水刺工艺对医用复合非织造材料防水透湿性的影响

韩秀丽,王春红,高涵超,荆妙蕾,赵 润,高 欢,王玉萍

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院,天津 300387;2.江苏新视界先进功能纤维创新中心有限公司,江苏 苏州 215228)

近年来,多次发生区域疫情,严重影响公众身心健康,而疫情防控的关键在于避免感染。医用防护服能够有效阻挡液体渗透,避免交叉感染,是传染性突发事件中应急防治的重要医疗资源[1-2]。目前市面上的防护服大都采用纺粘、熔喷、水刺及闪蒸技术制备的聚丙烯(PP)或者聚乙烯(PE)复合非织造材料制成[3]。复合非织造材料一般通过覆膜、增加阻隔层、后整理等工艺形成,但现有材料制备的防护服废弃后依靠焚烧处理污染环境,并且为了提高防护服防护性能,牺牲了其透气透湿性[4],医护人员在长时间、高强度的工作条件下穿着,影响个人健康以及工作效率。

水刺非织造材料具有强度高、吸湿透气性好、手感柔软等优点[5],广泛应用于医疗、卫生及擦拭材料等领域[6]。聚乳酸(PLA)纤维具有优异的可生物降解性、生物相容性、抑菌性[7-8]。粘胶纤维作为纤维素纤维具有较高的吸湿性,制备的材料柔软舒适,是水刺非织造材料的优异原料[9],但由于粘胶较低的防护性能,在医疗领域应用中,需要进行后处理或增加防护层[10-11]。熔喷非织造材料(M)具有孔径小、孔隙率高等特点,具有良好的液体和颗粒物阻隔性以及抗渗水性能,在医疗卫生、过滤分离等领域具有广阔的应用前景,但其强度和耐磨性差,需要与其它材料结合应用于医用防护方面[12-13]。纺粘非织造材料(S)经过纺丝和固网会使得其强度增强,可制备具有强度高、透气性好等功能的医用防护材料。将PLA/粘胶水刺非织造材料与PLA熔喷、纺粘材料3层结合,可制备兼具防水和透气透湿性能的医用防护材料。

医用防护材料不仅需要具有良好的透气透湿性,还需具有一定的抗渗水性和阻隔性。目前市场上的医用防护服有纺粘/熔喷/纺粘(SMS)复合非织造材料、覆膜复合非织造材料以及闪蒸法非织造材料,经过测试和相关文献调研发现医用防护服的透湿量大多集中在1 000～3 000 g/(m2·d)[14]。张芸等[15]制备了一种基于水刺非织造布的防护服材料,包括外防护层聚四氟乙烯薄膜、黏合剂层以及经过三拒一抗(拒水、拒血液、拒酒精以及抗静电)整理的水刺非织造布层,其透湿量在3 000 g/(m2·d)左右。Zhang等[16]通过点黏和的方法制备了手术服用醋酸/聚乳酸非织造材料,具有良好的透气透湿性,但阻隔性差。以上材料虽然具有良好的透气透湿性,但还需进一步整理增加阻隔性,才能满足防护材料的要求。

为了解决防护服的透气透湿性以及可降解性,本文采用PLA纤维和粘胶纤维为原料,采用水刺工艺制备水刺非织造材料,通过喷雾胶将水刺非织造材料、PLA熔喷材料、PLA纺粘材料紧密黏合,以水刺非织造材料作为内层提供柔软、舒适性,熔喷材料作为芯层提供阻隔性能,纺粘材料作为外层提供良好的强力和耐磨性,制备SM水刺复合非织造材料。结合单因素和响应曲面法对水刺非织造材料工艺进行优化,探讨水刺面密度、混合比例以及水刺压力对SM水刺复合非织造材料的性能影响,获得水刺非织造材料的最佳工艺条件,并验证优化工艺后的复合非织造材料的性能,并开发兼具透气透湿和阻隔性能的医用防护材料,为可降解纤维应用在医用防护材料提供数据支撑。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

材料:聚乳酸纤维(1.5 dtex×38 mm,泉州斯马丁进出口贸易有限公司);粘胶纤维(1.5 dtex×38 mm,山东银鹰化纤有限公司);PLA熔喷非织造材料(面密度25 g/m2,泉州斯马丁进出口贸易有限公司);PLA纺粘非织造材料(面密度20 g/m2,泉州斯马丁进出口贸易有限公司);喷雾胶(3 M中国有限公司)。

仪器:XFH型小型和毛机(青岛市胶南针织机械厂);罗拉式梳理机(天津工业大学自制);SF-W1571水刺机(郑州纺织机械股份有限公司);压辊(课题组自制);台式扫描电镜(SEM):Phenom XL(Phenom-World公司);LFY-216C透湿量测定仪(山东省纺织科学研究院);YG812F渗水性测定仪(温州方圆仪器有限公司)。

1.2 PLA/粘胶水刺非织造材料的制备

使用小型和毛机分别将聚乳酸纤维和粘胶纤维开松,将开松后的纤维按照聚乳酸纤维与粘胶纤维质量比5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1,即聚乳酸纤维混比为50%、60%、70%、80%、90%分别送入梳理机进行梳理成网,水刺铺网顺序为粘胶纤网在下层,PLA纤网在上层,最后通过水刺机加固而成。

1.3 SM水刺复合非织造材料的制备

从里层到外层由水刺、纺粘、熔喷非织造材料的结构顺序进行复合,在每一层之间使用喷雾胶黏合,使用量为0.55 g/m2,然后使用自制的压辊黏合紧密,压辊压力为100 N。

1.4 测试与表征

1.4.1 表面形貌观察

采用Phenom XL型台式扫描电镜对材料表面微观形貌进行观察。

1.4.2 透湿量测试

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》测试复合非织造材料的透湿量,试样直径70 mm,测试3块试样,取平均值。按照式(1)计算透湿率:

式中:WVT为透湿率,g/(m2·d);m1为试验质量,g;m0为初始质量,g;A为有效试验面积,m2;t为试验时间,h。

1.4.3 耐静水压测试

按照GB/T 4744—1997《纺织织物 抗渗水性测定 静水压试验》测试复合非织造材料的耐静水压,水压上升速率6.0 kPa/min,记录试样上第3处水珠刚出现的水压,测试3块试样,取平均值。

1.5 水刺非织造材料单因素试验设计

以水刺面密度、PLA混比和水刺压力为3个因素,分别考察其对SM水刺复合非织造材料透湿和耐静水压的影响。水刺非织造材料单因素试验表如表1所示。

表1 单因素试验表Tab.1 Single factor test table

1.6 响应曲面法优化设计

基于单因素试验基础,根据Box-Behnken响应曲面的设计原理,设置3因素3水平的分析方法进行试验,以SM水刺复合非织造材料的耐静水压(Y)为响应值,以水刺面密度A、聚乳酸混比B、水刺压力C为考察因素,分别以自变量A、B和C表示,对各因素的试验水平分别以-1、0、1进行编码(见表2)。

表2 SM水刺复合非织造材料的响应曲面因素与水平的设计Tab.2 Response surface analysis factors and levels of SM spunlaced composite nonwoven materials

2 结果与讨论

2.1 SM水刺复合非织造材料表面形貌分析

非织造材料的SEM图如图1所示。由图1(a)可以明显看出,水刺非织造材料中的纤维分布杂乱无章,纤维之间互相交叉缠结;从图1(b)中看出熔喷非织造材料纤维比较细,纤维之间的空隙比较小;而图1(c)中纺粘非织造材料中纤维之间连接紧密;图1(d)可以看出SM水刺复合非织造材料中水刺材料比较蓬松,纤维间空隙较大,作为内层可以提供良好的舒适性。

图1 非织造材料的SEM照片Fig.1 SEM images of nonwoven materials; (a) Spunlaced nonwovens ; (b) Melt-blown nonwovens; (c) Spunbond nonwovens; (d) SM spunlaced composite nonwovens cross section

2.2 水刺工艺对SM水刺复合非织造材料性能的影响

2.2.1 水刺面密度对材料防水透湿性能的影响

水刺面密度对SM水刺复合非织造材料耐静水压和透湿量的影响如图2所示。随着水刺面密度的增加,SM水刺复合非织造材料的耐静水压和透湿量均呈先增加后减小的趋势,但是在水刺面密度高于50 g/m2时,透湿量又呈现增加的趋势。这是由于在同一水刺压力下,面密度过小时,水刺非织造材料容易被刺烂,孔径比较大,对水珠几乎没有阻力;当面密度过大,水刺压力不能使得纤维完全缠结,制备的非织造材料强力低,导致耐静水压降低,透湿性增加,但整体透湿量高于医用防护要求的2 500 g/(m2·d)。为了保证SM水刺复合非织造材料具有良好的抗渗水性,最优工条件水刺面密度为50 g/m2。

图2 水刺面密度对SM水刺复合非织造材料防水透湿性能的影响Fig.2 Effect of spunlaced surface density on water proof and moisture permeability of SM spunlaced composite nonwoven materials

2.2.2 PLA混比对材料防水透湿性能的影响

PLA混比对SM水刺复合非织造材料耐静水压和透湿量的影响如图3所示。随着水刺非织造材料中PLA纤维含量减小,复合非织造材料的耐静水压先增加后减小,而透湿量先降低后增加。在PLA混比为70%时,复合非织造材料的耐静水压较好,为2.53 kPa,而透湿性最差,为5 554 g/(m2·d);在PLA混比为50%时,耐静水压最差为0.88 kPa。这是由于粘胶纤维密度高于PLA纤维,在同一面密度的情况下,水刺非织造材料中PLA纤维含量减少,则制备的材料比较薄,抗渗水性能差;当水刺非织造材料中PLA纤维含量增加,则材料单位面积内纤维数量增加,水刺固结作用增强,强力提升。当PLA纤维含量过大,则制备的水刺材料不完全固结,呈现蓬松的状态,纤维间的空隙比较大,水分易穿透,透湿性增加。选择合适的原料配比能够改善SM水刺复合非织造材料的抗渗水性能,本文最优PLA混比为70%。

图3 PLA混比对SM水刺复合非织造材料防水透湿性能的影响Fig.3 Effect of PLA/viscose ratio on the water proof and moisture permeability of SM spunlaced composite nonwoven materials

2.2.3 水刺压力对材料防水透湿性能的影响

水刺压力对SM水刺复合非织造材料的耐静水压和透湿量的影响如图4所示。在水刺面密度和PLA混比一定的情况下,随着水刺压力的增加,SM水刺复合非织造材料的耐静水压先增加后减小,透湿量先减小后增加。在水刺压力为1 MPa时,SM水刺复合非织造材料的耐静水压较小,为1.04 kPa,而透湿量较大为6 407 g/(m2·d)。这是由于纤维之间的固结作用不强,制得样品强力比较低,孔隙度较高,导致在较小的水刺压力小,材料不能完全固结,阻隔性较差,透湿性较好。随着水刺压力增加,纤维之间的缠结作用增强,形成的水刺非织造材料强力增加,空隙减少,在水刺压力为2 MPa时,SM水刺复合非织造材料耐静水压最好;当水刺压力继续增加,水针作用的加强使得水刺非织造材料制作过程中易损坏,空隙增加,其抗渗水性能降低,透湿量增加。因此,本文水刺压力最优工艺条件为2 MPa。

图4 水刺压力对复合非织造材料防水透湿性能的影响Fig.4 Effect of spunlaced pressure on waterproof and moisture permeability of composite nonwovens

2.3 水刺工艺对材料防水透湿的影响结果

采用软件SPSS 22对复合非织造材料的性能影响因素进行单因素分析,检验各因素对复合非织造材料的耐静水压和透湿性的影响是否显著,若显著性P<0.05,则该因素对结果有影响。SM水刺复合非织造材料的静水压、透湿量的方差分析见表3、4。由表3可以看出,水刺压力P值为0.013、水刺面密度P值为0.005、PLA混比P值小于0.0001,对SM水刺复合非织造材料的耐静水压影响均显著。由表4可见只有水刺面密度对复合非织造材料透湿性的影响显著,P值为0.014,水刺压力和PLA混比对SM水刺复合非织造材料的影响不显著。因此,水刺工艺参数对透湿性的影响不大,对耐静水压影响比较大,以静水压作为响应曲面优化的响应值。

表3 SM水刺复合非织造材料静水压方差分析Tab.3 Hydrostatic pressure variance analysis of SM spunlaced composite nonwovens

表4 SM水刺复合非织造材料透湿量方差分析Tab.4 Analysis of variance for moisture permeability of SM spunlaced composite nonwoven materials

2.4 响应曲面法方案设计及优化结果

2.4.1 数学模型的建立及显著性检验

根据单因素试验结果,确定3因素的取值范围,即水刺面密度A为40～60 g/m2、PLA混比B为60%～80%、水刺压力C为1.5～2.5 MPa。运用软件Design-Expert 12设计3因素3水平的随机试验,响应曲面试验设计与结果见表5,对SM水刺复合非织造材料的耐静水压(Y)进行回归分析拟合,得到多项回归模型为:Y=2.68+0.148 8A+0.057 5B+0.056 3C-0.137 5AB-0.03AC+0.177 5B×C-0.266 0A2-0.123 5B2-0.201 0C2。

表5 SM水刺复合非织造材料的响应曲面设计及结果Tab.5 Response surface experimental design and results of SM spunlaced composite nonwoven materials

对回归模型进行差异显著性检验及方差分析,如表6所示。SM水刺复合非织造材料耐静水压和3个因素之间的线性关系复相关系数为0.973 4,说明回归方程拟合程度良好,建立的回归模型为显著(P<0.05)。对SM水刺复合非织造材料耐静水压拟合模型方差分析可知,A、B、C、AB、BC、A2、B2、C2为显著影响项(P<0.05);由F值可知,3因素对SM水刺复合非织造材料的耐静水压的影响顺序为A(水刺面密度)>B(聚乳酸混比)>C(水刺压力)。

表6 SM水刺复合非织造材料耐静水压线性回归表Tab.6 Linear regression table of hydrostatic pressure resistance of SM spunlaced composite nonwoven materials

2.4.2 响应图交互作用分析

图5～7是各因素对SM水刺复合非织造材料的耐静水压交互影响的响应曲面图和等高线图,其中响应曲面图越陡峭则表明所对应的因素对响应值影响越显著,等高线图中椭圆形表示2因素交互作用显著,圆形则表明2因素交互作用不显著。图5为水刺压力为2.0 MPa时聚乳酸混比和水刺面密度对SM水刺复合非织造材料耐静水压交互影响的响应曲面图及等高线图,在水刺面密度40～60 g/m2的条件下,SM水刺复合非织造材料的耐静水压随着PLA混比增加先增大后减小,耐静水压在PLA混比为70%左右时达到最大值;对应的等高线图明显呈现椭圆形,可见水刺面密度和PLA混比之间的交互作用对材料的耐静水压显著。图6为聚乳酸混比70%时,水刺面密度和水刺压力对SM水刺复合非织造材料耐静水压交互影响的响应曲面图及等高线图,材料的耐静水压随着水刺压力增加先增大后减小,且在水刺面密度为40～60 g/m2的条件下,耐静水压均先增大后减小,SM水刺复合非织造材料的耐静水压在水刺压力为2 MPa时达到最大值;对应的等高线图趋近于圆形,说明水刺面密度和水刺压力的交互作用对SM水刺复合非织造材料耐静水压影响不显著。图7为水刺面密度为50 g/m2时,PLA混比和水刺压力对SM水刺复合非织造材料耐静水压交互影响的响应曲面图及等高线图,SM水刺复合非织造材料的耐静水压随着水刺压力的增加先增大后减小,且PLA混比在60%～80%的条件下,耐静水压均先增大后减小;对应的等高线图线条分布较密且呈现明显的椭圆状,说明聚乳酸混比和水刺压力对材料的耐静水压影响显著。

图5 聚乳酸混比和水刺面密度对耐静水压的交互影响Fig.5 Interaction of PLA mixture ratio and spunlaced surface density on hydrostatic pressure.(a)Response suface;(b)Contour line map

图6 水刺压力和水刺面密度对耐静水压的交互影响Fig.6 Interaction of spunlaced pressure and spunlaced surface density on hydrostatic pressure.(a)Response suface;(b)Contour line map

图7 聚乳酸混比和水刺压力对耐静水压的交互影响Fig.7 Interaction of PLA mixture ratio and spunlaced pressure on hydrostatic pressure.(a)Response suface;(b)Contour line map

2.4.3 响应曲面优化结果验证

运用软件分析可知SM水刺复合非织造材料中的水刺非织造材料最佳工艺条件为面密度52 g/m2、聚乳酸混纺比73%、水刺压力2 MPa,预测SM水刺复合非织造材料的耐静水压为2.71 kPa,实际测试SM水刺复合非织造材料的耐静水压为2.65 kPa,与预测值之间的误差为2.21%,说明该回归模型能够很好的预测SM水刺复合非织造材料的耐静水压。

3 结 论

本文通过单因素试验,以纺粘喷(SM)水刺复合非织造材料的耐静水压和透湿性为考察指标,探讨水刺工艺(水刺面密度、聚乳酸纤维混合比例以及水刺压力)对SM水刺复合非织造材料的防水透湿影响,并进行显著性分析。结果表明:最优工艺范围为水刺面密度40～60 g/m2,聚乳酸纤维混比为80%、70%、60%,水刺压力为1.5～2.5 MPa,水刺工艺对SM水刺复合非织造材料的耐静水压影响显著,对透湿性影响不显著。

采用响应曲面优化水刺工艺参数,以SM水刺复合非织造材料的耐静水压为考察指标,建立SM水刺复合非织造材料的耐静水压二次多项式回归模型,其相关系数为0.973 4,模型拟合度较高。模型得出最优工艺参数为水刺面密度52 g/m2、聚乳酸纤维混比73%、水刺压力2 MPa,预测SM水刺复合非织造材料耐静水压为2.71 kPa,经过验证发现实际值与预测值相差2.21%。