分析，柔軟性測試結果見圖6。由圖6可以看出，在其他熱復合工藝參數(shù)不變的情況下，熱復合溫度、熱復合壓力和熱復合速度的單一變化都會對試樣的柔性得分產生顯著影響。具體表現(xiàn)為柔性得分隨著熱復合速度的減小，熱復合溫度的升高和熱復合壓力的增大而降低?？赡艿脑蚴侨蹏?熱風非織造布的柔軟性主要受纖維致密性和纖維自身剛性的影響，而熱復合溫度的升高、熱復合壓力的增大及熱復合速度的減小，一方面會促使PLA熔噴層與PET/PE熱風層的黏結愈加充分，兩層纖網之間黏結更緊密，非織造布的柔軟性變差；另一方面PLA聚合物對熱復合壓力和熱復合溫度較為敏感，受熱后PLA熔噴層的柔軟性變差。

圖6 熱復合工藝參數(shù)對熔噴/熱風非織造布試樣柔性得分的影響

2.4 熱復合工藝對熔噴/熱風非織造布透氣性的影響

透氣性是衡量纖維材料是否適用于醫(yī)衛(wèi)用領域的關鍵參數(shù)。本文采用單因素分析方法試驗研究了熱復合工藝參數(shù)對熔噴/熱風非織造布透氣率的影響，結果如圖7所示。由圖7a)可知，在其他因素不變的情況下，隨著熱復合溫度從100 ℃升高到140 ℃，試樣的透氣率由125.98 mm/s逐漸降低至54.21 mm/s。原因是隨著熱復合溫度的增加，PLA熔噴層受熱軟化并產生形變，致使纖維間的孔隙變小。同理，增大熱復合壓力和降低熱復合速度，會促使試樣與軋輥間的接觸時間和受力程度增大[21]，進而導致試樣的透氣率呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢。具體表現(xiàn)為隨著熱復合速度從3.2 m/min降低到1.0 m/min，試樣的透氣率由170.42 mm/s逐漸降低至17.59 mm/s；隨著熱復合壓力從0.59 MPa降低到0.45 MPa，試樣的透氣率由80.67 mm/s逐漸降低至57.41 mm/s。

圖7 熱復合工藝參數(shù)對熔噴/熱風非織造布試樣透氣率的影響

2.5 熱復合工藝對熔噴/熱風非織造布液體非對稱傳輸性的影響

單向水分傳遞能力指數(shù)和織物上下層的含水量差異常用于表征織物的液體非對稱傳輸能力。圖8為3#熔噴/熱風非織造布試樣的含水量-時間曲線與水分擴散情況，其中藍色代表含水量高，黑色代表含水量低。由圖8可以看出，隨著測試的進行，試樣內部(親水層)與外部(疏水層)的含水量及水分擴散情況存在明顯的差異。親水層含水量在8.93 s時達最大值，為50.40%，疏水層含水量也在同一時間達最大值，為34.86%。且隨著測試時間的延長，試樣內部(親水層)與外部(疏水層)的含水量均趨于穩(wěn)定，兩者之間的含水量差異也相對穩(wěn)定，相差約20.30%，表明試樣具有優(yōu)異的液體非對稱傳輸性。

圖8 3#熔噴/熱風非織造布試樣含水量-時間曲線與水分擴散情況

熱復合工藝參數(shù)對熔噴/熱風非織造布試樣單向水分傳遞能力指數(shù)與液體擴散速率的影響如圖9所示。由圖9a)可以看出，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著熱復合溫度的升高，試樣的單向水分傳遞能力指數(shù)與液體擴散速率均呈先增大后減小的趨勢。當熱復合溫度為120 ℃時，單向水分傳遞能力指數(shù)為15.75，液體擴散速率達5.61 mm/s。單向水分傳遞能力指數(shù)與液體擴散速率反映材料本身差動毛細效應的強弱。隨著熱復合溫度的不斷升高，PLA熔噴層與PET/PE熱風層的黏結愈加充分，因此試樣的單向水分傳遞能力指數(shù)與液體擴散速率逐漸增大。然而，熱復合溫度過高，會導致試樣的孔隙變窄，進而影響液體的傳遞與擴散速度，因此試樣的單向水分傳遞能力指數(shù)和液體擴散速率反而下降。由圖9b)可以看出，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著熱復合速度的增大，試樣的單向水分傳遞能力指數(shù)呈先增大后減小的趨勢，液體擴散速率則逐漸增大。主要原因可能是隨著熱復合速度的增大，兩層纖網間孔隙的致密程度逐漸降低，液體的傳遞更容易實現(xiàn)[22]，因而單向水分傳遞能力指數(shù)增大。然而，隨著熱復合速度的繼續(xù)增大，PLA熔噴層和PET/PE熱風層之間的黏結不充分，液體傳遞受到影響，導致試樣的單向水分傳遞能力指數(shù)下降。由圖9c)可以看出，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著熱復合壓力的增大，試樣的單向水分傳遞能力指數(shù)與液體擴散速率均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，單向水分傳遞能力指數(shù)最大達15.75。

圖9 熱復合工藝參數(shù)對單向水分傳遞能力指數(shù)與液體擴散速率的影響

3 結語

本文以PLA熔噴非織造布和PET/PE熱風非織造布為基材，采用熱復合工藝成功制備出熔噴/熱風非織造布，并探討了熱復合工藝參數(shù)對熔噴/熱風非織造布形貌結構、力學性能、柔軟性及單向水分傳輸能力的影響，得出下述結論。

(1)SEM圖顯示，熔噴/熱風非織造布中PLA熔噴非織造布層與PET/PE熱風非織造布層在熱和壓力的作用下緊密復合，形成了基于差動毛細效應的梯度結構。

(2)通過調整熱復合溫度、熱復合壓力和熱復合速度等熱復合工藝參數(shù)，可優(yōu)化熔噴/熱風非織造布試樣的力學性能。當熱復合溫度為120 ℃、熱復合壓力為0.52 MPa、熱復合速度為1.0 m/min時，所得試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力達最大，縱向斷裂強力為161.6 N/(5 cm)，橫向斷裂強力為30.68 N/(5 cm)。

(3)所制備的熔噴/熱風非織造布試樣具有優(yōu)異的單向水分傳輸能力。當熱復合溫度為120 ℃、熱復合壓力為0.52 MPa、熱復合速度為2.2 m/min時，所得試樣的單向水分傳輸能力指數(shù)達15.75，適用于敷料、紙尿褲等醫(yī)衛(wèi)領域。