聚乙烯/聚酯纤维卷曲对热风非织造材料性能的影响

刘 欢，封 严，钱晓明，齐晶晶，韩丽娜，马计兰

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387； 2.北京京兰非织造布有限公司, 北京 101204)

随着中国经济的快速发展，二胎政策的开放、人口老龄化以及庞大的人口基数等都会促进卫生用品市场的持续发展[1]。在妇女卫生巾、婴儿纸尿裤等卫生用品中，由于面层材料与皮肤紧密接触，因此要求面层材料透气、透湿，能很好地吸收液体，并能使液体快速进入导流层，且防止液体回渗保持自身的干爽[2]。此外，消费者更希望面层材料有良好的触感，以便在使用时更加舒适。柔软性是影响舒适性的重要因素，对于非织造材料的柔软特征已有较多研究。焦晓宁等[3]发现用SCJ-891整理剂整理后的非织造布柔软度变好，手感变好。刘美言[4]采用非离子固体柔软剂对织物进行后处理，得到更加柔软、手感更好的织物。王建等[5]对有夜光涂层的织物做了柔软处理，结果表明经柔软处理后的织物手感有所改进。刘凡等[6]用4种不同方法对非织造布进行柔软处理，发现经过柔软处理的非织造布比未经处理的非织造布的滑爽性要好。对非织造材料增加一些花纹，使得其与皮肤接触的面积减少，可得到透气性能良好、更加舒适的卫生材料。严木[7]在面层材料中增加了多个立体压纹，制得3D立体压纹面层的纸尿裤；苏艺强[8]采用特殊卷曲纤维制得凹凸立体亲肤面层材料，该面层材料设有多个凸形亲肤粒子，每个亲肤粒子之间带有凹形通气槽；刘洋等[9]在面层材料设置了柱形的凹凸个体形成上下双层立体结构；严华荣等[10]研究的透爽立体感珍珠纸尿裤面层材料由3层组成，上层有凸起结构，带有立体引流纹。

目前，市场上卫生用品的面层材料一般采用薄型的纺粘非织造材料或者热风非织造材料。用于卫生用品面层的薄型纺粘非织造材料的代表是SSS非织造材料(简称3S)[11]。3S由3层纺粘非织造材料构成，3层之间有黏合点，没有黏合的地方可以滑动，纤维为长丝结构没有卷曲，因此成品具有丝柔、爽滑的特点。热风非织造材料使用的原料是ES纤维(聚乙烯/聚酯)，它是一种双组分皮芯结构复合纤维，由皮层(聚乙烯，PE)和芯层(聚酯，PET)复合而成，ES纤维是短纤维，具有卷曲结构，其热风非织造材料具有蓬松、棉柔的特点[12]。何厚康[13]通过研究一次性卫生用热风非织造材料的接触舒适性及其定量评价方法，发现影响其最终舒适性的有热风非织造材料的黏合点、皮层PE的含量、面密度均匀性，并且通过主观评价分析得出光滑性是影响消费者舒适性最主要的因素。基于上述原因，本文以热风非织造材料为研究对象，运用物理方法通过改变ES纤维的卷曲性能来制备热风非织造材料，使其在保留本身棉柔、蓬松的基础上兼具3S纺粘非织造材料丝柔、爽滑的特点，使得消费者在使用时感觉更加舒适。

1 实验部分

1.1 实验仪器

实验仪器见表1。

表1 实验仪器

1.2 实验原料

实验所用纤维原料为双组分皮芯结构的ES纤维(北京京兰非织造布有限公司)，皮芯比例为PE/PET 50/50，纤维规格为长度38 mm，线密度1.33 dtex。该公司提供了4种不同卷曲度的ES纤维，本文实验制得了面密度为20 g/m2但结构不同的4种热风非织造材料，分别记为试样1、试样2、试样3、试样4。

1.3 制备工艺及参数

将ES纤维经过开松、混合，再通过机械梳理形成纤维网，最终经过热风加热使得纤维相互搭接处的表层纤维熔融黏合，其中热风温度为135 ℃，热风机频率为25 Hz，加热时间为3 min，最终纤维网冷却后形成蓬松的热风非织造材料[14]。

由于3S纺粘非织造材料在一次性卫生用品市场中有很广泛的应用，故作为对比试样，选取了2种3S纺粘非织造材料，分别记为试样5和试样6，试样5为普通3S纺粘非织造材料，试样6为柔软处理后的3S纺粘非织造材料。

1.4 纤维原料性能测试

采用TM3030型台式扫描电子显微镜，对纤维表面形态及横截面样貌进行观察。

采用YG362A型卷曲弹性仪，根据GB/T 14338—2008《化学纤维 短纤维卷曲性能实验方法》测试短纤维卷曲性能。

采用YG001A型单纤维电子强力仪，根据FZ/T 98009—2011《电子单纤维强力仪》测试纤维的拉伸性能。

1.5 非织造材料的性能测试

采用YG141型数字式织物厚度仪，按照GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》测试试样的厚度，选取的压力为0.5 kPa、压脚面积为20 cm2。

采用YG461H型全自动透气量仪，按照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》测试材料的透气性能，测试选用20 cm2的测试面积，压力差为100 Pa。

采用YG(B)216型织物透湿量仪，按照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》测试试样的透湿性能，设置实验环境温度为38 ℃，相对湿度为50 %。

采用5969型万能电子强力仪，根据GB/T 24218.18—2014《纺织品 非织造布试验方法 第18部分:断裂强力和断裂伸长率的测定》 测试试样的力学性能，选取隔距为200 mm，拉伸速度为100 mm/min。

采用LISTER AC型电子水分渗透仪和WETBACK无纺布吸湿测定仪，根据GB/T 24218.8—2010《纺织品 非织造布试验方法 第8部分：液体穿透时间的测定》测试试样的液体穿透时间，根据GB/T 24218.14—2010《纺织品 非织造布试验方法 第14部分：包覆材料返湿量的测定》测试试样的返湿量。样品大小为125 mm×125 mm，实验用渗透液为质量浓度9 g/L的NaCl溶液模拟尿液。

试样孔隙率计算公式为：

式中：η为孔隙率，%；G为面密度，g/m2；ρ为原材料密度，g/m3；δ为材料厚度，m。

采用KES-FB4型川端织物风格仪根据FZ/T 01054—2012 《织物表面摩擦性能的试验方法》对6种试样进行摩擦性能测试，测试试样大小为200 mm×200 mm。KES-FB4是通过模拟指尖触感设计传感器部的负载，可将接近人类指尖的感觉数值化，最终得出试样的摩擦因数。

2 结果与分析

2.1 试样形貌

ES纤维横截面形貌见图1，ES纤维表面形貌见图2，试样表面形貌见图3。

图3 试样表面形貌

从图1中可以看出ES纤维是同心的双组分皮芯结构，其中皮层为PE，芯层为PET。采用Image J软件计算6种试样的直径。试样1～6号的平均直径分别为12.75、12.36、12.69、12.44、17.40、17.88 μm。

从图3可以看出，试样1、2、3、4为具有卷曲的短纤维，试样5、6为没有卷曲的长丝。上述6种试样中3S纺粘非织造试样的纤维直径较热风非织造材料的纤维直径大。纺粘非织造材料的表面没有纤维的头端，手感较为爽滑，因此降低纤维的卷曲度是改善织物触感的有效方法。

2.2 ES纤维和试样的基本性能

ES纤维和试样的基本性能见表2。可以看出，试样1、2、3、4的厚度随着纤维卷曲度的降低而逐渐减小。在面密度接近的情况下，试样1的厚度最大，结构更加蓬松，表明纤维卷曲度越大纤维网的蓬松性越好。试样1、2、3、4的厚度比试样5和试样6的厚度大，这是因为热风工艺和纺粘工艺不同。热风非织造材料利用热熔黏合，熔融的聚合物流动并凝聚在纤维交叉点上，未黏合部分则保持原来的状态，纤维随机排列，具有良好的空间结构。3S纺粘非织造材料是聚合物直接成网，3层纺粘非织造材料经过加热加压后结构紧密，轧点周围的纤维黏结在一起，所以厚度小，蓬松性比热风非织造材料差。

表2 ES纤维和试样的基本性能

2.3 ES纤维卷曲对试样透气透湿性影响

ES纤维卷曲程度对试样透气透湿性能的影响见图4。

图4 ES纤维卷曲程度对试样透气透湿性能的影响

从图4可以看出，随着纤维卷曲度的降低，试样1、2、3、4的透气率和透湿率基本不变，试样1、2、3、4的透气性能优于试样5和试样6，透湿率相差不大。GOZEN等[15]研究表明透气性和透湿性主要与试样的孔隙结构有关，田伟等[16]对非织造材料进行测试与分析，发现试样的透气率与孔隙率呈幂函数的关系。从表2可以看出，试样1、2、3、4的孔隙率基本不变，且大于试样5和试样6。热风非织造材料自身具有蓬松的特性，纤维网中的孔隙较大，有助于气体通过。纺粘非织造材料纤维网中的纤维排列较为紧密，且3层纺粘非织造材料是通过热轧的方式加固的，3层之间也较为紧密。因此3S纺粘非织造材料透气性没有热风非织造材料好。

2.4 ES纤维卷曲对试样力学性能的影响

ES纤维卷曲程度对试样断裂强力的影响见图5。

图5 ES纤维卷曲程度对试样断裂强力的影响

从图5可以看出，随着ES纤维卷曲度的改变，试样1、2、3、4纵、横向的力学性能没有明显变化，且3S纺粘非织造材料的断裂强力优于热风非织造材料，各向异性较小。试样断裂时起主要作用的是材料的内部结构，断裂实质上是纤维间的相互作用[17]，所以影响热风非织造材料断裂强力的主要因素是纤维原料和成网、固网的方法，而纤维卷曲度的改变对纤维本身的内部结构没有发生本质性变化。热风非织造材料是短梳理成网后经热风加热、加固而形成的干法非织造材料，试样的纵向强力大于横向强力；而3S纺粘非织造材料是聚合物直接成网，通过熔体喷丝后经过牵伸工艺，熔体长丝随即搭接在一起，然后经过热轧作用加固而成。纤维之间黏结的部分比热风非织造材料多，所以3S纺粘非织造材料的断裂强力比热风非织造材料断裂强力高，试样6的断裂强力有所降低，可能是经过柔软处理导致的。

2.5 ES纤维卷曲对试样渗透和反渗性影响

图6 ES纤维卷曲程度对试样渗透时间和回渗量的影响

ES纤维卷曲程度对试样渗透时间和回渗量的影响见图6。可以看出，随着纤维卷曲度的降低，试样1、2、3、4的渗透时间逐渐减少，回渗量没有变化。纤维的卷曲度降低，最终制得的热风非织造材料的厚度变小，液体穿过试样的通道变短，且纤维的卷曲度减小，纤维变得顺直，纤维网的孔径较大，液体穿透试样就越容易，使得试样1、2、3、4的渗透时间逐渐变小且回渗量没有变化。

试样5和试样6的渗透时间和回渗量都比试样1、2、3、4大。试样1、2、3、4为热风非织造材料，原料是具有卷曲的短纤维，纤维与纤维之间的毛细作用大，使得吸收液体的速度较快，且液体不容易反渗。3S纺粘非织造材料的结构较为紧密，且试样中存在轧点，在轧点部位是不通透的，所以液体渗透时间较长，且易反渗。

2.6 ES纤维卷曲对试样摩擦性能的影响

ES纤维卷曲程度对试样摩擦因数的影响见图7。

图7 ES纤维卷曲程度对试样摩擦因数的影响

从图7可以看出，4种热风非织造材料和2种3S纺粘非织造材料的横向平均摩擦因数都大于纵向平均摩擦因数。试样的纵向是沿着机器输出方向，横向是垂直于机器的输出方向，且大多数的纤维是沿着机器的输出方向排列的。传感器在测试纵向摩擦因数时是顺着纤维排列方向移动的，在测试横向摩擦因数时是垂直于纤维排列方向移动的，因此6种材料都是横向平均摩擦因数大于纵向平均摩擦因数。

从图7还可以看出，随着纤维卷曲度的降低，试样1～4的纵、横向摩擦因数都减小。只是因为降低纤维的卷曲度，得到的纤维卷曲数也变小，纤维更加顺直，因此纤维在成网的过程中相互搭接的地方变少，纤维网中熔融点减少，在测试过程中，传感器受到的阻力减小，表现为试样摩擦因数减小。试样6的摩擦因数最小，试样4与试样6相比横向平均摩擦因数相差0.9%，纵向平均摩擦因数相差3.3%。摩擦因数可以决定热风非织造材料的滑爽性，摩擦因数小，说明织物的手感比较爽滑，反之摩擦因数大，表现为织物触感粗糙。由实验结果可知，通过物理方法降低纤维原料的卷曲度，可以达到类似于经化学柔软处理的3S纺粘非织造材料的滑爽性。

3 结 论

①ES纤维卷曲度降低，对热风非织造材料的机械、透气、透湿性能基本没有影响。ES纤维的卷曲度为12.08%时，纤维的卷曲数为10.5 个/(25 mm)，制得的热风非织造材料的纵向断裂强力达到了34.6 N，横向断裂强力为5.5 N。透气率为3 686 L/(m2·s)，透湿率为192.916 g/(m2·h)。

②ES纤维的卷曲度从19.08%降低到12.08%，最终制得的热风非织造材料试样回渗量基本不变为0.04 g，渗透时间减少了47.4%，热风非织造材料的渗透性能优于3S纺粘非织造材料。

③ES纤维的卷曲度从19.08%降低到12.08%，最终制得的热风非织造材料试样的纵向平均摩擦因数减小了22.4%，横向的平均摩擦因数减小了22.2%。当ES纤维的卷曲度为12.08%时制得的热风非织造材料的纵横向摩擦因数略小于经过柔软处理的3S纺粘非织造材料，纵向摩擦因数相差3.3%，横向摩擦因数相差0.9%。

综上所述：降低ES纤维的卷曲度，可以降低热风非织造材料的摩擦性能，并使其与经柔软处理的3S纺粘非织造材料接近；还可以减少材料的液体渗透时间等，并且其他性能符合一次性卫生用品标准，对拓展一次性卫生用品市场，丰富卫生用品种类有重要的意义。