植绒式高弹保暖材料的制备方案

张如全，胡权枝，刘雪强，谌玉红，蒋吉众，冯 军



植绒式高弹保暖材料的制备方案

张如全1，胡权枝1，刘雪强2*，谌玉红2，蒋吉众1，冯 军1

（1. 武汉纺织大学，湖北 武汉 430200；2. 军需工程技术研究所，北京 100010）

为了开发高弹保暖材料，将绒毛直立固结在两层保暖基布中间，设计出一种具有致密空气层结构的植绒式高弹保暖材料，并制备出实现该保暖材料的装置。该装置采用两端静电植绒工艺，制备的高弹保暖材料与普通保暖非织造布作对比测试得出，植绒式高弹保暖材料的保暖率高15%~40%、压缩弹性回复率高20%~35%，具有保暖性好、弹性高的特点，对保暖材料的开发具有积极作用。

高弹保暖材料；静电植绒；直立绒毛；非织造材料

保暖材料作为生活中的必需品有着十分重要的作用，而随着人们生活水平的提高，传统保暖材料已经无法满足人们对保暖性、回弹性、蓬松性、轻质等多样化的需求，因此研究开发新型高弹保暖材料及其加工技术非常有意义[1]。

保暖材料种类繁复[2,3]，棉花、羊毛、羽绒等天然保暖材料虽然保暖性好，但单一原料或单一结构的保暖材料有缺陷难以满足多方面的要求[4]；除了天然保暖材料，超细纤维、中空纤维、异形纤维等差别化纤维为原料的纯化纤保暖材料大量涌现，如喷胶棉、太阳绒等[5]，这些新型纤维在保暖性上有所改善但在回弹性上表现欠佳；多层复合结构的仿丝棉[6]、太空棉[7]等复合保暖材料被相继研发并大量应用，但这些复合保暖材料制备工艺复杂，目前还难以取代传统保暖材料；还有将天然纤维和化学纤维混合在一起的混合保暖材料，但是混合比及其保暖性的提高还需要进一步研究[8]。总之，目前的保暖材料，不管是天然保暖材料还是复合保暖材料，弹性回复力性能不好，并且保暖性能也有待进一步提高，因此开发新型高弹保暖材料越来越受到重视。

本文设计一种植绒式高弹保暖材料的制备方案，设计制作一种能制备直立绒毛固结在两层保暖基布中间的植绒式高弹保暖材料的制备装置，利用该制备装置制得具有致密空气层结构的两端静电植绒的植绒式高弹保暖材料，并对制备的植绒式高弹保暖材料与传统保暖材料的压缩回弹性及保暖性进行对比测试，以期改善保暖材料笨重、回弹性差、保暖性不好等问题，为保暖材料的开发提供新方案。

1 植绒式高弹保暖材料设计

保暖材料中热传导、热辐射及热对流是热传递的三种主要形式，通常情况下材料性能、内部结构和外部形状决定了热传递的速率。传统保暖材料一般通过增加材料厚度和密度来增大纤维之间静止空气层，减缓热传递，但是会让保暖材料显得臃肿与笨重，将静电植绒工艺用于制作保暖材料可以在绒毛层里储存更多的静止空气，在提高保暖性能的同时减少纤维用量。研究现有的静电植绒产品得知，植绒绒毛根据产品需求，粗细长短各有不同，但是大部分产品中绒毛没有处于直立状态。并且都是绒毛的一端与植绒基布粘结固定，另一端处于自由状态，两层基布间植入固定直立绒毛的保暖材料与两端静电植绒工艺鲜有研究。然而，在两层保暖基布中植入等长的直立绒毛可以构建致密空气层的结构，使保暖材料内部的静止空气储存量增加，并且上下两层保暖基布使内部空气不易流失，以此提高材料的保暖性及蓬松性；再者固定在两层基布中间的直立绒毛压缩时轴向受力，会提高保暖材料的压缩回弹性。

对植绒式高弹保暖材料的结构进行设计，植绒式高弹保暖材料结构示意图如图1所示，其中1是保暖基布、2是热熔膜、3是粘合剂、4是直立绒毛。其结构由七层组成并上下对称，由上到下分别为：上保暖基布层、上热熔膜层、上粘合剂层、直立绒毛层、下粘合剂层、下热熔膜层和下保暖基布层。其中上下两层为基布材料，本文采用保暖非织造布，即非织造纤网，可用梳理成网针刺加固方式制得；向内其次为上下热熔膜层，用来涂敷粘合剂并将保暖基布与绒毛固结在一起；再向内为上下粘合剂层，主要作用为粘结静电植绒绒毛，并在高电压作用下当绒毛呈直立状态时将绒毛粘结固定；中间为等长直立绒毛层，绒毛两端分别通过粘合剂、热熔膜垂直植入上下两层保暖基布中。

图1 植绒式高弹保暖材料结构示意图

考虑到粘合剂在干燥失去水分后会形成膜状的粘合剂层，导致保暖基布透气性变差，故通过等距间隔的涂敷热熔膜和粘合剂来保证保暖材料的透气性，即热熔膜层、粘合剂层和绒毛层在两层保暖基布之间为等宽等间距的条形分布。另外保暖材料内部的植绒面积与空白面积之比不宜过小，否则会造成两层基布层之间的支撑效果不佳，导致在未植绒区域出现突出或凹陷，影响产品外观并且压缩回弹性及保暖性也会减弱，所以等宽等间距的宽度保持为1cm。为了让植绒式高弹保暖材料达到更好的保暖性及回弹性效果，植绒绒毛的长短和粗细的选择是至关重要的，绒毛太长则完全伸直有困难，太短导致蓬松性和保暖性下降；绒毛粗细也会影响绒毛的伸直状态，但太粗会降低粘结牢度，且影响回弹性；再者绒毛本身的性能也会影响保暖材料的回弹性和保暖性，所以选用绒毛要综合考虑。

由于等长直立绒毛的两端需分别固定在两层保暖基布上，为了实现两端静电植绒工艺除了粘合剂，还使用了热熔膜。将热熔膜热压在保暖基布表面一起当作植绒基材，并且把粘合剂涂敷在基布表面的热熔膜上。其中热熔膜有两个作用：一是热压到保暖基布表面后，静电植绒粘合剂不会渗透到保暖基布里面，并且易涂敷粘合剂，使静电植绒绒毛能够平整直立地固结在两层基布之间；二是烘燥时，热熔膜熔融后能够将粘合剂层和保暖基布层粘结在一起，温度冷却后固结粘合剂层和保暖基布层，使保暖基布与直立绒毛粘结的更牢固，粘合效果更好。

植绒式高弹保暖材料通过将绒毛直立固结在两层保暖基布中间，构建具有致密空气层的结构，使材料内部空隙增大，在同样厚度的情况下，能减少纤维材料用量，减轻保暖材料重量，降低生产成本；中间绒毛层排列规整，相比于非织造纤网的无序排列，材料压缩受力时绒毛轴向受力，弹性回复力增大，即弹性增强；采用的绒毛长度一致，制备的植绒式高弹保暖材料表面平整，产品美观。综上所述，植绒式高弹保暖材料等长的绒毛直立固结在两层保暖基布中间能在提高保暖材料保暖性的同时又使其具备高弹性和蓬松性，并且具有表观平整和质轻等优点。

2 植绒式高弹保暖材料的制备流程

植绒式高弹保暖材料的制备流程：植绒前准备→纤网准备→热压覆膜→涂粘合剂→静电植绒→烘燥→吸绒→纤网复合→烘燥→卷绕。

具体工艺为：(1)植绒前准备：将热熔膜裁剪成1cm等宽的条形备用。(2)纤网准备：分别制备上层纤网与下层纤网，用作本文的非织造保暖基布。(3)热压覆膜：将热熔膜等距间隔的涂敷在保暖非织造布需植绒的一面，其间隔的宽度为1cm，并通过热压辊使热熔膜熔融与保暖非织造布初步复合在一起。(4)涂粘合剂：在与保暖非织造布热压复合后的1cm宽的热熔膜上均匀涂刮静电植绒粘合剂。(5)静电植绒：采用下飞法静电植绒，通过实验得出，绒毛长度较长时两极板距离过小容易导致绒毛之间相互纠缠，无法正常植绒，所以两极板距离适当调大，并为了使绒毛完全伸直，植绒电压及植绒时间也相应增加。(6)烘燥：采用热风方式进行烘燥，让下粘合剂中的水分蒸发，使绒毛固结在热熔膜上并形成直立的外观效果。烘燥时间不易过短，因为太短容易导致粘合剂固化不良，使绒毛倒伏甚至脱落。(7)吸绒：用吸风法除绒，在绒毛上面将吸风装置垂直放置，将浮毛及未粘结的多余绒毛除去。(8)纤网复合：纤网复合是在自制的植绒式高弹保暖材料制备装置中进行的，将吸绒过后的下层纤网与经过热压覆膜、涂粘合剂后的上层纤网在两极板间的高压电场作用下进行复合，复合时绒毛处于直立状态，复合速度为低速，使绒毛充分伸直并且粘结牢固。(9)烘燥：纤网复合后，再次进行烘燥，使上粘合剂水分蒸发，并且烘燥时热熔膜熔融会粘结绒毛和保暖基布，使绒毛的另一端与上层纤网粘结更牢固。但烘燥温度不宜太高，过高的温度会导致热熔膜变形甚至流动，对平整性有较大的影响。(10)卷绕：将二次烘燥后的已完成两端静电植绒工艺的材料进行卷绕冷却，使保暖基布与绒毛完全固结并定型，制得植绒式高弹保暖材料。

植绒式高弹保暖材料制备装置是在对普通静电植绒装置进行改进设计后制得的，在静电植绒的上下极板中间加入传送带和两对上下压辊，用于在纤网复合时实现两端静电植绒工艺。植绒式高弹保暖材料制备装置工作时，在电机带动下传送带开始运动，接通两极板的高压电源，将来自烘燥并吸绒后的固结直立绒毛的下层纤网放在传送带上，并把已涂敷好热熔膜和粘合剂的上层纤网通过上下导辊送入直立绒毛上面一起经过高压电场和上下压辊，在高压电场下绒毛保持直立状态，在经过压辊时等长直立绒毛与上粘合剂粘结复合。并且根据将要复合的两层非织造纤网层与绒毛层厚度调节两对压辊间的距离，压辊距离以略小于要复合的两层纤网与绒毛层厚度为宜，后压辊距离比前压辊距离小，这样能对其进行加压复合使绒毛插入到粘合剂层中，同时又不会破坏绒毛原有的直立状态。随后接烘箱，进入下一步工艺流程。

植绒式高弹保暖材料制备装置使绒毛两端固定在两层保暖基布上，该装置利用绒毛在高压电场下处于直立状态，并且由于等长绒毛的另一端已经固定在下层纤网上，从而绒毛上端会竖直植入上层纤网，在压辊的压力下完成粘结固定。植绒式高弹保暖材料制备装置综合利用了静电植绒工艺和多层复合工艺，实现两端静电植绒工艺，在两层保暖基布中间构建了致密空气层结构，并且工艺灵活、操作方便、适应性广，可用来复合不同长度绒毛的保暖材料，是制备植绒式高弹保暖材料的简易设备。

3 实验结果

根据上述制备工艺流程和植绒式高弹保暖材料制备装置，采用长度为8mm、细度为5D的尼龙短纤维为绒毛，保暖非织造布为保暖基材，以及使用TPU型热熔膜和聚丙烯类粘合剂。利用热压辊将热熔膜与保暖非织造布热压复合后，然后利用静电植绒装置将涂敷热熔膜和聚丙烯类粘合剂的下层纤网上植入尼龙绒毛，保证绒毛成直立状态，用所设计的植绒式高弹保暖材料制备装置将已烘燥、吸绒后的下层纤网与已涂敷好热熔膜和粘合剂的上层纤网复合，完成两端静电植绒工艺，两层纤网复合后在烘箱内让上粘合剂水分蒸发，并且此时热熔膜与上下两层保暖非织造布进一步加固粘结，最终得到两层保暖非织造布中间等长绒毛成直立状态的植绒式高弹保暖材料试验样品。对植绒式高弹保暖材料试验样品与常规保暖非织造布的保暖性和压缩回弹性进行对比测试，植绒式高弹保暖材料与保暖非织造布的保暖率及压缩弹性回复率对比测试结果见表1。

表1 植绒式高弹保暖材料与保暖非织造布的保暖率、压缩弹性回复率对比

从表1可以看出，植绒式高弹保暖材料的保暖率可以改善15%~40%，植绒式高弹保暖材料的压缩弹性回复率可以改善20%~35%，在平方米克重区别不大的范围内保暖性和弹性效果增加明显。

4 结论

本文按照植绒式高弹保暖材料的制备方案并利用植绒式高弹保暖材料制备装置，制备的植绒式高弹保暖材料与常规保暖非织造布相比保暖率提高15%~40%，压缩弹性回复率提高20%~35%，达到了预期效果要求。植绒式高弹保暖材料提高了保暖材料的压缩回弹性及保暖性，解决了保暖材料笨重、弹性差、保暖性不好等缺点，有望取代传统保暖材料。设计并制作的植绒式高弹保暖材料制备装置具备结构简单、成本低、使用灵活以及可制备不同长度绒毛保暖材料的特点，是一种能实现在两层基布中间植入直立绒毛的简易设备，为高弹保暖材料的开发提供了新的制备方案。

[1] 岳素娟，郝新敏，张建春，等．几种新型保暖絮材性能之比较[J]．产业用纺织品，2005，23(2)：28-30+41．

[2] 刘静．非织造复合保暖材料的制备与性能研究[D]．天津：天津工业大学，2017．

[3] 范智贵，于伟东．准单层羽绒絮网成形工艺及其性能表征[D]．上海：东华大学，2011．

[4] 曹继岗．高蓬松纤维集合体保暖性测试方法研究及应用[D]．上海：东华大学，2010．

[5] 赵媛媛．服装絮料的保暖性研究[D]．上海：东华大学，2013．

[6] 王利伟．羽毛/化纤混合保暖絮片的开发及其性能的研究[D]．上海：东华大学，2004．

[7] 董旭东，邓玉春，姚志强．仿羽绒纤维研究进展[J]．合成纤维，2006，35(7)：12-14．

[8] 王敏，李俊．发热保暖服装材料的开发现状及发展趋势[J]．产业用纺织品，2009，27(4)：6-9．

Preparation Scheme of Flocking Type of High Elastic Warmth Retention Material

ZHANG Ru-quan1, HU Quan-zhi1, LIU Xue-qiang2, CHEN Yu-hong2, JIANG Ji-zhong1, FENG Jun1

(1. Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. Quartermaster Research Institute of Engineering and Technology, Beijing 100010, China)

In order to develop high-elastic warmth retention material， we devised the fluff upright in the middle of two warm fabric consolidation，and designed flocking high-elastic warmth retention material with a dense layer structure of air， and the preparation of the device to achieve the warm material performance. The device uses both ends of the electrostatic flocking process， high-elastic warm material prepared with ordinary warm non-woven fabric. The comparison test results showed that flocking high-elastic warm material rate increased by 15% to 40%， compressive elastic recovery rate increased by 20% to 35%， with warm well and high elasticity characteristics. Thus， this device has a positive effect on the development of warm material.

high elastic warmth retention material; electrostatic flocking; upright fluff; non-woven material

刘雪强（1976-），男，高级工程师，研究方向：功能材料.

TS176.7

A

2095－414X(2019)02－0008－04