單向?qū){米纖維膜復(fù)合熱風(fēng)非織造材料面層的制備及性能

藍(lán)華孟 張夢(mèng)潔 王榮武

東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620

人們對(duì)高品質(zhì)生活的不斷追求使得消費(fèi)者對(duì)紙尿褲的質(zhì)量和功能的要求也在不斷提高,紙尿褲市場(chǎng)發(fā)展迅速,主要用于制備紙尿褲的非織造材料也處于不斷發(fā)展和升級(jí)中[1-2]。其中,紙尿褲的面層在使用過(guò)程中因與皮膚直接接觸,故其干爽性能是重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。調(diào)查顯示,嬰兒紙尿褲產(chǎn)品仍然存在以下使用痛點(diǎn):尿液吸收能力差;存在漏液、反滲等情況;使用后容易出現(xiàn)皮膚泛紅現(xiàn)象;等等[3]。以上問(wèn)題可以歸結(jié)為紙尿褲的干爽性能較差。因此,開(kāi)發(fā)具有單向?qū)?、防反滲性能的非織造材料作為面層,對(duì)改善紙尿褲干爽性能較差的問(wèn)題具有重要意義。

單向?qū)鎸硬牧现饕貌顒?dòng)毛細(xì)效應(yīng)和潤(rùn)濕梯度效應(yīng),在材料厚度方向上形成附加壓力差,這樣液體在附加壓力差的作用下可實(shí)現(xiàn)定向傳導(dǎo),從而減少了液體的反滲[4]。但當(dāng)前的單向?qū)鎸佣嘁詡鹘y(tǒng)非織造材料為主,其對(duì)防反滲及干爽性能的提升,效果并不顯著。曹萬(wàn)宏等[5]通過(guò)水刺加固的方法,將漂白脫脂棉與漂白不脫脂棉制備成單向?qū)强椩觳牧?并發(fā)現(xiàn)該材料的防反滲能力有所提高,尿液反滲量約為1 g,干爽性能較好。齊國(guó)瑞等[6]采用霧化噴涂工藝,使用無(wú)氟拒水整理劑對(duì)純棉水刺非織造材料進(jìn)行了單面拒水整理,獲得了單向?qū)竦募埬蜓澝鎸硬牧?并發(fā)現(xiàn)該面層材料的液體穿透時(shí)間、反滲量等都優(yōu)于市面上的純棉面層材料。王先鋒等[7]以聚乳酸非織造布為基布,使用多巴胺對(duì)基布進(jìn)行親水改性后,再通過(guò)在另一面沉積一層疏水靜電紡纖維膜的方法制備了具有一定反向耐水壓性能的紙尿褲面層材料。但該面層材料拒水面為人體接觸面,故難免會(huì)因摩擦等原因?qū)е率杷畡┠っ撀?這可能會(huì)對(duì)嬰兒皮膚造成潛在的傷害。

熱塑性聚氨酯(TPU)具有優(yōu)異的力學(xué)性能[8],聚乙烯吡咯烷酮(PVP)材料具備親水、可溶于水的特性[9]。結(jié)合這兩種材料并利用靜電紡絲技術(shù),可獲得TPU/PVP靜電紡納米纖維膜,其中TPU主要為靜電紡納米纖維膜提供力學(xué)支撐。TPU/PVP靜電紡納米纖維膜具有微米級(jí)的孔徑結(jié)構(gòu),可利用毛細(xì)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)尿液的有效擴(kuò)散,減少尿液的積聚。此外,微納米級(jí)的孔徑尺寸介于水分子直徑與水蒸氣分子直徑之間,可以實(shí)現(xiàn)一定的防水透氣效果[10]。而且,PVP材料的親水性利于尿液的吸收和傳導(dǎo),尿液能快速下滲,使紙尿褲具備干爽性好的特點(diǎn)。

本文將采用聚烯烴系纖維(ES)熱風(fēng)非織造材料為基布,使用無(wú)針靜電紡絲技術(shù)制備TPU/PVP靜電紡納米纖維膜并將其作為復(fù)合層,以此獲得具有孔徑梯度及親疏水性差異的TPU/PVP靜電紡納米層復(fù)合ES熱風(fēng)面層(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“復(fù)合面層”)。同時(shí)探究TPU、PVP不同質(zhì)量比對(duì)復(fù)合面層的透氣性能、單向?qū)阅?、結(jié)合牢度,以及組合紙尿褲的尿液下滲速度、尿液擴(kuò)散長(zhǎng)度、尿液回滲量等的影響。

1 復(fù)合面層組裝紙尿褲的制備

1.1 材料與儀器

試驗(yàn)原料:ES熱風(fēng)非織造材料,面密度18 g/m2。

試驗(yàn)試劑:TPU,相對(duì)分子質(zhì)量15 000,東莞市樟木頭豪圣塑膠原料部;PVP,型號(hào)K30,東莞市樟木頭豪圣塑膠原料部;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),分析純,國(guó)藥集團(tuán);去離子水,實(shí)驗(yàn)室自制;人工尿液,由質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為99.1%的去離子水與0.9%的NaCl構(gòu)成,實(shí)驗(yàn)室自制。

測(cè)試儀器:JFS-2200型工業(yè)用防爆大功率攪拌器,磁力攪拌器,大型無(wú)針靜電紡絲設(shè)備(九一高科無(wú)紡機(jī)械有限公司),NDJ-5S型數(shù)字黏度計(jì),TM3000型掃描電子顯微鏡,CFP-1100AI型多孔材料孔徑分析儀,YG461E型全自動(dòng)織物透氣性測(cè)定儀,UWT型織物耐磨試驗(yàn)機(jī),FA2004A型電子天平,M290型液態(tài)水分管理儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 TPU/PVP紡絲液的制備

稱(chēng)取一定質(zhì)量的TPU和PVP溶解于DMF中,室溫下經(jīng)攪拌器攪拌12 h后得到均勻透明且呈黏稠狀的TPU/PVP紡絲液。共配制4種TPU/PVP紡絲液,其中m(TPU)∶m(PVP)=12∶4,10∶6,8∶8,6∶10,且TPU/PVP紡絲液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持在16%。

1.2.2 靜電紡納米纖維膜的制備

使用大型無(wú)針靜電紡絲設(shè)備進(jìn)行無(wú)針靜電紡絲。設(shè)備如圖1所示,電極為紡絲鋼針,紡絲液在鋼針上可以形成多束泰勒錐。這種紡絲方式可大幅提高紡絲效率,適用于樣品的快速制備和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 大型無(wú)針靜電紡絲設(shè)備及其工作原理Fig.1 Large needle-free electrostatic spinning equipment and its working principle

先將攪拌均勻的TPU/PVP紡絲液倒入可移動(dòng)供液裝置中,然后通過(guò)抽吸裝置將ES熱風(fēng)非織造材料吸附在可移動(dòng)的網(wǎng)簾上。本研究將使用4個(gè)紡絲模塊,設(shè)置網(wǎng)簾速度為1 m/min,紡絲電壓為35～45 kV,紡絲距離為10 cm。制備的TPU/PVP靜電紡納米纖維膜沉積在ES熱風(fēng)非織造材料上,形成了復(fù)合面層。4種質(zhì)量比即m(TPU)∶m(PVP)=12∶4,10∶6,8∶8,6∶10對(duì)應(yīng)的復(fù)合面層試樣分別記為1#、2#、3#、4#。

1.2.3 紙尿褲的組裝

4種商用紙尿褲基本參數(shù)如表1所示,復(fù)合面層組裝紙尿褲結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。復(fù)合面層組裝紙尿褲的組裝步驟:使用吹風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)模式將原裝紙尿褲的面層與導(dǎo)流層之間的熱熔膠加熱融化,當(dāng)面層與導(dǎo)流層可分離時(shí)將原裝紙尿褲的面層揭下,并在熱熔膠還具有黏性的情況下,用復(fù)合面層替換原裝紙尿褲的面層,并使復(fù)合面層盡可能地與導(dǎo)流層貼合。試驗(yàn)還使用ES熱風(fēng)非織造材料替換了原裝紙尿褲的面層,并將得到的組裝紙尿褲作為對(duì)比試樣。

表1 4種商用紙尿褲基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of four commercial diapers

圖2 復(fù)合面層組裝紙尿褲結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of assembled diapers with composite surface

1.3 結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

1.3.1 納米纖維膜表面微觀形貌

參照GB/T 36422—2018,采用TM3000型臺(tái)式掃描電子顯微鏡,對(duì)TPU/PVP靜電紡納米纖維膜表面微觀形貌進(jìn)行觀察。

1.3.2 納米纖維膜孔徑

參照GB/T 32361—2015,采用CFP-1100AI型多孔材料孔徑分析儀,對(duì)TPU/PVP靜電紡納米纖維膜孔徑進(jìn)行測(cè)量。

1.3.3 復(fù)合面層透氣性能

參照GB/T 5453—1997,采用YG461E型全自動(dòng)織物透氣性測(cè)定儀,對(duì)復(fù)合面層進(jìn)行透氣性能測(cè)試。測(cè)試面積為20 cm2,壓降為200 Pa。每種試樣測(cè)試5次,結(jié)果取平均值。

1.3.4 復(fù)合面層單向?qū)阅?/p>

參照AATCC 195-2009,使用M290型液態(tài)水分管理儀,對(duì)復(fù)合面層的單向?qū)阅苓M(jìn)行測(cè)試。

1.3.5 復(fù)合面層結(jié)合牢度

使用UWT型織物耐磨試驗(yàn)機(jī),采用標(biāo)準(zhǔn)羊毛磨料進(jìn)行摩擦,摩擦方式為平磨。4種樣品均摩擦20次,測(cè)量樣品的磨損面積,以此表征TPU/PVP靜電紡納米纖維膜與ES熱風(fēng)非織造材料的結(jié)合牢度。但由于磨損的創(chuàng)面形狀不規(guī)則,故采用圖像處理技術(shù)并結(jié)合Matlab(2021)軟件實(shí)現(xiàn)磨損創(chuàng)面的提取及材料脫落比即面積損失率的計(jì)算。

1.3.6 紙尿褲性能測(cè)試

參照GB/T 28004—2011,對(duì)由1#、2#、3#、4#試樣及ES熱風(fēng)非織造材料與A、B、C、D這4種商用紙尿褲面層重新組裝的紙尿褲進(jìn)行測(cè)試,主要測(cè)試指標(biāo)有尿液下滲速度、尿液擴(kuò)散長(zhǎng)度及尿液回滲量等。具體操作:注入尿液,計(jì)算從開(kāi)始倒液到液體消失,尿液穿透紙尿褲面層所用的時(shí)間,以此表征尿液下滲速度,本文共測(cè)2次,第一次倒液與第二次倒液間隔5 min;注液后10 min,測(cè)量尿液的擴(kuò)散長(zhǎng)度;紙尿褲試樣吸收一定量的尿液后,測(cè)試一定壓力下返回面層的尿液質(zhì)量即尿液回滲量。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維膜表面微觀形貌

不同質(zhì)量比的TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的掃描電鏡照片如圖3所示,其纖維平均直徑及變異系數(shù)如表2所示。

表2 TPU/PVP靜電紡納米纖維平均直徑Tab.2 Average diameters of TPU/PVP electrospun nanofibers

結(jié)合圖3和表2可以看出:1#試樣中TPU/PVP靜電紡納米纖維直徑較均勻;2#、3#試樣中TPU/PVP靜電紡納米纖維直徑均勻性較差;4#試樣中TPU/PVP靜電紡納米纖維直徑較均勻,但存在串珠結(jié)構(gòu),這與TPU/PVP紡絲液中PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)紡絲液黏度會(huì)減小有關(guān)。制備1#、2#、3#及4#試樣的紡絲液黏度依次為1 045、584、437及220 mPa·s。當(dāng)黏度下降到一定程度時(shí),大分子鏈間的糾纏力不夠,在高壓靜電場(chǎng)的作用下紡絲液未被充分拉伸就發(fā)生了斷絲、飛絲,因此會(huì)出現(xiàn)纖維粗細(xì)不均、串珠等現(xiàn)象[11]。

2.2 納米纖維膜孔徑

不同質(zhì)量比的TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的孔徑如表3所示。分析表3可以發(fā)現(xiàn),隨著紡絲液中PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的平均孔徑呈先減后增的趨勢(shì)。這是由于在相同的紡絲工藝參數(shù)條件下,隨著紡絲液中PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,紡絲液的黏度減小,大分子鏈間糾纏力減小,紡絲液更易被拉伸成細(xì)絲,故而形成的纖維直徑較小,納米纖維膜的孔徑減小,但當(dāng)紡絲液黏度進(jìn)一步減小時(shí),大分子鏈間糾纏力不夠,紡絲液成纖量變少,納米纖維膜的厚度減小,孔徑增大。

表3 TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的孔徑Tab.3 Pore sizes of TPU/PVP electrospun nanofiber membranes

2.3 復(fù)合面層透氣性能

不同復(fù)合面層的透氣率如圖4所示。

圖4 復(fù)合面層透氣率Fig.4 Air permeability of composite surfaces

分析圖4可知,不同復(fù)合面層的透氣率為50～200 mm/s,透氣性能變化與TPU/PVP靜電紡納米纖維膜孔徑的變化規(guī)律一致。1#透氣性能最好,透氣率為195.3 mm/s,3#透氣性能最差,透氣率為68.7 mm/s。

2.4 復(fù)合面層單向?qū)阅?/h3>

利用累計(jì)單向傳遞指數(shù)(R)表征復(fù)合面層的單向?qū)阅?。不同面層材料的單向?qū)阅軠y(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 面層材料液態(tài)水分管理曲線Fig.5 Liquid moisture management curves of surface materials

從圖5a)可以看出,當(dāng)液體滴落在ES熱風(fēng)非織造材料面層的上表面時(shí),上下表面會(huì)同時(shí)獲得水分,且上表面獲取的水分含量大于下表面獲取的;從圖5b)～圖5e)可以發(fā)現(xiàn),1#、2#、3#、4#復(fù)合面層的下表面即TPU/PVP靜電紡納米纖維膜所在面能夠迅速捕獲水分,且在10 s左右,下表面相對(duì)含水量超過(guò)上表面相對(duì)含水量,這主要是由于上表面即ES熱風(fēng)非織造材料所在面孔徑較大,液體在重力作用下容易穿透,其次是由于ES熱風(fēng)非織造材料與TPU/PVP靜電紡納米纖維膜之間存在一定孔徑梯度及親疏水性差異,使得復(fù)合面層在厚度方向上形成了附加壓力差。觀察圖5還可發(fā)現(xiàn),隨著PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合面層的R先增大后減小,原因在于PVP材料親水又溶于水,適當(dāng)增加PVP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于下表面獲得并積累水分,但持續(xù)增加PVP會(huì)使得下表面水分積累過(guò)多,致使水分反滲到上表面影響上表面水分的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖6為不同面層材料的上、下表面水分?jǐn)U散云圖,其中藍(lán)色表示濕潤(rùn),黑色表示未濕潤(rùn)。從圖6可以看出,TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的存在有利于復(fù)合面層水分的擴(kuò)散;PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)復(fù)合面層微量水分?jǐn)U散影響不明顯,水分在4種復(fù)合面層的下表面即TPU/PVP靜電紡納米纖維膜所在面上的擴(kuò)散半徑(r)均為20 mm。

2.5 復(fù)合面層結(jié)合牢度

不同復(fù)合面層下表面即TPU/PVP靜電紡納米纖維膜所在面的結(jié)合牢度測(cè)試結(jié)果如圖7和表4所示。

表4 TPU/PVP靜電紡納米纖維膜面積損失率Tab.4 Area loss rates of TPU/PVP electrospun nanofiber membranes

圖7 TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的磨損情況Fig.7 Wear of TPU/PVP electrospun nanofiber membranes

從圖7和表4可以看出,摩擦后4種TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的面積損失率均未達(dá)到100%,說(shuō)明4種TPU/PVP靜電紡納米纖維膜都未完全脫落,它們與ES熱風(fēng)非織造材料具有一定的黏合作用。這一方面是因?yàn)榻邮站W(wǎng)簾帶有抽吸裝置,該裝置能夠使部分靜電紡納米纖維沉積在熱風(fēng)非織造材料纖維層內(nèi),2種纖維形成機(jī)械鎖結(jié);另一方面是因?yàn)镻VP本身就是一種黏合劑,其處于溶液狀態(tài)時(shí)就具有一定的黏性,紡絲過(guò)程中TPU/PVP靜電紡納米纖維膜處于一定的濕潤(rùn)狀態(tài),這有利于TPU/PVP靜電紡納米纖維膜與ES熱風(fēng)非織造材料基布的黏合[12-14]。

此外,從表4還可以發(fā)現(xiàn),TPU/PVP靜電紡納米纖維膜面積損失率隨著PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先減小后增大。這是由于PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加有利于TPU/PVP靜電紡納米纖維膜與ES熱風(fēng)非織造材料基布的黏合,但當(dāng)PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定量時(shí),TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的力學(xué)性能變差,脆性增加[15],故摩擦?xí)r納米纖維膜容易破損、脫落,復(fù)合面層的結(jié)合牢度下降。

2.6 組裝紙尿褲各項(xiàng)性能指標(biāo)

2.6.1 尿液下滲速度

原裝及組裝紙尿褲的尿液下滲速度測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 原裝及組裝紙尿褲尿液下滲速度Fig.8 Urine infiltration velocity of original and assembled diapers

從圖8可以發(fā)現(xiàn),4種含復(fù)合面層即1#、2#、3#、4#試樣的組裝紙尿褲的尿液下滲時(shí)間都受到了一定的影響,這與TPU/PVP靜電紡納米纖維堆積形成的微米級(jí)且不對(duì)稱(chēng)的孔徑結(jié)構(gòu)有關(guān),同時(shí)尿液下滲時(shí)間還與TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的厚度等因素有關(guān)。

2.6.2 尿液擴(kuò)散長(zhǎng)度

原裝及組裝紙尿褲的尿液擴(kuò)散長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出:3#復(fù)合面層組裝的紙尿褲的尿液擴(kuò)散長(zhǎng)度整體上明顯大于對(duì)比試樣及其他3種復(fù)合面層組裝的紙尿褲,這與TPU、PVP材料的分子結(jié)構(gòu)及TPU/PVP靜電紡納米纖維膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)。TPU是嵌段共聚物,含有親水性和疏水性基團(tuán),可以起到傳遞水分子的作用;PVP材料親水,尿液通過(guò)其親水基團(tuán)進(jìn)行擴(kuò)散;TPU/PVP靜電紡納米纖維膜具有致密的結(jié)構(gòu),尿液可以在纖維膜表面流動(dòng)及通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)散,且孔徑越小,毛細(xì)效應(yīng)越強(qiáng),水分?jǐn)U散越好[16],尿液擴(kuò)散長(zhǎng)度越大。

2.6.3 尿液回滲量

原裝及組裝紙尿褲的尿液回滲量測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出,相比于對(duì)比試樣即ES熱風(fēng)非織造材料面層組裝的紙尿褲,除了4#+B組裝紙尿褲,4種復(fù)合面層組裝的紙尿褲的尿液回滲量減少,抗尿液反滲能力明顯提升,特別是2#和3#組裝的紙尿褲,它們的回滲量平均值在0.05 g左右,說(shuō)明用它們作為紙尿褲的面層具有優(yōu)異的干爽性。這主要是因?yàn)門(mén)PU/PVP靜電紡納米纖維膜具有不對(duì)稱(chēng)的微米級(jí)孔徑結(jié)構(gòu),可以防止液體直接穿透。此外,TPU/PVP靜電紡納米纖維膜具有親水性,當(dāng)液體接觸納米纖維膜時(shí),由于毛細(xì)效應(yīng)及親水基團(tuán)的作用,液體能夠在納米纖維膜上擴(kuò)散,因此不易形成大量液體的穿透反滲。加之復(fù)合面層的上表面材料是具有一定厚度的疏水性ES熱風(fēng)非織造材料,因此可以保持一定的干爽性。4#+B組裝紙尿褲的尿液回滲量有所增加,原因可能與以下2個(gè)因素有關(guān):一是4#試樣中TPU/PVP靜電紡納米纖維存在串珠現(xiàn)象,纖維粗細(xì)不均,孔徑不均勻;二是所含PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,導(dǎo)致TPU/PVP靜電紡納米纖維親水性強(qiáng),易形成積液。

3 結(jié)論

本研究旨在制備一種具有單向?qū)阅芎鸵欢ǚ婪礉B性能的非織造材料作為紙尿褲的面層。通過(guò)使用靜電紡絲技術(shù)制備TPU/PVP靜電紡納米纖維膜,并與ES熱風(fēng)非織造材料復(fù)合,形成TPU/PVP靜電紡納米纖維膜復(fù)合ES熱風(fēng)面層。

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)紡絲液中m(TPU)∶m(PVP)=8∶8即TPU和PVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8%時(shí),得到的復(fù)合面層綜合性能最佳:其結(jié)合牢度最佳,TPU/PVP靜電紡納米纖維膜面經(jīng)過(guò)20次摩擦后,其面積損失率僅為1.44%;其單向?qū)阅軆?yōu)異,累計(jì)單向傳遞指數(shù)可達(dá)624.63%。用此復(fù)合面層制備的組合紙尿褲,尿液擴(kuò)散長(zhǎng)度大,尿液回滲量低(約0.05 g),能有效防止尿液回滲,具有出色的干爽性,但對(duì)尿液的下滲速度提高不顯著。

綜上所述,本研究提供了一種新的制備具有單向?qū)院头婪礉B性能的面層非織造復(fù)合材料的方法,對(duì)于研發(fā)紙尿褲等失禁產(chǎn)品和類(lèi)似要求的醫(yī)衛(wèi)產(chǎn)品具有一定的參考價(jià)值。