合成纤维的湿法非织造技术及其应用

杨棹航， 关晓宇， 钱晓明

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 天津市非织造布技术工程中心， 天津 300387)

合成纤维的湿法非织造技术及其应用

杨棹航1,2， 关晓宇1,2， 钱晓明1,2

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 天津市非织造布技术工程中心， 天津 300387)

为拓宽湿法成网的应用领域，通过改进生产流程，将湿法成网工艺更好的应用于非织造领域。通过回顾湿法成网工艺相关研究，对合成纤维在湿法成网过程中的难点进行分析；探讨了合成纤维在非织造和造纸工艺中的异同点；讨论了堆积因子系数、亲水改性处理、剪切力分散等分析手段，归纳了合成纤维湿法成网的常用分散方法；应用图像对比分析、动电电位、纤维分散图像分析等分析方法对合成纤维湿法成网分散程度进行了表征。指出合成纤维凭借多样的性能和结构，为合成纤维在湿法成网技术的进一步应用提供参考。

合成纤维； 湿法成网； 原纤化； 非织造

湿法成网是非织造行业中常见的成网方式，借鉴于传统的造纸产业。其原理是利用湍流等方式将水介质中的纤维原料开松成单纤维状态，使不同纤维原料混合制成纤维悬浮液，将纤维悬浮液传输到成网装置上，使纤维在湿态下形成纤网，再经过后续的固网等一系列加工形成湿法非织造布。传统的造纸行业中大都采用植物纤维或天然纤维作为主要原材料，通过在水溶液中添加分散剂等助剂制成纤维浆粕。随着市场对产品要求的升级以及科学技术的不断发展，越来越多的研究人员已经开始尝试向产品中添加例如合成纤维、无机纤维等不同性能的非传统造纸原料[1]来制备功能纸或非织造材料，合成纤维固有的特性赋予了纤网不同于传统纸张的优良性能。与传统植物纤维相比，合成纤维在尺寸稳定性、物理力学性能等方面具有明显的优势，同时还具有阻燃、绝缘、高回弹、过滤和保鲜等多种特殊功能[2]。

但是在湿法成网的抄造中，由于合成纤维的固有属性，如纤维长度、刚度、吸湿性等，造成合成纤维湿法抄造时易产生诸多问题，例如：由于合成纤维的亲水性能较差，表面电荷与植物纤维相异，导致纤维在悬浮液中分散不匀，纤维易蓄聚，进而纤网成型均匀度较差[3]。

本文通过对国内外相关文献进行综述，从合成纤维在湿法成网中的难点以及在非织造和造纸中的异同点进行分析，并对合成纤维湿法成网影响因素和分散程度进行探讨，为合成纤维在湿法成网技术中的进一步应用提供参考。

1 合成纤维的特点

1.1 合成纤维在湿法成网中的难点

合成纤维最早用于纺织工业中，为迎合纺丝的多种要求,纤维大都经过卷曲处理增加抱合性。而湿法成网利用合成纤维多呈直棒状，长度根据固网工艺的不同再进行短切[4]。在密度方面大多数合成纤维相对密度在0.9～1.4 g/cm3之间，而植物纤维或天然纤维相对密度大都在1.5 g/cm3以上，这意味着相同质量的合成纤维和植物纤维，前者体积通常略大，再加上生产工艺的差别，使得湿法非织造布产品在紧度方面要远低于同样面密度为90 g/m2的热黏合非织造布和特种纸[5-6]，前者紧度仅为0.02 g/cm3,厚度却达到了4.5 mm，而特种纸紧度约为0.827 g/cm3,厚度仅为0.11 mm。

1.2 合成纤维的特殊性能优势

利用合成纤维制造湿法非织造布最主要的原因是合成纤维具有多种植物纤维不具备的优良特性，如表1所示。可提高非织造产品的质量并丰富产品品种。这些性能包括绝缘性、耐高温性、耐化学腐蚀性等等，虽然合成纤维在分散成网方面有诸多难题，但即使是以填料的形式加入易于湿法成网的植物纤维中也能提升非织造布的各项性能。

表1 常见合成纤维熔点及特性Tab.1 Characteristics and melting point of common synthetic fibers

2 合成纤维在非织造和造纸中的异同

2.1 合成纤维在造纸成网中的原纤化处理

原纤化在传统纺织中是指纤维表面分裂出来的细小的微纤维，在织造过程中易缠结成球，需要及时处理掉否则会影响服装的穿着舒适度和外观，但在造纸业中植物纤维的原纤化却是促使纤网纤维结合的一个重要手段，植物纤维有许多羟基，细胞吸收水分体积膨大，减弱了纤维的内聚力使纤维变得柔软可塑[7]，再在机械力作用下产生原纤化。

通过打浆加深纤维原纤化程度，使得纤维变弯变细，加强分丝帚化效果，使得纸张内纤维交织更为紧密，提高纤维的比表面积对纸业强度有重要影响[8]。另一方面原纤化过程中纤维被磨碎切断，通过控制纤维的结构形态来控制纤网的孔径大小和分布，从而获得理想的纸浆滤水速率。

2.2 在造纸及非织造布生产中的异同

不同于传统的植物纤维，合成纤维表面比较光滑，大多数不能形成氢键结合，不能吸水产生润胀，且更具刚性，纤维大都呈伸直状且表面光滑，在特种纸制造过程中合成纤维在充分帚化达到工艺加工要求的同时，还需要考虑到保留合成纤维绝大部分的优异性能，例如耐磨、耐热、尺寸稳定性等，而湿法非织造布利用合成纤维成网并没有磨浆帚化这一步骤，在成网时大都利用不同种类分散剂和动力将纤维束打开，使不同成分的纤维充分混合均匀并分散成网，所以湿法非织造布比化纤特种纸的纤维形态更完整，产品厚度更大，紧度更低。

3 合成纤维湿法成网常见分散手段

纤维在水中的分散程度也是影响纤网成型的重要因素之一，其对纤网的均匀度、孔隙大小和分布有重要的影响。对于非织造湿法成网中的合成纤维而言，大部分合成纤维不具备亲水基团，所以纤维在水中的分散性能很差且易蓄聚，因此如何提高合成纤维的分散性能并对分散程度进行表征是生产过程中一个十分关键的问题。

3.1 调整堆积因子指数

在纤维悬浮液分散体系的研究中，Kerekes等提出“堆积因子”的概念[9]，定义在直径为单根纤维长度的球形介质中纤维的根数，用N表示：

式中：CV为纤维体积浓度，%；L为纤维长度，m；D为纤维直径，m。

早期研究证明：当N≤1时，纤维可平移运动，纤维之间只会发生暂时接触；当N=60时，纤维会形成连续的网状结构，纤维的流动会受到限制而局限于转动；当N>60时，纤维的可流动性会明显下降[10]。从堆积因子表达式中也可推算出，当N值过大即纤网在水中蓄聚无法均匀成网时，减小L/D值即切短纤维，增加纤维的粗度和挺度可在一定程度上改善悬浮液中纤维絮聚的问题[11]。但很多研究人员根据这一公式在研究合成纤维抄造的时候，回避其他技术难题，仅仅是通过混合植物纤维或一味切短纤维降低其长度的方式来解决分散问题，这样抄造出来的非织造材料难以达到高性能水平[12]。3.2 亲水改性处理

尽管利用植物纤维和合成纤维在湿法成网抄造工序上很相似，但纤维之间的化学性质差别很大，其中最关键的原因是大部分合成纤维缺少亲水基团导致纤维憎水性强而且纤维表面光滑，再加上绝大部分合成纤维静电要高于植物纤维，所以导致其在水中不易分散并且易絮聚，很难形成连续均匀的纤网。为提高纤维在水中的分散能力，对纤维进行亲水改性是一种很常用的方法。亲水改性主要指的是在尽可能保持纤维及其纺织品原有性能的前提下，提高纤维的亲水性能[13]，提高成网均匀度同时减少生产中对分散剂的消耗。对合成纤维的改性方法主要归纳为3类，即化学改性、物理改性和生物酶改性。其中以化学改性和物理改性的方法最为常见，物理改性包括将合成纤维与亲水性物质进行共混和复合，或通过增加纤维的微孔结构来提高亲水性能。化学改性包括接枝、共聚、碱处理以及光化学处理和等离子体处理等方法，以此对纤维表面进行改性。其中关于碱处理法的研究最为充分，也是目前最为常用的纤维改性方法，在工业生产中也已经形成一整套成熟的工艺。但常规的碱处理方法存在一个弊端，这种处理会对纤维的表面产生大量刻蚀，使得纤维的物理性能下降很多。除此之外近年来对等离子体处理方法的研究也逐渐变多，但这种方法工业化程度不高，主要原因是设备成本高，并且无法进行连续化生产[14-16]。

3.3 剪切力分散

在纤维悬浮液中施加动力，其产生的湍流是促使纤维分散的主要因素。由于合成纤维具有很强的疏水性，在水中易直接絮聚成团且具有一定强力无法均匀分散，这就需要施加一定量的剪切力克服其他力促使纤维分散。1985年，Shiffler根据纤维动力分散原理提出一个剪切力不等式[17]：

FS>Fσ+Fμ+Ff

式中：FS为施加在纤维束上的剪切力，N；Fσ为表面张力，N；Fμ为阻力，N；Ff为垂熔力，N。

根据不等式所示，只有当纤维束上施加的剪切力满足此不等式并且持续一定时间之后，纤维束才能打开分散成单根纤维状态。如果剪切力不够，即使时间再长，纤维束也无法分散，仍然会在抄造之后的纤网上留下未分散的纤维束疵点[18]。此外，通过改变施加剪切力的频率也能够有效降低纤维絮聚的情况，在多种纤维混合抄造的情况下还起到原料充分混匀的作用，并且产生的湍流能够改变纤维在纤网中的取向，维持悬浮液中分散剂所带来的纤维分散效果，从而进一步扩展湿法非织造布的应用[19-21]。合适的剪切力能够改善纤网的成型，进一步增加产品密度，减少疵点数量，从而提升产品的均匀度[22]。

3.4 分散剂分散

在悬浮液中添加分散剂是目前研究最常使用的一种方式，采用分散剂后的非织造布面疵点会明显减少[23]。根据分散机制的不同，分散剂的种类主要分为离子型和非离子型。目前针对合成纤维的分散研究实验中大都采用羧甲基纤维素(CMC)、聚氧化乙烯(PEO)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)等高分子分散剂[24-25]，通过提高纤维悬浮液黏度，从而限制纤维在水介质中的自由移动，同时在纤维表面形成润滑膜，使得纤维在接触时减少纠缠絮聚的可能性。此外绝大部分合成纤维表面带有负电荷，在悬浮液中加入十二烷基硫酸钠(SDS)或CPAM等阳离子型分散剂，其分散效果甚至优于PEO等高分子分散剂[26-27]，这也进一步印证相反电荷离子分散剂分散效果要优于高分子型分散剂。

但在目前非织造产业湿法产品生产中分散剂并没有大规模的使用，质量分数大小是其影响因素之一，分子质量太小不利于分散，分子质量太大难于溶解并且溶液黏度过高会影响分散系流动性[28]，对后续抄造纤网造成阻碍。除此之外，部分分散剂会残留在非织造布表面难于分解，也限制了湿法非织造产品最后的应用范围。

4 合成纤维湿法成网分散程度的表征

4.1 图像对比分析

对分散介质中纤维分散程度进行表征的方法主要有2种，最简便和直观的方法是对分散结果进行图像分析，通过多组实验参数下纤维分散图片的对比来证明参数对纤维分散性能的影响，如图1所示。这是一个主观判断的过程，纤维长度从2 mm到8 mm形成的纤维分布匀度明显不同，随着纤维长度的增加，蓄聚规模变大，均匀度变差，纤维之间也出现明显的纠缠现象。多组图像对比确实能够直观地反映出纤维分散的变化趋势，但是很难量化成数据，找到最佳的工艺参数。

4.2 动电电位

除直观对比之外，另一类方法是在纤维分散的理论基础之上，结合实验通过测定合成纤维表面与分散剂溶液的接触角、分散剂水溶液的表面张力等参数反映纤维的润湿性能[29]。还有的研究人员通过测量纤维悬浮液的动电电位来判断纤维分散系统中电荷的一致性和纤维悬浮液的分散均匀性。根据斯特恩双电子层理论，带电固体表面周围的反离子由于静电吸引和范德华吸引的双重作用，存在扩散层和斯特恩层2部分，溶液内部与两相之间的滑动面的电势差称为动电电位(ζ电位), 是对颗粒之间相互吸引或排斥力强度的一种度量，反映了分散体系的稳定性。动电电位绝对值越大，静电斥力愈大，纤维越易分解，整个分散体系就越稳定；电位绝对值越小，分散体系就越易凝聚。基于这一原理，不同行业研究中利用动电电位来反映添加分散剂后悬浮溶液整体的稳定性或分散程度，以此来表征助剂的种类、加入量和纤维分散之间的关系[30-31]。

4.3 纤维分散图像分析

对纤维分散图像进行分析主要是利用光的投射原理对纤网形成后的图像进行分析，将纤维形态的光学信号转化为数字信号，再利用多种统计方法或图像分析对数字信号进行分析，从而将单纯的纤维图像转化成点在空间中的形态和分布来进行研究，以此来表征纤维在水介质中的分散程度[32]，这种图像分散表征方式在多个学科领域都有应用[33]。常见的分析方法主要包括亮度(灰度)直方图[34]和疵点像素分布[35-36]，其中灰度直方图是最简单有用的工具，利用少量数据表达每种亮度像素点的个数，从而表达图像的灰度统计特征。如图2所示将纤维分散图像通过灰阶变换、反色处理再增强图像对比度突出纤维形态，最后删除不是纤维的细小的噪音等步骤得到纤维的二值化图像，再分析处理后的图像，运用亮度直方图分布、未分散并排纤维的像素点数或其他数理统计方式[37-39]来表征纤维的分散程度，用来反映不同工艺参数下纤维的分散优劣。

5 合成纤维湿法成网技术的应用

虽然大多数合成纤维的疏水性使得均匀成网相对困难，但是在强力、拉伸率等物理机械性能方面具有植物和天然纤维不可比拟的优势，为使产品获得一定的干湿强力，通常加入一定比例的聚酯纤维混合抄造成网，或用涤纶短切纤维以填料的形式加入湿法抄造的纤网之中，也能起到提升产品强力的效果。

除常见的聚酯纤维外，芳纶纤维等高性能合成纤维也在特种领域有所应用，纤维强度约为钢的5倍，同时还具有良好的耐热性、热稳定性，通过湿法针刺等非织造工艺加工成复合材料的基材，通常用于航空军事等领域的零部件和结构材料，以及汽车产业的刹车垫片等增强材料。

低熔点的合成纤维具有良好的热熔性，能够给予非织造布许多黏合剂无法比拟的性能，利用聚丙烯(PP)或低熔点聚酯纤维配抄木浆或粘胶等亲水纤维制成的非织造产品具有柔软、蓬松以及高吸收性[40]，同时有一定的干湿强力，在产业中常用作医用卫生材料的吸收芯体[41]。如果利用皮芯型低熔点纤维进行黏结，表层材料融化后不仅能使混抄的其他亲水纤维层相互黏结，里层的芯部材料还能起到骨架作用，进一步提升产品的物理强度。不同品种的合成纤维拥有不同的特性，既有聚对苯撑苯并双唑纤维(PBO)等能经受300～400 ℃高温的高性能纤维，也有芳纶这种具有电气绝缘和高温过滤特性的材料，根据产品的不同需求合成纤维以主体或混抄的形式湿法成网，制成植物纤维不能制成的特种非织造材料。但湿法非织造产品生产和开发在国内还处于起步阶段，目前以聚酯或其他合成纤维配抄植物纤维的产品为主，针对功能性湿法产品的开发还处于空白，仅有一些研究涉及电池隔膜[42]和高温过滤材料等。

6 现状及发展趋势

尽管湿法成网在造纸行业研究中早已取得飞速的发展，多种高性能合成纤维及生产工艺早已应用于特种纸的开发与实际生产之中，而非织造行业对于湿法成网的研究和合成纤维在湿法产品中的利用还处于初级阶段，2006年产品在行业生产中所占份额仅为1.07%，产品也大都为纸巾、皮革和墙纸等，种类丰富程度远不及造纸行业，未能有效利用湿法成网的优势。针对目前湿法成网的开发及应用状况，未来合成纤维湿法非织造产品的开发及应用趋势如下。

1)利用纤维加工优势开发更轻薄的特色非织造产品。湿法成网相对于其他非织造成网方式在纤维加工上具有一定的优势，其纤维加工长度范围在1～30 mm之间，且适于加工超细纤维，相较于气流成网与梳理成网更适合生产轻薄型材料，更短更细的纤维也产生更致密的纤网结构[43-44]，2种优势结合在过滤领域能减少过滤阻力，同时降低产品的厚度，使厚度接近于纸张厚度。湿法非织造布应用于电池隔膜可提高电池的比能，在电池隔膜领域也逐渐成为研究热点[45]。

2)利用成网均匀优势配合高性能纤维开发特种产品。合成纤维在均匀分散的情况下，纤维随机分布效果明显，通过湿法成网其纵横强度比接近各向同性，产品各个方向强力均匀，配合芳纶等高强力高模量纤维能进一步提升产品强力以及稳定性，同时降低产品厚度。这种各向同性的非织造布在对强力要求均匀的产品中会有很好的应用，例如汽车行业的刹车垫片，涂层基材以及纺织复合材料的增强体等[46]都已有研究案例证明其力学及尺寸稳定性，能明显改善产品各项物理机械指标的CV值。

3)选择合理固网方式扩展产品种类。湿法成网在造纸行业的研究发展虽然已有多年历史，但固网方式还局限于传统的纸张制造方法，由于湿法成网产品轻薄，大都以低面密度产品为主，不能利用非织造的针刺加工，所以目前固网手段大都为黏合剂固网与水刺固网。其中黏合剂固网由于化学试剂的添加导致应用范围较小，较为成熟的生产工艺主要是湿法与水刺的结合，但由于水刺工艺要求以及产品的应用工艺中主要利用中长型的天然纤维为主体，合成纤维主要以填料形式加入，产品多为可冲散纸巾和皮革。在目前的湿法非织造生产和研究中利用热粘合的固网方式比重很少，这种固网方式不使用化学试剂黏合，符合卫生产品的需求，且热轧后的纤网更薄，强力更高[47-48]。根据湿法成网特点及产品应用要求，合理选择固网方式，研究固网方式对湿法纤网的影响是后续产品应用中的一项关键任务。

4)开发匹配湿法非织造生产特点的合成纤维产品。虽然造纸、纺织和非织造行业同样以纤维作为主要生产原料，但对于合成纤维的要求不尽相同。造纸对合成纤维主要进行原纤化处理，纺织要求合成纤维抱合力强易于成纱，而湿法非织造布要求合成纤维不宜过长否则不易分散，但太短又会影响纤网的性能，同时还要具有一定的刚度。此外湿法非织造布成网速度大都在300 m/min以上，为适应高速大规模的生产需求，合成纤维最好经过亲水处理，以此来减少分散剂的消耗和溶解时间，同时为配合后续固网，对合成纤维还有其他的性能要求，例如热黏合还需要纤维具备低熔点性能。由此可见湿法非织造布对合成纤维的要求要多于纺织和造纸生产，单纯使用纺织生产使用的合成纤维难以得到性能优异的产品。而目前我们生产和研究仅考虑合成纤维分散的难点，过度采取短切纤维或添加过量分散剂等不太合理的方式，忽视了针对满足湿法非织造要求的纤维的开发，忽视了其可能为产品带来的应用扩展收益，这也是一个亟待解决的问题。

5)研究合成纤维在实际生产流浆体系中的分散机制。不同种类的合成纤维在水介质中的悬浮分散是一个十分复杂的运动，涉及众多交叉学科，然而合成纤维结构、合成纤维的运动状态对纤维均匀成网具有决定性的影响，合成纤维在非织造流浆过程中受到的湍流影响直接决定了纤维的分散效果，从而影响湿法非织造产品的实际性能，因而对分散机制的研究显得格外重要。

7 结论与展望

随着合成纤维在湿法成网中的不断深入应用，功能纸和湿法非织造布都被赋予了越来越多的特有优势，同时越来越多的研究及生产问题逐渐凸显，这其中有的可以借鉴其他相关行业的技术来解决，有的还需要我们针对湿法成网及纤维的特殊关联性来深入研究。此外，湿法成网在非织造产业应用过程中，对合成纤维的分散手段和分散程度的要求又与造纸行业不同，所以合成纤维的抄造技术和工艺研究仍处于探索阶段，因此加强对各类化纤分散过程的认识研究以及特种产品的开发应用对非织造行业具有很大的意义。

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Application and web formation of synthetic fiber in wet-laid nonwoven

YANG Zhaohang1,2, GUAN Xiaoyu1,2, QIAN Xiaoming1,2

(1. School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2. Tianjin Nonwoven Technology Engineering Center, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Wet-laid technology has been applied to the fields of nonwovens by improving the production process. This paper mainly introduces the similarities and differences between wet-laid and synthetic fiber used in papermaking and nonwoven industries, and several commonly used dispersion methods and characterization of synthetic fiber are also analyzed in this paper. Accumulation factor coefficient, hydrophilic modification，shear stress dispersion，image contrast analysis，electrokinetic potential and fiber scattered image analysis are studied. The cause of dispersion commonly methods and degree of dispersion are summarized which used synthetic fiber into wet-laid. With a variety of performance and structural advantages, the synthetic fibers has gradually expanded the scope of application in paper and wet-laid nonwovens, and provide the further application for the synthetic fiber.

synthetic fiber; wet-laid; fibrillation; nonwoven

10.13475/j.fzxb.20150404308

2015-04-23

2016-03-11

国家科技支撑项目(2014BAE091300)；天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目(15JC2DJC38500)

杨棹航(1990—)，女，硕士生。主要研究领域为非织造材料与工程与服装工效学。钱晓明，通信作者，E-mail:qianxiaoming@tipu.edu.cn。

TS 174

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