热塑性聚氨酯非织造材料成型工艺与应用

倪郑晓，徐玉康，陈 廷

（苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021）

中国是全球最大的非织造布生产与消费国，近年来，非织造布产业规模逐年稳步增长。2020年，纺熔非织造产品产能达592.4万t，其中，纺黏非织造布占据50.0%。2020年全行业实际产量较2016年增长89.0%，年均增长7.7%[1]。

弹性非织造材料主要由热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane，TPU）非织造材料与其他材料采用热轧技术复合而成。其中，TPU非织造材料主要通过纺黏非织造技术制备获得，部分通过熔喷非织造技术加工制成。优异的回弹性能使聚氨酯弹性非织造材料广泛应用于一次性卫生护理用品、医用绷带、医用敷料等领域。

TPU种类较多，原料特性差异较大，致使聚氨酯非织造材料制备工艺难度增加、产品性能均匀性降低。基于聚氨酯非织造材料存在的缺陷，本研究综述了聚氨酯非织造材料成型工艺特点、聚氨酯原料性能要求以及聚氨酯非织造材料在不同领域的应用。

1 弹性纺黏/熔喷非织造材料

1.1 纺黏/熔喷非织造材料成型工艺原理

纺黏非织造技术是基于熔体纺丝原理，使高聚物熔体从喷丝板挤出、经高速气流牵伸形成连续长丝，长丝在网帘上相互粘合，经热轧处理形成结构紧密、力学性能优异的纺黏非织造材料。

在熔喷非织造材料成型工艺中，高聚物熔体经计量泵调控、定量流经喷丝孔形成熔体细流，在两侧经高速高温热空气的喷吹形成纤维，纤维在网帘上相互粘合，形成连续状熔喷非织造材料。

1.2 纺黏/熔喷非织造技术原料特性

纺黏/熔喷非织造材料都是熔体直接纺丝成网的一步法工艺，可纺性是评估高聚物能否成纤的关键指标。聚合物原料可纺性影响因素主要包括分子链分布特征、相对分子质量和分布以及熔融指数。

1.2.1 分子链分布特征

高聚物原料分子链排列规整度高有利于材料成型工艺中的温度调控，分子链排列越规整、有序排列区域尺寸均匀性越好，在成纤工艺中温度的可控性越好，更有利于提高纤维的结构和尺寸均匀性，进而提高纺黏/熔喷非织造材料性能的稳定性。

1.2.2 相对分子质量和分布

相对分子质量和分布显著影响高聚物成纤性能。在一定范围内，随着分子质量的增加，纤维强度逐渐增大、高聚物形变量增加，进而改善了纤维的弹性与抗疲劳性能，而降低或提高分子质量均无法实现连续成纤。纺黏成纤技术要求聚合物原料平均分子质量适中且分子质量分布较窄；熔喷成纤技术要求高聚物原料具有较低的分子质量，且分子质量分布较窄。

1.2.3 熔融指数

熔体流动性能一般采用熔融指数（Melt Flow Index，MFI）来表征，其单位为g/10 min，MFI值越大，熔体的流动性越好。纺黏非织造材料成纤用原料的熔融指数通常为20～300 g/10 min，熔喷非织造材料成纤用高聚物原料的熔融指数要求高于400 g/10 min。

1.3 弹性非织造材料

纺黏/熔喷非织造材料以其成型工艺流程短、生产速度快、材料结构性能优异等特点在过滤、防护、卫生用品等领域应用广泛[2]。然而，纺黏/熔喷非织造材料内纤维间黏合点结构紧密且固结度高，使该材料弹性性能较差，限制其应用。弹性非织造材料的评价方法为材料在外载荷作用下，伸长率需高于60.0%，去除载荷后材料恢复初始长度的占比要高于55.0%。为改善纺黏/熔喷非织造材料的弹性性能，研究人员已展开多项研究，采用具有弹性的高聚物颗粒为原料制备纺黏/熔喷非织造材料成为行业研究热点。目前，采用的原料主要有聚氨酯弹性体、聚酯类弹性体、聚醚酯类弹性体，其中，聚氨酯弹性体最佳[3-7]。

2 TPU非织造材料成型技术发展

2.1 TPU的结构特征

TPU的结构为(AB)n嵌段线型聚合物，由二异氰酸酯、聚醚（或聚酯）等低聚物二元醇与小分子扩链剂聚合而成。TPU主要有两种：（1）由低聚物二元醇柔性长链构成的软链段，以提高延伸性、柔韧性等性能；（2）二异氰酸酯及扩链剂构成的硬链段，以调控TPU刚性、硬度等性能，可通过调控软硬链段含量来制备结构不同的TPU材料。

根据合成所用的不同低聚物二元醇，TPU可分为聚醚型和聚酯型。聚醚型TPU中醚键的内聚能低、旋转位垒小，TPU分子链具有较优异的柔顺性和流动性[8]。聚醚型TPU耐水解性好、回弹性及抗冲击性能优异，而聚酯型TPU具有较优异的耐热性能、可拉伸性及耐磨性能。

2.2 TPU非织造材料制备技术

较高的熔体黏度和熔体弹性使TPU纺黏/熔喷非织造材料制备工艺难度增加，限制了该材料的产业化发展[9]。为制备结构连续且性能均匀的纺黏/熔喷非织造材料，企业和科研人员已开展较多技术研究。

Sun等[10]先将TPU与其他聚合物颗粒共混，再经熔喷技术加工制备弹性熔喷非织造材料，该制备技术的工艺连续性较差。彭孟娜等[11]制备了聚丙烯PP/TPU海岛型复合纤维结构的熔喷非织造材料，其中，TPU为“岛”，该纤维平均直径为4.53 μm且拉伸强度高。Md Obaidur等[12]首先将TPU与聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）混合，其次将混合颗粒通过二次造粒制备出具有两种成分的颗粒，最后采用熔喷技术制备混合均匀度高的TPU/PLA熔喷非织造材料。然而，采用混合颗粒方法制成的熔喷非织造材料的回弹性能较差。

2.2.1 国外TPU非织造材料制备技术

Lee等[13]采用两种TPU原料（TPU245和TPU280）制备获得纤维平均直径约6.00 μm的熔喷弹性非织造材料。测试显示，TPU280熔喷非织造材料的回弹性能几乎是TPU245熔喷非织造材料的两倍。3M公司分别采用聚氨酯弹性体、聚酯类弹性体、聚酰胺类弹性体、A-B-A型嵌段共聚物（B为弹性段）等颗粒为原料制备获得熔喷非织造材料。研究表明，聚氨酯弹性熔喷非织造材料力学性能最佳[14]。日本Kanebo公司采用聚氨酯切片为原料制备获得的商品名为Espansione厚重型弹性非织造布，其纤维直径为0.02～0.04 mm，最大拉伸率为350.0%～700.0%[15]。Wadsworth等[16]利用热塑性聚氨酯切片制成熔喷弹性非织造布，纤维平均直径为5.20 μm，断裂伸长率最高可达444.0%。

2.2.2 国内TPU非织造材料制备技术

王新元[17]采用两种纤维级聚氨酯切片（G83是聚醚型，B87是聚酯型）为原料制备了两种TPU熔喷非织造材料，研究表明，材料的最大断裂伸长率均高于500.0%。韩亚元等[18]制备了5种不同TPU熔喷非织造材料，力学数据显示，TPU熔喷非织造材料的纵向强度和回弹性均优于横向。闫新等[19]采用德国巴斯夫的TPU颗粒为原料制备了熔喷非织造材料，纤维平均直径为18.00 μm，力学性能、回弹性能优异。

综上所述，国外已开发力学性能优异且力学回弹性较好的TPU熔喷非织造材料，国内虽开展了较多TPU非织造材料成型技术的探索，但尚未研发出一种能规模化连续生产的TPU非织造材料制备技术。

3 应用领域

由于具有优异的结构特性和力学回弹性能，TPU非织造材料可以应用于一次性卫生产品、医疗防护用品、服装衬里等。

3.1 卫生护理用品

一次性吸收性卫生用品也称用即弃产品，包括女性卫生用品、婴儿纸尿裤或婴儿尿片和成人失禁用品等，其纵向抗张强度不低于400 N/m，纵向伸长率不低于20.0%。TPU非织造材料主要用于卫生护理用品的腰围以及产品与身体接触部位，符合产品使用性能要求。

3.2 医疗防护用品

医疗防护用品主要包括医用防护服、口罩、医用敷料等一次性医用耗材。

3.2.1 医用防护服

医用防护服既要能保护医护人员免受有毒有害的液体、气体或具有传染性病毒和微生物的侵袭，又要能排汗且保证穿着舒适，同时还需具备一定的抗菌性、防致敏性、阻燃性。目前，TPU非织造材料主要用于防护服的领口、袖口以及腿口等需伸缩且回弹性较好的部位，这些部位材料的断裂强力应不小于45 N，断裂伸长率应不小于15.0%。

3.2.2 医用口罩

按性能特点及适用范围进行分类，医用口罩可分为医用防护口罩、医用外科口罩和一次性使用医用口罩，均能较好地阻隔外部的胶粒状细菌或颗粒[20]。TPU非织造材料因具有优异的回弹性能，可用于口罩的耳带以及鼻梁等部位。

3.2.3 医用敷料

医用敷料是用于覆盖疮、伤口或其他遭损害部位的医用材料，为受创体表提供适合的愈合环境，主要包括纱布、绷带、胶带等材料，这类产品对技术要求较高。敷料要能杜绝细菌繁殖，同时具有透气、透湿、隔水和防菌等性能[21]。TPU非织造材料主要作为高透气、高回弹性能材料用于医疗敷料表面层以及支撑层，能满足使用要求。

3.3 服装衬里

黏合衬可以增强服装的轮廓感，借助自身的硬挺和弹性，可使服装平挺或达到预期的造型。TPU非织造材料可作为服装黏合衬的内部叠合复合材料，纵横向断裂强力均能满足不同部位服装衬里的要求。

4 结语

TPU非织造技术的开发能促进弹性非织造材料快速发展。TPU非织造材料具有弹性高、弹性回复性能好等特点，成为护理用品材料、医用材料、服装辅助材料等具有高附加值的材料。在弹性非织造材料领域，美国和日本等发达国家较早地投入了大量的基础研究，技术水平处于世界领先地位。我国医疗、卫生、服装等领域对弹性非织造材料的需求较大，通过技术创新、品质提升，国产TPU非织造材料获得了较好的市场前景。