熔喷保暖材料的工艺制备与产品性能研究

陈 影，周 蓉，李萌萌

（青岛大学，山东 青岛266071）

1 引言

保暖材料是指具有轻而保暖特点的，通常以絮料形式存在的一种填充材料［1］。熔喷非织造材料具有三维网状的立体结构，使用的材料是超细纤维，分布均匀，纤网中有很多立体通道，孔隙率高且孔径小，可使静止空气长久地保留在纤网中，大幅度地增强保暖效果［2－3］。经我国国家检测单位测定，相同重量的服装保温材料中，熔喷法非织造布的保温效果最好［4］。

近年来，国内外许多单位和个人开发和研究新型的功能型保暖纤维和保暖材料。天津工业大学的石磊等人［5］探究了不同工艺参数对熔喷材料性能的影响，并制备了混杂多种材料的熔喷复合保暖材料；上海工程技术大学的刘茜［6］对比了羊毛、腈纶、木棉及鹅绒4种集合体的保暖性能与透气性之间的关系，分析了纤维形态结构及集合体的体积密度对集合体保暖性能的影响；美国3M公司开发的Thinsulate保暖材料，加入粗特三维卷曲PET纤维，提高了材料的蓬松度［7］。同时，非织造保暖材料在军用服装领域应用也十分广泛，其产品显现出传统保暖材料不可比拟的巨大优越性［8］。

熔喷法非织造技术已经成为近年来发展最快的非织造生产技术之一［9］，本文以聚丙烯为原料，重点讨论了接收距离和热空气速度的改变对材料性能的影响，并且基于纤维卷曲度对其蓬松性及保暖性的影响，通过添加侧吹风装置进一步探讨了提高材料保暖性的工艺。本文的研究将为新型保暖材料的制备提供一个新的思路。

2 实验部分

2.1 实验原料及仪器

熔喷非制造保暖材料制备及性能测试用到的材料和仪器见表1。

表1 实验原料及仪器

2.2 实验过程及方案

熔喷法是将高聚物切片通过螺杆挤压机使其熔融，经高温高速气流牵伸细化后，形成超细长丝，并在气流作用下凝集到凝网帘或滚筒上，同时自身粘合，进而形成非织造材料的一种方法［10］。图1是熔喷法非织造布的制备工艺流程。

图1 熔喷技术原理

本实验设置三个方案：方案I只改变接收距离，方案Ⅱ只改变热空气速度，方案Ⅲ在熔喷模头与接收装置之间加入侧吹风装置，方案参数设置如表2。

表2 实验方案及参数设置

3 结果与讨论

3.1 接收距离对熔喷材料性能的影响

对方案I的样品进行性能测试与数据分析，结果如表3所示。

表3 方案Ⅰ样品性能参数

由表3得，当接收距离增大时，纤网的克重变化不大，但厚度增大。有研究［5］表明，熔喷非织造工艺中，接收距离在11cm时热空气速度与纤维速度相等，超过这个临界值后，纤维不再受热空气的牵引，纤维直径也不再减小，故本实验所选取的接收距离对克重的影响不大。当纤维在逐渐远离喷丝孔时，会逐步脱离气流的牵伸力，喷到接收装置上的纤维杂乱度增大，蓬松度也变大，因此熔喷保暖材料的厚度会变大。同时，接收距离的增大，使纤维到达接收装置时速度和温度都降低，纤维之间的粘合点减少，故纤网的孔径增大，蓬松度增加，更容易在纤网内形成热量的对流，使得熔喷纤网的透气率更好。另外，纤网孔径增大和蓬松度的增加，使得纤网更容易被压缩，即压缩率增大；由于纤维相互之间的粘合力下降，当外力作用去除后，纤维相互之间易滑移，所以纤网的压缩回复率变差。

图2 接收距离对克罗值、传热系数、保温率的影响

对样品保暖性能进行测试，结果如图2所示。总的来说，当接收距离增大时，一方面由于纤网的杂乱程度和蓬松度增加，在熔喷材料中静止的空气变多，所以传热系数减小；另一方面，由于试样的厚度增加，散热更困难，所以纤网的保暖性增强，保温率和克罗值都增大。

3.2 热空气速度对熔喷材料性能的影响

对方案Ⅱ的样品进行性能测试与数据分析，结果如表4所示。

由表4得，随着热空气速度的提高，牵伸形成的纤维直径较细，且单位时间内喷出的纤维数量增多，故材料的克重呈增大趋势，同时更多更细更卷曲的纤维使纤网蓬松，孔隙率高，且纤网的无效孔隙增多，同时纤网厚度的增加，共同导致了气流经过纤网内部的路程增加，所以透气性能下降。

热空气速度的提高使纤维直径变细数量增多，同时纤维刚性下降，纤网蓬松度提高，故压缩性能增强；纤维刚性的下降也使其形变回复性能变差，即压缩回复性下降。

表4 方案Ⅱ样品性能参数

对样品保暖性能进行测试，结果如图3所示。当热空气速度增大时，纤网蓬松度提高，孔隙率增大，厚度增大，使材料的保温率和克罗值变大，传热系数减小，即保暖性能增强。

图3 热空气速度对克罗值、传热系数、保温率的影响

3.3 侧吹风对熔喷材料性能的影响

对方案Ⅲ的样品进行性能测试，结果如表5所示，其中样品10与样品6、样品11与样品8除侧吹风条件不同外，其他实验参数完全相同，具体参数设置见表2。

由表5得，添加侧吹风装置后，材料的克重、厚度增大，透气性减小，保暖性能有小幅提高。原因是在纤维从熔喷模头中喷出到接收装置时加入侧吹风，使纤维在落到接收装置前发生不同方向的卷曲，使形成的纤网更蓬松且厚度增大，克重也增大，纤维卷曲增大可以使纤网的空隙增多从而使孔隙率增大，纤网空隙的增多使空气流经纤网的路径加长，空气不易通过纤网，透气率减小，同时意味着可以储存更多的静止空气，使材料的保暖性能增强。

表5 方案Ⅲ样品性能参数

4 结论

熔喷纤网的保暖性能受到制备工艺参数影响较大。接收距离增大时，纤维杂乱度和蓬松度增大，材料克重变化不大，厚度增大，透气性增强，纤网被压缩的程度越大，但是压缩回复率降低，熔喷纤网的保暖性变好；热空气速度增大时，纤维直径减小，形成纤网的空隙增多，静止空气含量也增多，材料克重增大，厚度增大，透气性减小，压缩率提高，压缩回复率下降，保暖性变好；在纤维成网之前加入侧吹风，会使纤维卷曲增加，纤维在不同方向的杂乱程度增加，可以使材料的克重增大，厚度增大，透气性减小，保暖性增加。随着技术的完善，生产加工工艺的成熟，相信在不久的将来，更加保暖舒适的功能性保暖材料将会进入人们的生活。