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(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 451191；

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

4.中原工學(xué)院 服裝學(xué)院，河南 鄭州 451191

熱風(fēng)非織造布是一種利用熱空氣穿透熱塑性纖網(wǎng)，使熱塑性纖維受熱熔融后自由黏合，從而使纖網(wǎng)固結(jié)而形成的一種三維網(wǎng)狀多孔材料[1]。熱風(fēng)非織造布的制備工藝流程中不使用任何化學(xué)黏合劑[2]，具有綠色環(huán)保的生產(chǎn)特性，并且其具有結(jié)構(gòu)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(lǐng)域廣泛應(yīng)用[5-7]。然而，單一結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)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(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效實現(xiàn)液體的非對稱傳輸[9-10]。因此，基于熱風(fēng)非織造布的復(fù)合結(jié)構(gòu)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(wǎng)為面層，以PP/PE-黏膠纖維為底層，基于差動毛細(xì)效應(yīng)制備出具有液體非對稱傳輸特性的熱風(fēng)復(fù)合導(dǎo)流層材料，實現(xiàn)了材料垂直和水平方向的定向?qū)埡愕萚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(jié)構(gòu)的聚酯/黏膠熱風(fēng)非織造布，并證實了可通過調(diào)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(fēng)非織造布為基材，制備熔噴/熱風(fēng)非織造布，并探討熱復(fù)合溫度、熱復(fù)合壓力及熱復(fù)合速度對熔噴/熱風(fēng)非織造布力學(xué)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(yīng)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(zhì)量為1.0×105，美國Nature Works LLC公司)；PET/PE熱風(fēng)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(wǎng)格布(牌號FNT208-445P，紹興耐特塑膠有限公司)。

1.2 設(shè)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(fēng)干燥箱，DHG9070A型，上海精宏實驗設(shè)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(fēng)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(jīng)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(shè)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(zhuǎn)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(nèi)，并以熔體細(xì)流形式擠出；最后,熔體細(xì)流在兩側(cè)高速熱氣流(溫度為220 ℃，風(fēng)道寬度為0.75 mm，風(fēng)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(fēng)非織造布的制備

以PLA熔噴非織造布與PET/PE熱風(fēng)非織造布為基材，進(jìn)行熱軋黏合復(fù)合，制備熔噴/熱風(fēng)非織造布，熱復(fù)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(jié)構(gòu)分析

使用SEM觀察熔噴/熱風(fēng)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(fēng)非織造布的熱復(fù)合工藝參數(shù)

1.4.2 力學(xué)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(fēng)非織造布試樣的縱向和橫向進(jìn)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(fēng)格儀對熔噴/熱風(fēng)非織造布試樣進(jìn)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(fēng)非織造布試樣進(jìn)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(fēng)非織造布試樣進(jìn)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(jié)果與討論

2.1 熔噴/熱風(fēng)非織造布的形貌結(jié)構(gòu)

圖1所示為3#熔噴/熱風(fēng)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(xì)纖維在水平方向上隨機排列成致密的超細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[14-15]，超細(xì)纖維的直徑為2～7 μm，如圖2a)所示。相對應(yīng)的PET/PE熱風(fēng)層則表現(xiàn)為一種由粗纖維組成的大孔隙結(jié)構(gòu)，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(fù)合成一體結(jié)構(gòu)。該一體結(jié)構(gòu)的一側(cè)為結(jié)構(gòu)致密的PLA熔噴層，另一側(cè)為具有大孔隙結(jié)構(gòu)的PET/PE熱風(fēng)非織造布層，從而形成了基于差動毛細(xì)效應(yīng)的梯度結(jié)構(gòu)，為液體非對稱傳輸性能的增強提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[16-17]。

2.2 熱復(fù)合工藝對熔噴/熱風(fēng)非織造布力學(xué)性能的影響

熱復(fù)合溫度對熔噴/熱風(fēng)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(fēng)非織造布的SEM圖

圖2 3#熔噴/熱風(fēng)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(fù)合溫度的增加而表現(xiàn)出先增高后降低的趨勢。熱復(fù)合溫度為120 ℃的3#熔噴/熱風(fēng)非織造布試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力最大，分別達(dá)161.6 N/(5 cm)和30.68 N/(5 cm)。可能的原因是隨著熱復(fù)合溫度從100 ℃增加到120 ℃，PLA熔噴纖維層與PET/PE纖維層的黏結(jié)更充分[18]。隨著熱復(fù)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(fù)合溫度的增加，熔噴/熱風(fēng)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(fù)合溫度對熔噴/熱風(fēng)非織造布試樣拉伸斷裂性能的影響(熱復(fù)合壓力為0.52 MPa，熱復(fù)合速度為1.0 m/min)

熱復(fù)合壓力對熔噴/熱風(fēng)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(fù)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(dāng)熱復(fù)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(dá)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(fù)合壓力在一定范圍內(nèi)的增加不僅增強了PLA熔噴層與PET/PE熱風(fēng)層間的黏合，而且有效提高了PET/PE熱風(fēng)層纖維間的黏著強度；但隨著熱復(fù)合壓力的繼續(xù)增大，纖維的外觀結(jié)構(gòu)被熱和壓力破壞而不利于其力學(xué)性能的保持。因此，試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力隨著熱復(fù)合壓力的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

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

熱復(fù)合速度對熔噴/熱風(fēng)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(fù)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(fù)合速度的增大，PLA熔噴纖維層與PET/PE熱風(fēng)層之間的接觸時間縮短，兩層非織造布之間的黏結(jié)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(dāng)熱復(fù)合溫度為120 ℃、熱復(fù)合壓力為0.52 MPa、熱復(fù)合速度為1.0 m/min時，所得熔噴/熱風(fēng)非織造布試樣的縱、橫向力學(xué)性能最佳，縱、橫向斷裂強力分別達(dá)161.6 N/(5 cm)和30.68 N/(5 cm)。

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

2.3 熱復(fù)合工藝對熔噴/熱風(fēng)非織造布柔軟性的影響

本文采用單因素分析方法對熱復(fù)合溫度、熱復(fù)合壓力和熱復(fù)合速度與熔噴/熱風(fēng)非織造布試樣柔軟性間的關(guān)系進(jìn)行試驗分析，柔軟性測試結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，在其他熱復(fù)合工藝參數(shù)不變的情況下，熱復(fù)合溫度、熱復(fù)合壓力和熱復(fù)合速度的單一變化都會對試樣的柔性得分產(chǎn)生顯著影響。具體表現(xiàn)為柔性得分隨著熱復(fù)合速度的減小，熱復(fù)合溫度的升高和熱復(fù)合壓力的增大而降低。可能的原因是熔噴/熱風(fēng)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(fù)合溫度的升高、熱復(fù)合壓力的增大及熱復(fù)合速度的減小，一方面會促使PLA熔噴層與PET/PE熱風(fēng)層的黏結(jié)愈加充分，兩層纖網(wǎng)之間黏結(jié)更緊密，非織造布的柔軟性變差；另一方面PLA聚合物對熱復(fù)合壓力和熱復(fù)合溫度較為敏感，受熱后PLA熔噴層的柔軟性變差。

圖6 熱復(fù)合工藝參數(shù)對熔噴/熱風(fēng)非織造布試樣柔性得分的影響

2.4 熱復(fù)合工藝對熔噴/熱風(fēng)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(lǐng)域的關(guān)鍵參數(shù)。本文采用單因素分析方法試驗研究了熱復(fù)合工藝參數(shù)對熔噴/熱風(fēng)非織造布透氣率的影響，結(jié)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(fù)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(fù)合溫度的增加，PLA熔噴層受熱軟化并產(chǎn)生形變，致使纖維間的孔隙變小。同理，增大熱復(fù)合壓力和降低熱復(fù)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(jìn)而導(dǎo)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(fù)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(fù)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(fù)合工藝參數(shù)對熔噴/熱風(fēng)非織造布試樣透氣率的影響

2.5 熱復(fù)合工藝對熔噴/熱風(fēng)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(fēng)非織造布試樣的含水量-時間曲線與水分?jǐn)U散情況，其中藍(lán)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(jìn)行，試樣內(nèi)部(親水層)與外部(疏水層)的含水量及水分?jǐn)U散情況存在明顯的差異。親水層含水量在8.93 s時達(dá)最大值，為50.40%，疏水層含水量也在同一時間達(dá)最大值，為34.86%。且隨著測試時間的延長，試樣內(nèi)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(fēng)非織造布試樣含水量-時間曲線與水分?jǐn)U散情況

熱復(fù)合工藝參數(shù)對熔噴/熱風(fēng)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(fù)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(dāng)熱復(fù)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(dá)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(xì)效應(yīng)的強弱。隨著熱復(fù)合溫度的不斷升高，PLA熔噴層與PET/PE熱風(fēng)層的黏結(jié)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(fù)合溫度過高，會導(dǎo)致試樣的孔隙變窄，進(jìn)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(fù)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(fù)合速度的增大，兩層纖網(wǎng)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(fù)合速度的繼續(xù)增大，PLA熔噴層和PET/PE熱風(fēng)層之間的黏結(jié)不充分，液體傳遞受到影響，導(dǎo)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(fù)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(dá)15.75。

圖9 熱復(fù)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(jié)語

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

(1)SEM圖顯示，熔噴/熱風(fēng)非織造布中PLA熔噴非織造布層與PET/PE熱風(fēng)非織造布層在熱和壓力的作用下緊密復(fù)合，形成了基于差動毛細(xì)效應(yīng)的梯度結(jié)構(gòu)。

(2)通過調(diào)整熱復(fù)合溫度、熱復(fù)合壓力和熱復(fù)合速度等熱復(fù)合工藝參數(shù)，可優(yōu)化熔噴/熱風(fēng)非織造布試樣的力學(xué)性能。當(dāng)熱復(fù)合溫度為120 ℃、熱復(fù)合壓力為0.52 MPa、熱復(fù)合速度為1.0 m/min時，所得試樣的縱、橫向拉伸斷裂強力達(dá)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(fēng)非織造布試樣具有優(yōu)異的單向水分傳輸能力。當(dāng)熱復(fù)合溫度為120 ℃、熱復(fù)合壓力為0.52 MPa、熱復(fù)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(dá)15.75，適用于敷料、紙尿褲等醫(yī)衛(wèi)領(lǐng)域。