定向导水水刺非织造材料的制备及性能

王 伟,黄 晨,王荣武,杜婷婷

(东华大学 产业用纺织品教育部工程中心,上海 201620)

定向导水水刺非织造材料的制备及性能

王 伟,黄 晨,王荣武,杜婷婷

(东华大学 产业用纺织品教育部工程中心,上海 201620)

以黏胶纤维与不同卷曲度的涤纶纤维为原料,采用水刺工艺,制备定向导水水刺非织造材料.测试并分析不同卷曲度的涤纶/黏胶水刺非织造材料的力学性能、透气性、透湿性和定向导水性能.结果表明,在相同复合方式及工艺参数下,三维卷曲涤纶/黏胶水刺非织造材料的纤维缠结更加紧密,其力学性能优于二维卷曲涤纶/黏胶水刺非织造材料,但透气性、透湿性和定向导水性能比二维卷曲涤纶/黏胶水刺非织造材料差.制备的4种涤纶/黏胶水刺非织造材料,可在垂直面和水平面同时实现定向导水.

定向导水;纤维卷曲度;非织造材料;水刺工艺;涤纶纤维;黏胶纤维

定向导水现象在自然界中普遍存在,例如在竹叶表面、蝴蝶翅膀、蜘蛛丝表面等都能观察到此类现象[1-3].将定向导水性能应用于纺织面料,使其具有优异的健康性与舒适性,符合现代人的需求,可深得消费者的喜爱[4].定向导水织物以毛细效应为理论根据,由里层到外层毛细管尺度逐渐减小形成差动毛细效应,使液体定向传导[5].目前,开发的定向导湿织物以针织物和机织物为主,主要用于内衣、高端运动服和训练服等,旨在为人体提供舒适的衣着微环境[6].而对定向导水非织造材料的研究较少,且局限于化学整理[7].本文通过结构设计法,制备涤纶/黏胶定向导水水刺非织造材料,同时在垂直方向和水平方向实现织物的定向导水,并分析纤维卷曲度与纤维排列对定向导水及其相关性能的影响.

1 试 验

1.1 原料

试验用原料规格如表1所示.

表1 原料规格
Table 1 Specifications of raw materials

原料种类线密度/dtex长度/mm卷曲度/(个·(25mm)-1)生产厂家纤维素黏胶1.67383唐山三友化纤有限公司二维卷曲涤纶7.78648仪征化纤有限公司三维卷曲涤纶7.786413仪征化纤有限公司

1.2 制备工艺

使用二维卷曲涤纶、三维卷曲涤纶与黏胶纤维为原料,采用串联式平行铺网,把两台梳理机直向串联排列,将两台机器输出的薄纤网沿MD方向(机器输出方向)平行叠合,制备面密度为60 g/m2的二维卷曲涤纶纤网与三维卷曲涤纶纤网、面密度为30 g/m2的黏胶纤网.经平行复合(两种纤网的MD方向相平行)与垂直复合(两种纤网的MD方向相垂直),制备4种复合水刺非织造布样品(如表2所示)以及两种涤纶单层非织造布.

表2 复合水刺非织造布样品
Table 2 Compound spunlaced nonwoven samples

试样编号纤维1纤维2复合方式A三维卷曲涤纶黏胶平行复合(MD涤纶∥MD黏胶)B三维卷曲涤纶黏胶垂直复合(MD涤纶⊥MD黏胶)C二维卷曲涤纶黏胶平行复合(MD涤纶∥MD黏胶)D二维卷曲涤纶黏胶垂直复合(MD涤纶⊥MD黏胶)

复合水刺非织造布样品的制备流程如图1所示.

图1 复合水刺非织造布样品的制备流程Fig.1 Preparation process of compound spunlaced nonwoven samples

水刺加固采用Aquajet Y500-2型平网式水刺机,其具有预湿水和主水刺加固两个系统.为确保水刺布具有优异的定向导水性能,需要纤网能够有效缠结,故采用正反多道加固工艺,设计的水刺工艺参数为: 采用两个水刺头正反水刺,水刺压力分别为6,8,16,20 MPa.

1.3 试验测试方法

对定向导水水刺非织造材料进行测试,具体试验仪器与试验方法如表3所示.

表3 试验仪器及测试方法
Table 3 The experimental apparatus and test methods

所测物理量试验仪器试验方法表面形态日立TM-1000型台式扫描电子显微镜接触角DCAT11型动态接触角测量仪参照SN/T3775.3—2014测试耐静水压TY-02型透水性测试仪参照GB/T4744—1997测试拉伸断裂强力YG028-500型拉伸仪参照FZ/T60005—1991测试

(续 表)

2 结果与讨论

2.1 纤维与非织造布的形态

二维、三维卷曲涤纶纤维卷曲形态的显微镜照片如图2所示.由图2可看出,两者的卷曲形态有明显差别.二维卷曲涤纶的卷曲波形近似于平面锯齿形,而三维卷曲涤纶的卷曲波形具有空间立体感,纵向可变形性大,横向占有更大空间,从而增加其蓬松性.

图2 二维、三维卷曲涤纶纤维卷曲形态对比图Fig.2 The contrast figure of 2D and 3D polyester fiber crimp

图3和4为涤纶/黏胶平行复合水刺非织造布表面形态SEM照片.其中,直径较小、纵向有条纹的是黏胶纤维,而表面光滑、直径明显较大的是涤纶纤维.由图3和4可知,两种水刺布的缠结效果都很好,网孔清晰.黏胶纤维与三维卷曲涤纶纤维的缠结更加紧密,黏胶层与涤纶层更好地嵌合在一起,在涤纶面可以观察到少量黏胶纤维,在黏胶面也可以观察到少量涤纶纤维.此外,黏胶纤维在涤纶纤维周围与其缠结、抱合.因为水刺加固时,黏胶纤维初始模量小,受到水针压力的冲击后容易变形,故挠度变形大,而涤纶纤维初始模量大,不易变形,挠度变形较小.所以水刺加固后,出现黏胶纤维紧密缠结于涤纶纤维周围的现象.

图4 三维卷曲涤纶/黏胶平行复合的水刺非织造布表面形态Fig.4 Surface morphology of 3D crimp polyester/viscose parallel compound nonwoven fabric

2.2 力学性能

非织造材料受到张力时,纤维伸直并有一定程度的滑动,形成径向压力,周围纤维会阻碍纤维的伸直与滑动.如果径向压力足够大,足以握持这根纤维,则纤维产生运动自锁.当拉力继续增大时,纤维逐渐伸长、变形,最终断裂,使非织造布被拉断[9].图5是4种样品的纵向拉伸曲线.由图5可知,4种试样纵向拉伸曲线起始部分直线段的斜率大小为kA>kC>kB>kD,根据初始模量的定义,得出4种试样的纵向初始模量关系为EA>EC>EB>ED.因为三维卷曲涤纶的初始模量比二维卷曲涤纶大,在相同梳理、复合以及水刺工艺下制备的试样,初始模量的大小主要受纤维性能影响,故EA>EC,EB>ED.当涤纶种类相同,而复合方式不同时,由于平行复合水刺布中涤纶纤维与黏胶纤维沿MD方向排列的取向度高,在小负荷作用下不易变形,布的纵向刚性大,故EA>EB,EC>ED.

图5 试样拉伸曲线Fig.5 The stretch curve of samples

4种试样拉伸断裂强力对比如表4所示.

表4 试样拉伸断裂强力对比
Table 4 The contrast of tensile breaking strength of samples

试样编号拉伸断裂强力/NMDCDA13579B11987C12267D10675

从表4可以看出,在MD方向,试样A的断裂强力最大,试样D的断裂强力最小,4种试样的断裂强力关系为NA>NC>NB>ND.由于三维卷曲涤纶蓬松性好,且具有立体结构,水刺加固时与黏胶纤维的缠结效果好于二维卷曲涤纶,在相同工艺与复合方式下,NA>NC,NB>ND.对于采用不同复合方式的水刺布,由于平行复合纤网中,涤纶与黏胶纤维整体沿MD方向排列,受到外力拉伸时,纵向受力纤维多,故纵向拉伸强力大,即NA>NB,NC>ND.虽然三维卷曲涤纶拉伸强力大于二维卷曲涤纶,但由于试样C中沿MD方向排列的纤维数量多于试样B,故NC>NB.

在CD方向,试样B的断裂强力最大,试样C的断裂强力最小,4种试样的断裂强力关系为FB>FD>FA>FC.在相同工艺、原料条件下,采用垂直复合方式的水刺布沿CD方向排列的黏胶纤维数量多,受到拉伸时,共同承载拉力的纤维数多,所以横向断裂强力大于平行复合水刺布,即FB>FA,FD>FC.由于三维卷曲涤纶与黏胶的缠结效果好于二维卷曲涤纶,故FB>FD,FA>FC.当二维卷曲涤纶采用垂直复合时,其CD方向缠结效果虽然比三维卷曲涤纶平行复合水刺布差,但由于其CD方向承受力的纤维数量多于三维卷曲涤纶平行复合水刺布,故试样A和D在CD方向拉伸断裂强力关系为FD>FA.

2.3 孔径与透气性

非织造材料的透气性与其孔径大小及分布、孔隙率等因素有关[10].试验所用试样采用相同的水刺加固工艺制备,孔径分布相近似,且测得4种试样的孔隙率均在80%～82%之间,没有太大差别,故试样透气性差异主要与平均孔径有关.利用PMI孔径仪,根据泡点法测试原理,通过计算气体通过试样时压力和气流的变化,分析和计算试样的孔径及其分布；利用织物透气仪测试试样透气性能,均采用6号喷嘴.试样孔径与透气量试验结果如表5所示.从表5可以看出,试样D平均孔径最大,为55.45 mm,其透气量也最大,为1 927.38 L/(m2·s),故非织造布的平均孔径越大,其透气性越好.三维卷曲涤纶具有空间立体结构,与黏胶水刺复合时,缠结程度高,纤维间排列紧密,单位面积内纤维数量多,纤维间的空隙小,垂直方向上阻隔气体穿透织物的纤维多,穿透路径长,导致其透气性差于二维卷曲涤纶水刺非织造布,即试样A和B平均孔径较小,且透气性比试样C和D差.织物透气性主要与厚度方向的结构有关,复合方式的不同对织物透气性影响不大,故试样A与B、试样C与D的平均孔径和透气性相接近.

表5 试样平均孔径与透气量对比Table 5 The contrast of average pore size and permeability of samples

2.4 透湿性

非织造布的透湿量与纤维吸湿性、织物面密度以及织物内部孔隙等因素有关[11].4种试样的透湿量对比如表6所示.由表6可知,不管涤纶面朝上,还是黏胶面朝上,试样C的透湿量都是最大,试样B透湿量都是最小.同种复合方式的二维卷曲涤纶水刺布透湿性好于三维卷曲涤纶水刺布,因为二维卷曲涤纶水刺布与三维卷曲涤纶水刺布的纤维吸湿性、织物面密度等条件相同,但两者孔径存在差异.三维卷曲涤纶具有空间立体卷曲结构,与黏胶纤维水刺时,两种纤维缠结紧密,曲径空隙数量减少,毛细效应较弱,故透湿量小于二维卷曲涤纶水刺布. 从表6还可看出,涤纶面朝上时织物透湿量大于黏胶面朝上时的透湿量.涤纶面朝上时,背面的黏胶纤维吸湿性好,与涤纶纤维形成良好的差动毛细效应.水汽在差动毛细效应的作用下,易于透过织物,所以透湿量较大.黏胶面朝上时,背面的涤纶纤维吸湿性差,水汽易于被黏胶纤维吸附,且不易透过涤纶层,故透湿量较小.试样正反两面透湿量的差异,在一定程度上可以表明织物具有定向导湿性能.

表6 试样透湿量对比
Table 6 The contrast of moisture transmission of samples

试样编号透湿量/(g·m-2·h-1)涤纶面黏胶面A87.6376.22B86.5773.75C240.28191.52D224.74176.01

2.5 水接触角与耐静水压

非织造布的水接触角和耐静水压与纤维的吸湿性、织物的孔隙大小及分布情况密切相关[12].二维卷曲涤纶与三维卷曲涤纶是疏水性纤维,两种单层未复合涤纶水刺布的水接触角和耐静水压如表7所示.由表7可知,三维卷曲涤纶水刺布的水接触角小于二维卷曲涤纶水刺布水接触角,前者浸润性稍好;三维卷曲涤纶水刺布的耐静水压大于二维卷曲涤纶水刺布耐静水压.因为三维卷曲涤纶呈三维螺旋卷曲状态,水刺加固时,纤维之间缠结紧密,纤维间孔隙小,且孔径分布均匀.在测耐静水压时,水珠总是先在大孔隙处冲出表面,所以孔隙较小的三维卷曲涤纶水刺布耐静水压相对较大.

表7 两种涤纶水刺布的水接触角与耐静水压对比

Table 7 The contrast of water contact angle and hydrostatic pressure resistant of two kinds of polyester nonwoven fabrics

水刺布类型接触角/(°)耐静水压/kPa二维卷曲涤纶水刺布137.60.93三维卷曲涤纶水刺布119.31.15

2.6 织物垂直面内定向导水性能

单层涤纶水刺布具有较好的耐静水压性能,液体不易穿透,但其与黏胶纤网复合水刺后,复合水刺布的导水性能发生改变,具有定向导水性能.采用液态水分测试仪(MMT)对织物进行测试,其原理是由仪器将一定量的水滴到织物表面,由传感器测试计算织物两表面的含水量,得到定向导水指数R,从而量化表征织物的定向导湿能力[13].4种试样的定向导水指数图如图6所示,其中,曲线代表黏胶层或涤纶层含水量,两条曲线间的积分面积即为定向导水指数.从图6可以看出,试样D定向导水指数最大,试样A定向导水指数最小,且二维卷曲涤纶复合水刺布的定向导水指数均大于相同复合方式的三维卷曲涤纶水刺布.根据差动毛细理论可知,二维卷曲涤纶水刺布的差动毛细效应强于三维卷曲涤纶水刺布,使其定向导水效果更好[14].三维卷曲涤纶具有螺旋卷曲结构,其与黏胶纤维水刺时缠结紧密,黏胶纤维与涤纶纤维大量积聚在中间混合层,使疏水涤纶层与亲水黏胶层变得薄弱,无法形成有效的导湿梯度.另外,由于缠结过于紧密,三维卷曲涤纶与黏胶纤维形成的两种毛细管的当量半径差距小,附加压力差较小,影响差动毛细效应.而二维卷曲涤纶的卷曲形态为平面锯齿形,水刺加固时,与黏胶纤维的缠结相对疏松,因此,在垂直面内,从涤纶层到黏胶层,涤纶纤维含量逐步减少,疏水层、中间混合层以及亲水层相对均衡,具有良好的导湿梯度.由于二维卷曲涤纶缠结疏松,黏胶纤维缠结紧密,形成的两种毛细管的当量半径差距大,附加压力差大,差动毛细效应显著,因此定向导水效果好于三维卷曲涤纶水刺布.

图6 试样定向导水指数图Fig.6 Unidirectional water-transfer index of samples

2.7 织物水平面内定向导水性能

试验制备的水刺非织造材料,在实现垂直面定向导水的同时,也实现了织物水平面内的定向导水.采用相同工艺制备试样,每组试样各5个,并在每个试样中选4个不同方位,用滴定管在织物表面滴1 mL水,观察水扩散情况.测得椭圆长轴半径和短轴半径各20个,分别去掉一个最大值和一个最小值,求得试样A、B、C、D的平均长轴半径和短轴半径,算出相应的长短轴比.图7为4个有代表性试样的水扩散情况.平行复合的试样A和C,液体扩散为椭圆,椭圆长轴沿MD方向,短轴沿CD方向;垂直复合的试样B与D,液体扩散图形也为椭圆,但椭圆长轴沿CD方向,短轴沿MD方向.因为涤纶纤维表面光滑,而黏胶纤维截面呈锯齿形,表面具有沟槽,纤维之间相互缠结时,黏胶纤维间的空隙小,且黏胶纤维比表面积大,形成的毛细管数量多,毛细效应强,故沿着黏胶纤网排列方向,织物导水效果好,椭圆长轴与黏胶纤网排列方向一致.通过控制黏胶纤维在纤维网内的排列,可以实现织物水平面内的定向导水.

二维卷曲涤纶试样C和D椭圆长、短轴的长度分别大于三维卷曲涤纶试样A和B.因为三维卷曲涤纶具有立体卷曲结构,水刺加固后与黏胶纤维缠结紧密,纤维间挤压程度高,孔隙小,毛细管孔径间发生阻塞,芯吸效应减弱,水平面内导湿性能下降,椭圆长短轴的长度小于相应的二维卷曲涤纶水刺布[15].平行复合试样A和C的长轴长度分别大于垂直复合试样B和D.因为平行复合时,涤纶纤维与黏胶纤维沿MD方向的取向度高,形成连续的导流通道,毛细管数量多,芯吸效应明显,液体易于沿MD方向扩散.

图7 试样水扩散对比图Fig.7 Water diffusion figure of samples

3 结 论

(1) 三维卷曲涤纶纤维具有空间立体卷曲结构,与黏胶纤维水刺时,两种纤维缠结紧密,曲径空隙数量少;而二维卷曲涤纶纤维卷曲波形近似于平面锯齿形,与黏胶纤维水刺时,两种纤维缠结相对疏松,曲径空隙数量多.

(2) 在相同复合方式及水刺工艺参数条件下,三维卷曲涤纶/黏胶水刺非织造布MD、CD方向的拉伸断裂强力均大于二维卷曲涤纶/黏胶水刺非织造布.纤维原料与水刺工艺相同时,平行复合水刺布的MD方向拉伸断裂强力大于垂直复合水刺布,而其CD方向拉伸断裂强力小于垂直复合水刺布.

(3) 三维卷曲涤纶/黏胶水刺非织造布的纤维缠结紧密,曲径空隙数量减少,毛细效应弱,其透气性与透湿性均比二维卷曲涤纶/黏胶水刺布差.

(4) 二维卷曲涤纶纤维与三维卷曲涤纶纤维的水接触角均大于90°,为疏水性材料,与亲水性黏胶纤维复合后,复合水刺非织造布实现垂直面内的定向导水.同时,通过变换复合方式、控制纤维排列,可实现复合水刺非织造布水平面内的定向导水.

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Preparation of Unidirectional Water-Transfer Nonwovens and Its Properties

WANGWei,HUANGChen,WANGRong-wu,DUTing-ting

(Engineering Research Center of Technical Textiles,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

With different crimp polyester fiber and ordinary viscose fiber as raw materials,unidirectional water-transfer nonwovens were prepared with spunlaced process. Test and analyses were conducted to study the mechanical properties,breathability,moisture permeability and unidirectional water-transfer ability. The results show that under the same compound way and processing parameters,the mechanical properties of three-dimensional crimp polyester/viscose nonwovens are better than those of the two-dimensional crimp polyester/viscose nonwovens,whereas the breathability,moisture permeability and unidirectional water-transfer ability are lower than those of two-dimensional crimp polyester/viscose nonwovens. The four kinds of nonwovens prepared in this study have unidirectional water-transfer ability in both horizontal and vertical directions.

unidirectional water-transfer;fiber crimpness;nonwovens;spunlaced process;polyester fiber;viscose fiber

1671-0444 (2016)05-0681-08

2015-07-13

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2232014D3-15)；东华大学研究生创新基金资助项目(EG2015043)；上海市教育委员会和上海市教育发展基金会“晨光计划”资助项目

王 伟(1990—)，男，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向为非织造材料结构与性能.E-mail:qq1297054015@163.com 黄 晨(联系人)，男，讲师，E-mail:hc@dhu.edu.cn

TS 101.8

A