關(guān)曉宇 錢曉明 楊棹航

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387)

濕法成網(wǎng)是非織造成網(wǎng)方式的一種，它源自傳統(tǒng)的造紙業(yè)。其原理是將纖維原料在水介質(zhì)中混合分散制成纖維漿料，再將漿料輸送到成網(wǎng)機(jī)構(gòu)，在濕態(tài)下脫水成網(wǎng)再加固成非織造布。傳統(tǒng)造紙行業(yè)將植物纖維作為纖網(wǎng)的基本原料，再配以分散劑、黏合劑等助劑制成漿粕。隨著產(chǎn)品要求的不斷升級(jí)，越來(lái)越多的產(chǎn)品開始嘗試加入不同性能的化學(xué)纖維、金屬纖維等一系列非傳統(tǒng)植物纖維［1］制成非織造布或功能紙，不同的合成纖維具有不同的特性，所以能賦予纖網(wǎng)不同的特性。與天然纖維相比，合成纖維在力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性及特殊功能性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在提高力學(xué)性能的同時(shí)賦予抗菌、抗靜電、阻燃等其他多種特殊功能。

與傳統(tǒng)濕法抄造所使用的植物纖維不同，合成纖維由于自身所固有的特性，例如纖維的剛度、長(zhǎng)度、吸濕性及相對(duì)密度等問(wèn)題，使得合成纖維在進(jìn)行濕法抄造時(shí)存在諸多問(wèn)題，例如由于合成纖維的吸濕性能和表面電荷不同于植物纖維，所以在懸浮液中的分散性能很差，容易產(chǎn)生絮聚現(xiàn)象，導(dǎo)致纖網(wǎng)成型均勻度較差，同時(shí)在生產(chǎn)中還容易產(chǎn)生一系列其他問(wèn)題［2］。

1 合成纖維的分散方法

1.1 改變纖維性狀促進(jìn)分散

1.1.1 根據(jù)堆積因子調(diào)整纖維長(zhǎng)徑比

20世紀(jì)90年代，Kerekes和Schell在前人概念的基礎(chǔ)上提出了堆積因子的概念［3］，用N表示直徑相當(dāng)于纖維長(zhǎng)度的球形體積內(nèi)纖維的數(shù)目：

式中：CV——體積濃度;

L——纖維長(zhǎng)度;

d——纖維直徑。

在纖維-水體系研究中，對(duì)纖維長(zhǎng)徑比加以控制可以得到勻度較好的紙頁(yè)［4］。當(dāng)N較小時(shí)纖維在液相中的分布趨于一致;當(dāng)N逐漸增大時(shí)纖維的流動(dòng)性能明顯下降，逐漸絮聚難以被分散［5］。根據(jù)堆積因子公式，減小纖維長(zhǎng)度、增加纖維直徑、降低漿料體積濃度能夠有效地降低堆積因子N的大小，從而達(dá)到促進(jìn)纖維分散的效果。以一些滌綸分散試驗(yàn)為例，合適的分散長(zhǎng)徑比約為500∶1，低于300∶1 不利于分散，高于700∶1 則纖網(wǎng)強(qiáng)力過(guò)低［6］。很多試驗(yàn)研究根據(jù)堆積因子將合成纖維短切并抄造成網(wǎng)，長(zhǎng)度多在4 mm以下，以此增強(qiáng)合成纖維的分散效果。但也有研究人員指出，單純地以切短纖維或混合植物纖維來(lái)應(yīng)對(duì)分散問(wèn)題而回避其他技術(shù)難題，這樣抄造出來(lái)的纖網(wǎng)很難滿足工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的高性能要求［7］。

1.1.2 纖維改性

利用合成纖維制造濕法非織造布的主要難題在于合成纖維的疏水性。雖然合成纖維或植物纖維在制造纖網(wǎng)的工序上大致相同，但兩種纖維的化學(xué)性質(zhì)差別很大，主要是由于合成纖維疏水性強(qiáng)，在水中不易分散并容易絮聚，很難形成連續(xù)均勻的纖網(wǎng)。針對(duì)合成纖維的疏水性能，很多研究人員嘗試對(duì)纖維進(jìn)行改性處理，改善其親水性，使其能在水中分散得更均勻，滿足濕法抄造的要求。改性方法多以物理或化學(xué)方法為主，通過(guò)接枝改性、腐蝕纖維表面等物理或化學(xué)方法使纖維表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在一定程度上改善纖維的親水性能［8-11］。具體的親水改性與紡織纖維研究中的方法大抵相同，但由于方法復(fù)雜不利于大規(guī)模生產(chǎn)，在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面比其他分散方法應(yīng)用得少。

1.2 動(dòng)力分散

在纖維懸浮液中施加動(dòng)力是促使纖維分散的主要方法。合成纖維由于自身的疏水性將纖維束放入水中時(shí)直接絮聚成一團(tuán)并具有一定強(qiáng)力，無(wú)法自然均勻地分散成纖網(wǎng)，同時(shí)纖維束本身也存在并絲纏繞等狀態(tài)而非全部單根散纖維狀態(tài)，這就需要施加剪切力來(lái)克服其他力促使纖維分散。Shiffler于1985年針對(duì)纖維動(dòng)力分散提出了一個(gè)剪切力不等式［12］：

式中：Fs——施加在纖維束上的剪切力;

Fσ——表面張力;

Fμ——阻力;

Ff——垂熔力。

只有當(dāng)施加在纖維束上的剪切力滿足此不等式并且持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，纖維束才會(huì)打開分散成單根纖維狀態(tài);如果剪切力不夠，即使時(shí)間再長(zhǎng)也不會(huì)分散纖維，依然會(huì)在纖網(wǎng)上留下疵點(diǎn)［13］。除此之外，調(diào)整施加動(dòng)力的頻率也能改善纖維的絮聚情況，并且在多種纖維混合抄造的情況下起到有效混合的作用。有研究證明，施加動(dòng)力將纖維束分散成單纖維，在此基礎(chǔ)之上加入分散劑能有效地維持這種分散情況［14］。

除了促使纖維束打開分散之外，研究動(dòng)力形成湍流能夠幫助預(yù)測(cè)纖維的運(yùn)動(dòng)和懸浮軌跡，以及纖維在纖網(wǎng)中的取向和排列，從而賦予非織造布更多的結(jié)構(gòu)變化并擴(kuò)展產(chǎn)品的應(yīng)用范圍［15-17］。

1.3 化學(xué)試劑分散

利用化學(xué)試劑促進(jìn)合成纖維在懸浮液中分散是目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最廣、研究最多的一種方式，同時(shí)采用分散劑的布面疵點(diǎn)要明顯少于不采用分散劑的布面疵點(diǎn)［18］。根據(jù)合成纖維表面電荷的不同，按照纖維分散機(jī)理選擇相應(yīng)的離子型或非離子型分散劑。在目前的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)中，分散合成纖維多采用CMC(羧甲基纖維素)和PEO(聚氧化乙烯)等高分子分散劑［19-22］，提高懸浮液濃度，限制纖維在水相中的自由度;同時(shí)在纖維表面形成潤(rùn)滑膜，以減小纖維糾纏的可能性，對(duì)短纖維起到一定的助流效果。此外，在一些針對(duì)碳纖維、玻璃纖維和陶瓷纖維等其他合成纖維分散的試驗(yàn)中，使用與纖維表面電荷相同或相反的離子分散劑來(lái)分散纖維也能得到不錯(cuò)的效果。例如大部分合成纖維和無(wú)機(jī)纖維表面帶負(fù)電荷，加入CPAM(陽(yáng)離子聚丙烯酰胺)或SDS(十二烷基硫酸鈉)等陽(yáng)離子型分散劑，在一定分散條件下效果甚至高于PEO等高分子分散劑［23-25］。在這類具有很強(qiáng)電荷特性的合成纖維懸浮液中，使用相反電荷離子分散劑成網(wǎng)可能更為均勻［26］。同時(shí)分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小也是影響因素之一，太低無(wú)助于分散，太高則會(huì)影響分散系的流動(dòng)性［27］，對(duì)后續(xù)抄造纖網(wǎng)造成阻礙。

國(guó)外對(duì)于濕法非織造纖維分散劑的研究與國(guó)內(nèi)基本一致，略有不同的是在分類上根據(jù)對(duì)纖網(wǎng)的輔助功效分為兩種類型：一種是低分子量試劑，可幫助纖維潤(rùn)濕和在水中分散;另一種是通過(guò)調(diào)節(jié)懸浮液黏度，防止長(zhǎng)纖維形成纖維長(zhǎng)串，同時(shí)提高非織造布的外觀勻整度［18］。

2 合成纖維分散程度的表征

對(duì)不同試驗(yàn)條件下纖維的分散程度進(jìn)行表征評(píng)價(jià)是研究的重要環(huán)節(jié)。不同研究領(lǐng)域根據(jù)自身工藝特點(diǎn)對(duì)纖維分散程度的表征也有不同的標(biāo)準(zhǔn)和手段，例如造紙行業(yè)反映纖維分散程度常使用打漿度來(lái)表示［28-30］。對(duì)于一般的纖維分散程度表征方法主要分為兩類，一類是通過(guò)直觀方法對(duì)纖網(wǎng)或產(chǎn)品進(jìn)行分析，另一類則是通過(guò)測(cè)定分散劑水溶液的表面張力、動(dòng)電電位和吸光度等參數(shù)來(lái)表征纖維的潤(rùn)濕或分散性能。

纖維、箱體系統(tǒng)、湍流、分散的質(zhì)量及穩(wěn)定性都會(huì)對(duì)纖網(wǎng)表面的疵點(diǎn)造成影響。國(guó)外針對(duì)纖維分散程度的表征主要集中在合成纖維在纖網(wǎng)或布面上留下的疵點(diǎn)方面，研究人員將纖維形成的疵點(diǎn)分成四種形式：并排粗節(jié)疵點(diǎn)、繩結(jié)狀疵點(diǎn)、熔融疵點(diǎn)和纖維團(tuán)狀疵點(diǎn)［31］。

2.1 直觀對(duì)比

將不同參數(shù)條件下合成纖維在溶液中沉淀后的圖片進(jìn)行直觀對(duì)比是最直接的表征方式，因其操作方式簡(jiǎn)單故得以廣泛應(yīng)用，但這種方法也有許多不足。首先，這種對(duì)比僅僅是圖像的對(duì)比，并不能對(duì)纖維分散程度進(jìn)行一定的量化表達(dá)，只能定性說(shuō)明;其次，在某些場(chǎng)合改變工藝參數(shù)后纖維的分散程度很接近，分散程度的差別無(wú)法通過(guò)肉眼清晰地觀測(cè)出，直觀對(duì)比方法在這種場(chǎng)合無(wú)法起到直觀的表征作用。

2.2 ζ電位

如圖1所示，根據(jù)斯特恩雙電子層理論，存在斯特恩層和擴(kuò)散層兩部分，滑動(dòng)面與溶液本體之間的電勢(shì)差稱為ζ電位［32］，是對(duì)顆粒之間相互排斥或吸引力強(qiáng)度的度量，同時(shí)反映分散的穩(wěn)定性。ζ電位絕對(duì)值越高，靜電斥力越大，分散體系越穩(wěn)定，纖維越容易分解;反之，電位絕對(duì)值越低，分散體系越傾向于凝聚。由此可見，分散體系的穩(wěn)定性與ζ電位有一種依存關(guān)系，所以在不同行業(yè)中經(jīng)常用ζ電位來(lái)表征添加分散劑后懸浮溶液整體的穩(wěn)定性或分散程度［33-34］。通過(guò)對(duì)ζ電位的研究可以有效輔助試劑的添加，但也有試驗(yàn)證明，ζ電位的影響因素很多，同時(shí)測(cè)量方式也存在一定的差異。

1 斯特恩雙電子層模型

2.3 亮度直方圖

利用光的投射原理得到漿料體系或纖網(wǎng)成型后的圖像，對(duì)該圖像進(jìn)行分析，將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，得出圖像上不同區(qū)域的亮度直方圖分布或者相應(yīng)的灰度等級(jí)［35］，再通過(guò)一定算式得出漿料或非織造布的均勻系數(shù)，這種通過(guò)圖像亮度分布來(lái)分析并表征圖像均勻度的方法在很多行業(yè)早有應(yīng)用。以分析圖像為主，圖像獲取和分析操作都較為簡(jiǎn)單，在多個(gè)學(xué)科都有應(yīng)用并有相應(yīng)的檢測(cè)儀器。也有試驗(yàn)指出，雖然運(yùn)用亮度直方圖的分布及相應(yīng)的均勻指數(shù)具有一定的說(shuō)服力，但在某些情況下，例如纖網(wǎng)面密度對(duì)分散均勻的影響并不能準(zhǔn)確地反映出來(lái);同時(shí)纖維的顏色、透明度和毛羽都會(huì)對(duì)均勻指數(shù)產(chǎn)生一定的影響，這種指數(shù)只是在面密度和纖維顏色相近的條件下對(duì)比纖維分散性能才有效果［36］。除了圖像分析上的局限之外，圖像采集時(shí)攝像頭進(jìn)光量的大小、物體背光均勻性和連續(xù)性等問(wèn)題也會(huì)影響圖像的亮度分布變化。根據(jù)這一應(yīng)用限制，不少研究人員在亮度直方圖的基礎(chǔ)上開發(fā)出一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試手段來(lái)改進(jìn)這一缺陷［37］，但設(shè)備和操作都過(guò)于復(fù)雜，反而限制了應(yīng)用。

2.4 布面疵點(diǎn)形式

如上所述，國(guó)外的相關(guān)研究將合成纖維分散不均勻分為四種疵點(diǎn)形式，在一些文獻(xiàn)中對(duì)分散程度的表征也以疵點(diǎn)作為對(duì)象。通過(guò)分析處理纖維分散沉淀圖像(圖2)，標(biāo)定分散不均勻的纖維，通過(guò)對(duì)比疵點(diǎn)纖維根數(shù)或疵點(diǎn)所占圖像像素點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)反映不同工藝參數(shù)下纖維分散程度的優(yōu)劣［27，38-40］。雖然纖網(wǎng)疵點(diǎn)的表征方式應(yīng)用很多，但有時(shí)被認(rèn)為僅僅是關(guān)注疵點(diǎn)而非纖網(wǎng)本身的均勻分布［41］，所以也存在一定的爭(zhēng)議性。

2.5 樣方分析

圖2 分散時(shí)間對(duì)不同纖維直徑形成疵點(diǎn)的影響

樣方分析是一種空間點(diǎn)格局分析方法，通過(guò)將一組樣方(通常是正方形單元格)覆蓋在研究區(qū)域上，統(tǒng)計(jì)單元格中的點(diǎn)數(shù)并計(jì)算樣方個(gè)數(shù)及頻率，然后與完全隨機(jī)過(guò)程對(duì)比來(lái)判斷點(diǎn)模式的空間分布特征，用方差均值比VMR來(lái)判斷［42-43］。樣方分析法也具有一定的局限性，其與樣方尺寸和分布類型具有密切的關(guān)系，改變樣方尺寸的大小及形狀可能會(huì)改變分布的判定結(jié)果［44］。

樣方分析常應(yīng)用于地理學(xué)、生態(tài)學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［45-48］，也有紡織領(lǐng)域研究人員在樣方分析的基礎(chǔ)上添加一些算法推導(dǎo)出均勻指數(shù)、分散指數(shù)等指標(biāo)［49-51］，進(jìn)一步量化纖維的分散均勻程度并取代原本的VMR值，為各種不同參數(shù)條件下的纖維分散表征提供便利。例如將樣方覆蓋在纖維成網(wǎng)圖像上，纖維在每一個(gè)樣方中所占面積算成一個(gè)子集，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)子集并計(jì)算其CV值，通過(guò)不同參數(shù)下CV值的大小來(lái)表征纖維的分散程度［41］，纖維分布越均勻，同一樣方尺寸下CV值越低(圖3)。

3 纖維長(zhǎng)度在不同樣方尺寸下的CV值變化

3 結(jié)語(yǔ)

濕法非織造布加工方法在非織造領(lǐng)域中起步較晚，但在原料要求、生產(chǎn)速度和產(chǎn)品特點(diǎn)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在近幾年逐漸受到青睞。雖然濕法工藝源自于造紙行業(yè)，但在原料、加工工藝及設(shè)備要求上與其有一些差別。目前針對(duì)濕法工藝各個(gè)流程的研究較少，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的濕法非織造布產(chǎn)品多采用纖維素纖維或植物纖維制成可沖散材料，而與國(guó)外各類合成纖維制成的屏蔽布、手機(jī)底板基布等通信材料應(yīng)用相比尚存在較大差距。本文僅起到拋磚引玉的作用，希望能給其他行業(yè)和濕法非織造行業(yè)研究起到一定的幫助作用。

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