雙層復合水刺非織造材料的制備及性能研究

張瓊杰 吳海波 劉雙營 楊景璇

1. 東華大學 紡織學院，上海 201620; 2. 山東永信非織造新材料股份有限公司，山東 濟南 250200

據(jù)統(tǒng)計，近5年來女性衛(wèi)生用品的年均復合增長率約為3.1%。這意味著國內(nèi)女性衛(wèi)生用品市場已趨于飽和。提高產(chǎn)品的功能附加值，滿足個性化、高質(zhì)化需求是國內(nèi)衛(wèi)生用品在激烈的市場競爭中尋求新經(jīng)濟增長點的關(guān)鍵[1]。衛(wèi)生巾是常見的女性衛(wèi)生用品，一般由面層、吸液芯體層和底層組成，水刺非織造材料通常作為衛(wèi)生巾的面層使用。衛(wèi)生巾面層對材料的要求是能快速傳遞體液到吸液芯體層，同時減少一定壓力下返回面層的體液量[2]。

幾乎所有的衛(wèi)生巾產(chǎn)品都含有來源于石油的不可降解成分。人們對綠色環(huán)保的需求，使生物可降解纖維在女性衛(wèi)生用品領(lǐng)域更具發(fā)展空間。衛(wèi)生巾是一種以棉、非織造布、紙漿或上述材料的復合物為原料制成的高分子聚合物和高分子聚合物復合紙，其采用多層非織造材料構(gòu)成血液吸收系統(tǒng)。衛(wèi)生巾結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外分別是面層、吸液芯體層和防漏底層。衛(wèi)生巾面層多為打孔膜和非織造布，起阻隔和導流的作用。打孔膜采用聚乙烯(PE)為原料先制成薄膜，再經(jīng)專業(yè)打孔設(shè)備進行熱熔開孔后制成。非織造布面層是在纖維成網(wǎng)后，采用熱風、紡黏、水刺等加固工藝固結(jié)形成的材料，具有較好的柔軟舒適性。吸液芯體層在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為兩層非織造材料包裹一定質(zhì)量的高吸水材料，這種高吸水材料是衛(wèi)生巾吸收液體的關(guān)鍵。防漏底層多為PE膜，可防止血液漏出，且?guī)в斜衬z用以固定衛(wèi)生巾。

目前，市面上衛(wèi)生巾的面層材料多采用以熱熔纖維為原料制成的熱風、紡黏或熔噴非織造材料及以棉纖維為原料經(jīng)水刺加固制成的非織造材料。紡黏和熱風非織造材料的成本低、干爽性好，但其以化學纖維為原料，親膚性差，易致敏，難降解。以黏膠纖維和竹漿纖維為原料制備的非織造材料吸濕性、親膚性均較優(yōu)，而且可降解性好，若能提高其干爽性，在用作衛(wèi)生巾面層材料時將具有更大的優(yōu)勢。

目前的研究中，用作女性衛(wèi)生用品面層的材料多為純棉材料或多種纖維混合材料，雙層復合結(jié)構(gòu)的材料鮮有涉及。此外，已有研究表明，單面整理可賦予材料較好的單向傳遞性[3-4]?；诖?，本文嘗試將黏膠纖維和竹漿纖維分別鋪網(wǎng)后疊合水刺，獲得差異化結(jié)構(gòu)的材料，然后結(jié)合單面噴霧拒水整理，賦予面層材料單向傳遞性能，并測試材料的基本力學性能、透氣性和滲透性，分析評價其用作衛(wèi)生巾面層材料的可行性。

1 液體單向傳遞機理

1.1 潤濕梯度效應

潤濕是液體從固-液界面向液-氣界面轉(zhuǎn)移的動態(tài)過程[5]。固體被液體潤濕時，液體能均勻良好地鋪展在材料表面，而當液體呈水滴狀時，表明固體材料不能被這種液體潤濕。潤濕梯度效應是一種特殊的潤濕過程。如圖1所示，材料的一側(cè)表現(xiàn)為疏水狀態(tài)，另一側(cè)表現(xiàn)為親水狀態(tài)，液體因受到材料兩側(cè)不平衡的界面力作用，在轉(zhuǎn)移過程中會自動在材料上發(fā)生特定方向的運動，這種液體向特定方向運動的過程即潤濕梯度效應。這種界面不平衡力又稱潤濕驅(qū)動力，它的大小與接觸角之間存在下述關(guān)系[6]。

圖1 濕潤梯度效應

式中，F(xiàn)為潤濕驅(qū)動力；R為液體與固體接觸界面的半徑；γLG為液-氣界面張力；θA為液體與潤濕梯度材料前側(cè)的接觸角；θB為液體與濕梯度材料后側(cè)的接觸角。

潤濕梯度效應驅(qū)動液滴導向運動的關(guān)鍵在于具有較大的潤濕驅(qū)動力[7]。而潤濕梯度驅(qū)動力的大小和液體與濕梯度材料前后兩側(cè)的接觸角有關(guān)，可通過改變材料兩側(cè)接觸角的差值實現(xiàn)液體在材料上的單向傳遞。

1.2 差動毛細效應

如圖2所示，差動毛細效應多發(fā)生在雙層結(jié)構(gòu)非織造材料中，若非織造材料上層纖網(wǎng)的孔隙較大，下層纖網(wǎng)的孔隙較小，將有可能發(fā)生差動毛細效應?？紫缎〉睦w維網(wǎng)中毛細管附加壓力小，孔隙大的纖維網(wǎng)毛細管附加壓力大，兩層纖網(wǎng)之間的接觸界面產(chǎn)生壓力差，在壓力差的作用下，液體沿非織造材料表面定向移動。雙層結(jié)構(gòu)材料上下兩層附加壓力差與纖維理論半徑間存在下述關(guān)系[8]。

圖2 差動毛細效應

式中，ΔP為附加壓力差；γ為氣-液界面表面張力；r1和r2分別為兩層纖網(wǎng)孔隙的理論半徑。

兩層纖網(wǎng)孔隙的理論半徑差值越大，附加壓力差越大。液體在毛細管中的附加壓力大小和方向?qū)σ后w的單向傳遞具有重要影響。材料兩層間的附加壓力差越大，材料表現(xiàn)出的單向傳遞性質(zhì)越明顯。可以通過孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)生差動毛細效應，實現(xiàn)材料對液體的定向傳遞。

2 試驗部分

2.1 試驗材料與試劑

試驗用兩種纖維材料的具體規(guī)格如表1所示。

表1 纖維種類及規(guī)格

試驗試劑：MT-ECO型拒水整理劑，上海賽超化工助劑有限公司；滲透性能專用標準合成試液，由蒸餾水、丙三醇、氯化鈉、碳酸鈉、苯甲酸鈉、羧甲基纖維素鈉、可食用色素和標準媒劑組成。

2.2 試驗方法

基于液體單向傳遞機理，制備雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造材料，材料的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。將黏膠纖維和竹漿纖維分別鋪網(wǎng)后，疊合在一起進行水刺加固，烘干后進行噴霧拒水整理，最后高溫烘干。試驗方案如表2所示。雙層復合水刺非織造材料加工工藝流程如圖4所示。

圖3 雙層復合水刺非織造材料的結(jié)構(gòu)示意

表2 試驗方案

圖4 雙層復合水刺非織造材料加工工藝流程

2.2.1 梳理、疊合、水刺工藝

采用單錫林雙道夫梳理機制備纖維網(wǎng)試樣，梳理機的工作參數(shù)如表3所示。將黏膠纖維和竹漿纖維分開梳理，待兩種纖維各自成網(wǎng)后再進行疊合加工。由于黏膠纖維的線密度較小，更適合作為貼膚面使用，因此疊合時，將黏膠纖維網(wǎng)放在上層，竹漿纖維網(wǎng)放在下層。

表3 梳理工藝參數(shù)

采用平網(wǎng)水刺方式，水刺工藝參數(shù)如表4所示。其中，第1道和第3道為正面水刺，第2道和第4道為反面水刺。

表4 水刺工藝參數(shù)

2.2.2 噴霧拒水整理工藝

采用小型噴霧器將無氟拒水劑MT-ECO自一定高度噴灑在雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造材料的黏膠纖維面進行拒水整理，小型噴霧器的噴嘴孔徑小，噴出的水霧粒徑小于0.2 mm，可實現(xiàn)均勻霧化的效果。MT-ECO的主要成分為改性樹脂水溶液，使用后需在高溫下烘干才具有疏水效果。整理液用量和烘干溫度過高，會使試樣完全拒水；而用量和烘干溫度過低，又會導致試樣不具有拒水效果。因此，需調(diào)整整理工藝參數(shù)。經(jīng)多次試驗測試，最終確定整理液的配制方法為在250 mL硬水中加入3 mL的MT-ECO，并控制噴霧距離為8 cm，烘干條件為在130 ℃下烘3 min。

2.3 性能測試方法

使用TM3000型掃描電子顯微鏡觀察雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布試樣的表面形態(tài)。

參照FZ/T 60005—1991，使用HD026N+型電子織物強力機(南通宏大試驗儀器有限公司)測試雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布試樣的拉伸性能。

參照GB/T 3013—2013的附錄C，使用YG461G型全自動透氣量儀測試雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布試樣的透氣性。

使用CFP-1100-AI型毛細流量孔徑儀測試雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布試樣的孔徑。

使用OCA15EC型光學接觸角測量儀測試雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布試樣的接觸角。

參照GB/T 30133—2013的附錄A，測試雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布試樣的液體滲入量。將試樣裁剪成200 mm×100 mm大小，并采用規(guī)格為200 mm×150 mm的中速定性分析濾紙測試液體滲入量。液體滲入量(m)的計算式如式(1)所示。

m=m1-m0

(1)

式中：m1為濾紙吸液后的質(zhì)量，g；m0為濾紙初始質(zhì)量，g。

參照GB/T 30133—2013的附錄B，測試雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布試樣的液體回滲量。將試樣裁剪成100 mm×100 mm大小，采用規(guī)格為150 mm×150 mm的中速定性分析濾紙測試液體回滲量。液體回滲量(m′)的計算式如式(2)所示。

m′=m2-m0

(2)

式中：m2為液體回滲后濾紙的質(zhì)量，g；m0為濾紙初始質(zhì)量，g。

參照GB/T 24218.8—2010，使用YG814D型液體穿透儀測試雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布試樣的液體穿透時間。

3 結(jié)果與討論

3.1 形貌觀察

圖5為試樣A3(黏膠與竹漿纖維質(zhì)量分數(shù)均為50%)黏膠纖維面(拒水整理面)的掃描電子顯微鏡圖。圖6為試樣A3竹漿纖維面(未拒水整理面)的掃描電子顯微鏡圖。由圖5和圖6可以看出，纖維纏結(jié)在一起，呈雜亂無章分布形成雙層復合水刺非織造材料。黏膠纖維和竹漿纖維的表面形態(tài)相似，均帶有溝槽。這是因為黏膠纖維和竹漿纖維的成型過程包括浸漬 、壓榨、粉碎、老化、黃化、溶解、熟成、過濾、脫泡等工序，復雜成型過程中的不均勻性，導致纖維縱向產(chǎn)生許多無規(guī)則溝槽。噴霧拒水整理后，黏膠單纖維上有很多顆粒狀物質(zhì)，而竹漿單纖維則相對光滑。這是因為拒水整理劑作用于黏膠纖維表面，與黏膠纖維分子發(fā)生化學反應，改變了纖維形態(tài)，導致黏膠纖維表面變粗糙，而沒有經(jīng)過拒水整理劑整理的竹漿纖維，其表面仍保持原本相對光滑的狀態(tài)。粗糙度對材料的拒水效果有很大影響。

圖5 黏膠纖維面掃描電子顯微鏡圖

圖6 竹漿纖維面掃描電子顯微鏡圖

3.2 透氣性能

透氣性能是評價衛(wèi)生巾面層的重要指標，透氣性越好，面層的舒適性越好。不同原料組分與面密度的水刺非織造材料，其透氣性能測試結(jié)果如圖7所示。由圖7a)可以看出，拒水整理前后，不同原料組分的非織造材料的透氣率為2 300～2 800 mm/s，且雙層復合水刺非織造試樣A3、A4和A5的透氣率明顯高于單層黏膠非織造布試樣A1。這是因為竹漿纖維的線密度大于黏膠纖維，在其他條件相同的情況下，非織造材料的纖維越粗，線密度越大，空氣透過的阻力越小，因而透氣率越大。由圖7b)可以看出，非織造材料的透氣性隨著非織造布材料面密度的增大而減小，這是因為面密度增大，纖維間的孔隙減小，非織造材料的厚度增加，透氣性減弱。

圖7 原料組分與面密度對非織造材料透氣性能的影響

3.3 拉伸性能

拒水整理后,不同原料組分與面密度水刺非織造材料的拉伸性能測試結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8a)和圖9a)可以看出，面密度為50 g/m2的雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布(試樣A2～A5)的縱向斷裂強力為25～50 N，橫向斷裂強力為5～15 N，縱向斷裂伸長率為40%～70%，橫向斷裂伸長率為40%～90%，試樣的縱向斷裂強力高于橫向斷裂強力，橫向斷裂伸長率則大于縱向斷裂伸長率。拒水整理后，雙層復合水刺非織造材料的斷裂強力高于單層黏膠非織造材料，斷裂伸長率則相反。這是由于黏膠纖維的單纖維強度略高于竹漿纖維，單纖維斷裂伸長率略低于竹漿纖維所致。隨著竹漿纖維含量的增加，雙層復合水刺非織造材料的斷裂強力總體呈下降的趨勢，原因是：一方面，竹漿纖維的單纖維強力低于黏膠纖維；另一方面，竹漿纖維較粗，相同面密度下纖維根數(shù)少，纖維纏結(jié)程度低，較容易被拉斷。由圖8b)和圖9b)可以看出，隨著面密度的增大，雙層復合水刺非織造材料的斷裂強力增大。

圖8 原料組分與面密度對拒水整理后非織造材料斷裂強力的影響

圖9 原料組分與面密度對拒水整理后非織造材料斷裂伸長率的影響

3.4 接觸角

接觸角(θ)是指在固、液、氣三相交界處，自固-液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到氣-液界面之間的夾角，是衡量拒水效果的一個重要指標。當0°<θ<90°時，水能夠順利通過織物形成的毛細管透過織物；當90°<θ<180°時，毛細管附加壓力可阻止水流通過。毛細管附加壓力的大小影響水透過速率。毛細管附加壓力主要取決于接觸角和毛細管半徑大小，接觸角越大，毛細管半徑越小，附加壓力越大[9]。雙層復合水刺非織造試樣A3拒水面的接觸角測試結(jié)果如圖10所示。圖11是單層黏膠非織造布試樣拒水面的接觸角測試結(jié)果。在測量非織造材料未拒水整理面的接觸角時發(fā)現(xiàn)，水滴能在2 s內(nèi)完成如圖12所示的液體穿透過程，完全鋪展在非織造材料表層，而拒水整理面的液體則呈水滴狀停留在非織造材料表層。這是因為拒水整理劑MT-ECO為疏水性化合物，拒水整理使其疏水性分子基團分布在纖維表面，降低了非織造材料的表面張力，進而提高了材料的疏水性能。

圖10 雙層復合非織造材料試樣A3拒水面的接觸角

圖11 單層黏膠非織造材料試樣拒水面的接觸角

圖12 液體穿透過程

由圖10和圖11可以看出，復合非織造布試樣拒水面的接觸角為約128°，單層黏膠非織造布試樣拒水面的接觸角為約123°。噴霧拒水整理后，非織造材料拒水面的接觸角均大于90°，表明具有拒水效果，且復合非織造布試樣拒水面的接觸角大于單層黏膠非織造布試樣。這可能是因為黏膠纖維較細，纖維集合體中毛細管間隙較大，而竹漿纖維較粗，纖維集合體中毛細管間隙較小，相對于單層黏膠纖維材料，雙層復合材料在液體通過時的毛細管間隙較小，而毛細管間隙越小，水的流動阻力越大，水的透過速率越低，表現(xiàn)出較大的接觸角。

3.5 孔徑

圖13為不同原料組分與面密度水刺非織造材料的孔徑測試結(jié)果對比。非織造材料的孔徑直接影響其通透性。由圖13a)可以看出，面密度相同時，幾種非織造布試樣的孔徑差異不大，平均孔徑為53～55 μm，表明雙層復合的結(jié)構(gòu)設(shè)計對試樣的孔徑大小幾乎無影響。由圖13b)可以看出，隨著非織造材料面密度的增大，試樣的平均孔徑減小，但變化幅度不大。

圖13 原料組分與面密度對雙層復合水刺非織造材料孔徑的影響

3.6 滲透性能

作為衛(wèi)生巾面層使用時，面層材料的回滲量越小，表層越干爽；滲入量越大，面層材料的吸收性能越好；液體穿透時間越短，體液越容易通過面層材料被吸收層吸收。

不同原料組分非織造材料試樣拒水整理面和未拒水整理面的液體滲入量、回滲量和液體穿透時間測試結(jié)果如圖14所示。由圖14可得出下述結(jié)論。

圖14 不同原料組分非織造材料的滲透性能

(1)拒水整理后雙層復合非織造材料的拒水整理面液體回滲量低于單層黏膠非織造材料，液體穿透時間高于單層黏膠纖維，滲入量未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。雙層復合非織造材料拒水整理面液體穿透時間長，原因可能是線密度不同的兩種纖維形成的雙層復合結(jié)構(gòu)，改變了非織造布內(nèi)外兩側(cè)毛細管間隙的大小，使非織造布內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生了壓力差，進而降低了其透水性。

(2)面密度相同時，黏膠與竹漿纖維質(zhì)量分數(shù)均為50%(試樣A3)的非織造材料的回滲量最小，滲入量最大；其他幾種原料組分的復合非織造材料的回滲量基本相同，無顯著差異。

(3)非織造材料拒水整理面與未拒水整理面的滲透性能差異較大。試樣A1～A5拒水整理面的回滲量為0.400～0.754 g，滲入量為1.180～1.610 g；未拒水整理面的回滲量為1.094～1.365 g，滲入量為0.860～1.460 g?？梢?，拒水整理能夠阻止液體回滲到表層，賦予非織造材料一定的單向傳遞功能。原因是拒水整理增大了黏膠纖維表面的接觸角，使其表現(xiàn)出疏水性，而非織造材料的竹漿纖維一側(cè)則表現(xiàn)出親水性，材料兩側(cè)因潤濕狀態(tài)的差異而產(chǎn)生較大的潤濕梯度力，促使液體由疏水側(cè)轉(zhuǎn)移至吸收材料中而不反向運輸，且雙層結(jié)構(gòu)中，黏膠纖維較細，竹漿纖維較粗，兩側(cè)的差動毛細效應也促進了非織造材料單向傳遞性能的實現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)面密度為50 g/m2的雙層復合非織造材料拒水整理后的縱向斷裂強力為25～50 N，橫向斷裂強力為5～15 N，透氣率為2 000～3 500 mm/s。非織造材料拒水整理面的液體回滲量為0.400～0.754 g，滲入量為1.180～1.610 g；未拒水整理面的液體回滲量為1.094～1.365 g，滲入量為0.860～1.460 g。相對于面密度為50 g/m2的單層黏膠非織造材料，雙層復合材料表現(xiàn)出較優(yōu)的透氣性且具有較小的回滲量。這種雙層復合結(jié)構(gòu)水刺非織造布作為衛(wèi)生巾面層材料使用時，可滿足基本的應用需求，回滲量遠低于標準值，但滲入量有待提高。

(2)拒水整理前后雙層復合水刺非織造材料的透氣性變化不大。拒水整理后雙層復合非織造材料拒水整理面的液體回滲量低于單層黏膠非織造材料，液體穿透時間高于單層黏膠非織造材料，滲入量則未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。隨著黏膠纖維含量的降低，試樣的斷裂強力總體呈下降趨勢。雙層復合的結(jié)構(gòu)設(shè)計對試樣孔徑大小幾乎無影響。

(3)非織造材料拒水整理面與未拒水整理面的滲透性能差異較大。黏膠與竹漿纖維的質(zhì)量分數(shù)均為50%的雙層復合水刺非織造材料的液體回滲量最小，滲入量最大；其他幾種原料組分的非織造材料的液體回滲量基本相同，無明顯差異。