含水率对纤维素纤维基水刺交铺非织造材料手感性能的影响*

张寅江 吴晶瑾 占海华 邹专勇 洪剑寒 孟 旭

1.绍兴文理学院纺织服装学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江省清洁染整技术研究重点实验室，浙江 绍兴 312000；3.浙江天圣控股集团有限公司，浙江 绍兴312000

纤维素纤维基水刺非织造材料因纤维间的缠绕、抱合而固结，其干湿强度高、手感柔软、吸水保水性好，且不含化学黏合剂，是良好的擦拭卫生护理用材料[1]。在卫生护理过程中，擦拭材料会与人体皮肤摩擦接触，这便涉及到擦拭材料的手感品质，即各种触感如柔软、平滑、硬挺等的综合反映[2]。然而，通过手的触摸来评价擦拭材料的手感品质，只能对擦拭材料本身进行简单的定性评价，感触灵敏性较低，无法对擦拭材料之间进行精确地区分[3]。

手感柔软度分析仪(tissue softness analyzer，TSA)通过模拟人手触感获取被测材料的手感性能参数值，是当前有效测定和评价擦拭卫生护理用薄型材料手感性能的一种设备[4]。其测试机制是依据所测定的手感性能参数如手感柔软度(其值用kTS7表示)、平滑度(其值用kTS750表示)和硬挺度(其值用kD表示)等，客观地评价被测材料的综合手感 (其值用kHF表示)[5]。在以往的有关纸基擦拭卫生护理用材料的手感研究中，手感柔软度分析仪有广泛的应用，且随着系统算法的升级，手感柔软度分析仪也正逐渐被应用到擦拭卫生护理用水刺非织造材料的研究中[6]161-162，[7]。

在卫生护理过程中，擦拭材料往往需要在湿态时使用。擦拭材料的含水率既影响擦拭材料的手感性能，又影响擦拭材料在市场上的销售价格[8]。纤维素纤维本身具有良好的吸水性能，同时纤维素纤维基水刺非织造材料的结构又具有良好的保水性能。因此，研究不同含水率的纤维素纤维基水刺非织造材料的手感性能具有重要的意义。

本研究设计并制备了6种面密度相同的常用纤维素纤维基水刺交铺非织造材料试样，通过对6种试样进行表观形貌的观察，测定并比较不同含水率的6种试样的手感性能参数，找寻一定的规律，以期为开发具有较好手感的擦拭卫生护理用材料产品奠定基础。

1 试验部分

1.1 试样制备

1.1.1 原材料

棉纤维线密度为2.00 dtex，平均长度为30 mm；黏胶纤维线密度为1.67 dtex，涤纶纤维线密度为1.56 dtex，两者长度均为38 mm；天丝纤维线密度为1.40 dtex，长度为40 mm。4种纤维均由浙江宝仁和中科技有限公司提供。

棉纤维脱脂用试剂：氢氧化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；过氧化氢，国药集团化学试剂有限公司；低温精炼剂Goon1011与氧漂稳定剂，嘉宏科技有限公司。

1.1.2 试样的制备

本文将设计并制备6种面密度均为(40±2) g/m2的常用纤维素纤维基水刺交铺非织造材料试样[9]。其中：试样A为全棉水刺交铺后漂非织造材料，试样B为全棉水刺交铺前漂非织造材料，试样C为黏胶水刺交铺非织造材料，试样D为黏胶/涤纶(质量比50∶50)水刺交铺非织造材料，试样E为天丝平纹水刺交铺非织造材料，试样F为天丝网孔水刺交铺非织造材料。

制备流程：将纤维包在开包机上开包(制备试样B时，还需对开包后的棉纤维先进行脱脂漂白、中和清洗、烘干)；按试样的制备要求对一种或两种纤维进行混合，并在BG038-100型开松机上进行开松，接着转入BG058-120型混棉箱进行混合，最后输入到BG179-70型气压混棉箱做进一步开松混合；在BG218A-100型梳理机上进行有效梳理，形成纤网；在BG258-60型交叉铺网机上铺网，并进行杂乱牵伸和叠合；进入Aquajet Y500-2型水刺加固系统进行水刺加固(制备试样A时，水刺加固后还需对纤网进行脱脂漂白、中和清洗)；在ZK100B型真空干燥烘箱中进行烘干，然后卷绕、分切、打包。

1.2 性能测试

1.2.1 表观形貌

利用TM3000型扫描电子显微镜(日立公司生产)对6种试样进行表观形貌的观察。

1.2.2 手感性能

在测定不同含水率的6种试样的手感性能前，各剪取10 cm×10 cm的试样放入玻璃皿中，用装有去离子水的自制喷射装置对试样均匀地喷射去离子水，进行预湿处理(图1)。

图1 试样的预湿处理

根据试样含水率(W)的计算式，制备含水率分别为0、100%、200%、300%、400%和500%的纤维素纤维基水刺交铺非织造材料试样。

式中：m1——试样干态质量，g；

m2——试样湿态质量，g。

试验使用的手感柔软度分析仪(Emtec公司生产)如图2所示。测定试样手感性能参数时，先将试样固定在测试槽上，旋翼刀头压于试样表面，给予试样100 mN的压力；接着旋翼刀头以2 r/s的速度开始旋转，旋转产生的水平与垂直振动频率被传感器监测到，并转化为试样的手感柔软度和平滑度；然后，给予试样600 mN的压力，测定试样的硬挺度[6]162-163；最后，主机基于传送来的手感柔软度、平滑度和硬挺度，以及被测试样的基本参数(如面密度、厚度等)，通过系统预设计算式(选择擦拭卫生护理用材料常用评价算法TPⅡ)，计算得到试样的综合手感。每种试样重复测5次，各项结果取均值。

图2 手感柔软度分析仪

2 表观形貌

图3是6种试样干态时的电镜照片。从图3明显可见，经高速水针射流作用后，各试样中的纤维因相互缠绕、抱合而固结。

试样A与试样B同为全棉水刺交铺非织造材料，其中的棉纤维经水刺与漂洗后均出现了缠绕和扭曲，只是试样A的水刺条纹及纤维间的缠绕抱合不及试样B明显。这主要是因为试样A是先水刺后漂洗的，漂洗过程中棉纤维的溶胀削弱了高速水针射流造成的水刺条纹效果[10]。

试样C和试样D中均含有黏胶纤维。试样C中黏胶纤维间的缠绕抱合明显，但材料厚薄不匀。这主要是因为黏胶纤维弹性模量较小，湿态时弯曲刚度较低，故高速水针射流易引起黏胶纤维间的缠绕抱合，且少量黏胶纤维被冲散，导致材料出现局部厚薄不匀的现象[11]。试样D中涤纶与黏胶纤维间也发生了缠绕抱合，但水刺条纹痕迹不明显，这主要归因于涤纶具有较高的弹性模量与弯曲刚度，其在高速水针射流的作用下不易形变与被冲散[12]126-127。

试样E与试样F同为天丝水刺交铺非织造材料。两种试样纤维间的缠绕抱合均不强，这主要是天丝纤维在湿态下弯曲刚度依然较大，纤维间不易

a) 试样A b) 试样B c) 试样C

形成缠绕抱合所致[13]38-40。同时，试样F具有明显的网孔结构，而试样E中纤维纵向排列明显，且具有显著的水刺条纹痕迹，这是两者输网帘的结构不同所致。

3 手感性能

3.1 手感柔软度

图4反映了不同含水率的6种试样的手感柔软度。kTS7越小，则试样越柔软。

图4 不同含水率的6种试样的手感柔软度

由图4可以观察到下述试验结果。

(1) 含水率在0～500%时，除试样F的kTS7随着含水率的增加先下降后上升外，其他试样均随含水率的增加，kTS7先下降后上升再略微下降。

(2) 6种试样干态(即含水率为0)时的kTS7分布在4.0～8.0。其中，试样C的kTS7最小；试样D与试样F的kTS7接近且相对较大；试样A、试样B和试样E的kTS7接近且相对居中。分析其原因，试样C由纯黏胶纤维构成，黏胶纤维弹性模量较小，弯曲刚度较低，故试样C的kTS7相对最小，最为柔软；试样D中含有50%(质量分数)的涤纶，试样F由天丝纤维构成且具有网孔结构，而试样E无网孔结构，故试样D和试样F的kTS7相对较大，试样E的kTS7小于试样F[12]127；棉纤维结晶度较黏胶纤维大，故试样A、试样B的kTS7相对居中。此外，先漂洗再水刺的工序会令棉纤维中的棉脂等杂质更易去除，故试样A的kTS7较试样B小。

(3) 当含水率为100%或200%时，6种试样的kTS7分布在3.7～6.0，kTS7整体相对较小，这与试样含水率较低时，纤维吸水溶胀，弯曲刚度下降有关[13]37-38；继续增加试样含水率，则纤维继续溶胀，致使缠绕抱合的水刺交铺非织造材料结构更加紧密，试样的kTS7整体增加；继续增加试样含水率，水分会降低旋翼刀头的摩擦阻力，试样的kTS7整体又呈下降的趋势[14]。

3.2 平滑度

图5反映了不同含水率的6种试样的平滑度。kTS750越小，则试样越平滑。

图5 不同含水率的6种试样的平滑度

由图5可以观察到下述试验结果。

(1) 6种试样干态(即含水率为0)时的kTS750在11～22，其中试样F的kTS750最小，试样E的kTS750最大，试样A、试样B、试样C和试样D的kTS750居中。试样E和试样F尽管同为天丝水刺交铺非织造材料，但试样E表面有明显的水刺条纹，导致两种试样与旋翼刀头接触时摩擦因数不同，两者的kTS750差异较大。

(2) 当含水率在100%时，6种试样的kTS750在6～17，与干态时相比均略有降低。原因在于，试样含水较少时，纤维素纤维吸水溶胀，削弱了试样表面水刺条纹的影响，加之水分也降低了旋翼刀头的摩擦阻力，故试样变得略微平滑。

(3) 当含水率在200%时，除试样F的kTS750继续下降外，其他5种试样的kTS750较含水率为100%时均略有上升；继续增加含水率，试样F的kTS750继续下降但降幅减小，其他5种试样的kTS750均上升明显。原因在于，随着含水率的上升，试样F的网孔区域为天丝纤维的吸水溶胀提供了空间，加之表面无水刺条纹，故试样F变得更为平滑[15]；其他5种试样因纤维进一步吸水溶胀，水刺条纹变得更加明显，试样表面凹凸程度增加，故变得更加粗糙。

3.3 硬挺度

图6反映了不同含水率的6种试样的硬挺度。kD越小，则试样越硬挺。

图6 不同含水率的6种试样的硬挺度

由图6可以看出观察到下述试验结果。

(1) 6种试样干态(即含水率为0)时的kD在1.7～2.3 mm/N。其中，试样A和试样B的kD相对较大，不够硬挺，这与干态棉纤维纵向近似呈扁平带状，截面惯性矩小，弯曲刚度低，同时试样经过脱脂漂白、中和清洗后，纤维弹性模量下降有关；试样C和试样D因含有黏胶纤维而kD相对较小，试样较硬挺。

(2) 当含水率在100%～500%时，6种试样的kD与干态时相比均有明显的上升，试样变得不硬挺，且不同含水率的试样各自的kD变化较小，都集中在2.2～2.8 mm/N。原因主要与试样吸水及保水后，棉、黏胶、天丝等纤维溶胀导致纤维间摩擦因数降低，试样较干态易形变有关。其中，试样A和试样B虽同为全棉水刺交铺非织造材料，但由于试样A干态的水刺条纹较弱而试样B干态的水刺条纹明显，故棉纤维吸水溶胀后，试样A的整体均匀性好于试样B，故含水后试样A的kD上升幅度比试样B小；试样C和试样D的kD都较大，这与两者都含有的黏胶纤维吸水性能好、弯曲刚度较低有关。

3.4 综合手感

图7反映了不同含水率的6种试样的综合手感。kHF越大，则试样的综合手感越好。

图7 不同含水率的6种试样的综合手感

由图7可以观察到下述试验结果。

(1) 6种试样干态(即含水率为0)时kHF在85～100。其中，试样C的kHF最大，试样A和试样B次之，试样E、试样F及试样D较小。

(2) 当含水率在100%或200%时，6种试样的kHF为94～106，相较于干态时都有所上升，综合手感整体变好。其中，试样C和试样D因含有黏胶纤维而综合手感相对更好，全棉制成的试样A和试样B次之，天丝纤维制成的试样E和试样F相对较差。随着含水率的继续增加，6种试样的kHF又略有下降。

4 结论

对利用棉纤维、黏胶纤维、涤纶和天丝纤维制备的6种常用纤维素纤维基水刺交铺非织造材料进行表观形貌的观察和不同含水率时手感性能参数的测定，得出以下结论。

(1) 纤维素纤维基水刺交铺非织造材料的原材料组成、表观形貌、材料的均匀性等对其手感性能均有不同程度的影响。

(2) 含水率在0～500%时，除了天丝网孔水刺交铺非织造材料(试样F)的kTS7随着含水率的增加先下降后上升外，其他5种试样的kTS7均先下降后上升再略下降。其中，6种试样干态时的kTS7在4.0～8.0，黏胶水刺交铺非织造材料(试样C)最为柔软；含水率为100%或200%时，6种试样的kTS7在3.7～6.0，kTS7整体相对较小。

(3) 6种试样干态时的kTS750在11～22，其中天丝网孔水刺交铺非织造材料(试样F)最平滑；含水率为100%时，6种试样的kTS750比干态时略低，在6～17；继续增加含水率，除天丝网孔水刺交铺非织造材料(试样F)的kTS750逐步下降外，其他试样均逐渐增大。

(4) 6种试样干态时的kD在1.7～2.3 mm/N，其中全棉水刺交铺非织造材料(试样A和试样B)相对不硬挺；含水后，6种试样的kD比干态时均有明显上升，且不同含水率的试样各自的kD变化很小，集中在2.2～2.8 mm/N。

(5) 6种试样干态时的kHF在85～100；当含水率在100%或200%时，6种试样的综合手感整体变好，kHF分布在94～106，其中黏胶水刺交铺非织造材料(试样C)的kHF最大；继续增加含水率，6种试样的kHF均略有下降。