再生纤维素非织造材料的性能对比分析

张 帆,张 东,郭翠彬,黄 伟,李 婷,程春祖,程 敏

(中国纺织科学研究院有限公司 生物源纤维制造技术国家重点实验室, 北京 100025)

以再生纤维素纤维为原料制备的非织造材料相较于丙纶、涤纶等其他石油基纤维非织造材料,具有柔软度高、吸湿透气性好和可生物降解等优点,可用于面膜、擦拭纸巾、医用卫生等领域。目前再生纤维素非织造材料原料主要有棉、粘胶、铜氨纤维、Lyocell纤维等[1-2]。

Lyocell纤维除了具有天然纤维本身的特性,如吸湿性、透气性、舒适性、光泽性、可染色性和可生物降解性外,还具有合成纤维强度高的优点。另外,制备Lyocell纤维使用的溶剂N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)可高效回收利用,生产过程无废气排放、无明显噪声,且废水排放量非常少,生产过程较为环保。但目前以Lyocel短纤为原料的Lyocell非织造材料生产成本相对较高[3-5]。

本文使用的Lyocell长丝非织造材料,采用干喷湿法液流牵伸直接成网工艺制成,其具体流程为:纺丝液从喷丝板挤出后,经过一段气隙进入到凝固浴装置中,凝固浴装置为采用了特殊结构的矩形漏斗,纺丝液在凝固浴装置中完成凝固和牵伸。成形长纤维从凝固浴装置出来后直接落在铺网装置上,铺网装置在向前传动的同时做左右往复摆动,纤维最终在铺网装置上形成相互交错的纤网,再经过水刺、水洗、烘干、卷绕等后处理,制备出Lyocell长丝非织造材料样品。相较于短纤非织造材料,直接成网工艺省去了切断、烘干、开松、梳理等工序,流程短,设备投资少。

本文将Lyocell长丝非织造材料与Lyocell短纤、粘胶短纤、铜氨长丝3种非织造材料进行对比分析,测试4种非织造材料的微观形貌、结晶度、吸水性、透气性、柔软度、强度等性能,探究Lyocell长丝非织造材料的性能优势及其可应用的领域。

1 实验部分

1.1 实验材料

Lyocell长丝非织造材料(面密度38 g/m2,自制);Lyocell短纤非织造材料(面密度38 g/m2,东纶科技实业有限公司);铜氨长丝非织造材料(面密度38 g/m2,日本旭化成公司);粘胶短纤非织造材料(面密度为38 g/m2,东纶科技实业有限公司)。

1.2 测试与表征

1.2.1 微观形貌结构观察

采用S4800型场发射扫描电子显微镜(日本日立公司)对4种非织造材料样品的微观形貌进行观察。使用Image Pro Plu6.0软件(美国Media Cybernetics公司)观察样品的电子显微镜照片,取50根测量单根纤维直径,取平均值。

1.2.2 单根纤维性能测试

采用D8ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)(德国布鲁克公司)对4种非织造材料样品的结晶性能进行分析测试,扫描的范围为10°～60°,扫描速度为0.02 (°)/s。采用Peakfit软件(AISN公司)进行分峰处理,计算纤维的结晶度。

分别从4种非织造材料中抽取单根纤维,采用XQ-1C型纤维强伸度仪和XD-1纤维细度仪(上海利浦应用科学技术研究所),分别测试4种纤维在干湿态下的断裂强度、断裂伸长率和纤维细度。

1.2.3 掉屑性能测试

将透明胶带分别与4种非织造材料黏合,然后剥离,过程重复5次,用黏下来的纤维质量和样品初始质量的比值来表示掉屑率,并使用显微镜(日本OLYMPUS株式会社)观察胶带上脱落的纤维。

1.2.4 吸湿性能测试

参照GB/T 24218.2—2009《纺织品 非织造布试验方法 第2部分:厚度的测定》,使用YG141型数字式织物厚度仪(常州双固顿达机电科技有限公司)测试样品的厚度,预加压力为100 cN,压脚面积为2 000 μm2,加压10 s。

非织造材料孔隙率计算公式[6-8]为:

(1)

(2)

式中:n为孔隙率,%;ρ为纤维密度,g/m3;σ为材料厚度,mm;m为材料面密度,g/m2;T为纤维线密度,dtex;d为纤维直径,μm。

参照GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分:吸湿法》,使用DH-450型透湿试验装置(日本大荣公司),在温度(38±2)℃、相对湿度(90±2)%的条件下对4种非织造材料样品的透湿率进行测试。

参照GB/T 24218.15—2018《纺织品 非织造布试验方法 第15部分:透气性的测定》,使用FX3300型透气性分析仪(瑞士TEXTEST公司)对4种样品的透气性进行测试。

参照GB/T 24218.6—2010《纺织品 非织造布试验方法 第6部分:吸收性的测定》中液体吸收量的测定方法,在每个样品上剪取10块尺寸为10 cm×10 cm的试样,测量试样的吸液率,计算公式如下:

(3)

式中:LAC为吸液率,%;m0和m1分别为吸液前后试样的质量,g。

1.2.5 拉伸性能测试

参照GB/T 24218.3—2010《纺织品 非织造布试验方法 第3部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》,在每个样品的纵横方向上分别裁取20块20 cm×5 cm的长方形试样,使用Instron 1122-5500 型强伸仪(英国Instron公司)进行拉伸试验。

1.2.6 服贴性分析

参照GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测试 斜面法》,使用YG207型织物硬挺度仪(南通三思机电科技有限公司)测试4种样品纵横方向上的弯曲长度。通过弯曲长度计算样品的抗弯刚度,抗弯刚度的计算公式为:

G=m×C3×10-3

(4)

式中:G为抗弯刚度,mN·cm,G越小,表明试样越柔软[11];m为面密度,g/m2;C为试样的平均弯曲长度,cm。

柔软度测试是指在规定条件下,用板状测头将试样压入狭缝一定深度(约8 mm)时,仪器记录试样本身的抗弯曲力和样品与缝隙处摩擦力的最大矢量之和,仪器显示值越小,说明试样越柔软。参照GB/T 8942—2016《纸 柔软度的测定》,每个样品的纵横方向上分别裁取10块尺寸为10 cm×10 cm的试样,使用ZRD-T1柔软度测试仪(北京新月中科科技有限公司)对4种非织造材料样品柔软度进行测试。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌结构分析

图1为Lyocell长丝、铜氨长丝、Lyocell短纤、粘胶短纤4种非织造材料样品放大30倍的扫描电镜照片,图2为放大800倍的扫描电镜照片。

图1 4种非织造材料的扫描电镜照片(×30)Fig.1 SEM images of four non woven materials (×30).(a)Lyocell filament ;(b)Lyocell staple fibre;(c)Viscose staple fibre;(d)Cupro-ammonia filament

从图1可以看出,Lyocell长丝和铜氨长丝非织造材料的纤维排布方式与Lyocell短纤和粘胶短纤非织造材料有较为明显的差别,2种长丝非织造材料的丝束呈“S”形交错排列,而2种短纤非织造材料的丝束呈无规则的排布。这是铺网工艺的不同造成的,Lyocell长丝和铜氨长丝非织造材料采用的是机械摆丝成网,丝束成形后直接落在铺网机上,并随着铺网机向前传动的同时做左右往复运动,因此呈现出有规律的“S”形排列;而短纤非织造材料采用的是气流梳理成网,被切断的短纤维在铺网过程受气流作用,纤维呈现出无规则的排列。

从图2可以看出,Lyocell长丝非织造材料和Lyocell短纤非织造材料的纤维表面平滑,结构平直;铜氨长丝非织造材料纤维表面有数条轻微沟槽,粘胶短纤非织造材料纤维表面有多条清晰的沟槽。

纤维的形貌差异与纤维的成形工艺有关,Lyocell长丝和Lyocell短纤非织造材料纤维采用干喷湿法纤维制备工艺,整个工艺流程简单,纺丝液从喷丝板挤出后经过一段气隙,喷丝头拉伸倍率较高,可有效改善丝束出口膨胀现象,初生纤维结构致密,纤维光滑平直;铜氨长丝和粘胶短纤非织造材料纤维采用湿法纤维制备工艺,工艺流程较为复杂,成形过程中影响纤维形貌的因素较多,复杂成形过程中的不均匀性会对纤维的结构造成影响,使得纤维表面呈现出不同程度的褶皱和沟槽。

2.2 单根纤维性能分析

对4种非织造材料单根纤维的强度和模量、结晶度进行测试,结果如表1。

从表1可以看出,4种非织造材料结晶度和单根纤维干态断裂强度大小顺序一致,即Lyocell短纤>Lyocell长丝>粘胶短纤>铜氨长丝,这主要是由纤维制备工艺不同造成的,Lyocell长丝和短纤采用干喷湿法纤维制备工艺,纺丝成形阶段纤维拉伸倍率比较高,纤维结构致密,结晶度较高,而粘胶短纤和铜氨长丝采用湿法纺丝,拉伸倍率低,纤维结构松散,结晶度低。

从表1还可以看出,湿态下的4种非织造材料纤维的强度和模量均小于干态;铜氨长丝非织造材料湿态下纤维的模量下降得最多,下降了95%;其次为粘胶短纤非织造材料,下降了87.6%;Lyocell长丝和Lyocell短纤下降较少,这是因为湿态下,水分子进入纤维无定形区,减弱了大分子间的结合力,分子链在外力作用下容易发生滑移,因此强力和模量下降明显。粘胶和铜氨的结晶度低,水分子进入后对大分子间作用力影响显著[9]。

2.3 非织造材料掉屑性能分析

4种非织造材料掉屑率结果如图3所示,显微镜观察胶带上脱落的纤维照片如图4所示。

图3 4种非织造材料的掉屑率Fig.3 Chipping rate of four nonwoven materials

图4 4种非织造材料显微镜下掉屑性能Fig.4 Microscopic chip removal properties of four non woven materials.(a)Lyocell filament;(b)Lyocell staple fiber;(c)Viscose staple fiber;(d)Cupro-ammonia filament

从表3中可以看出,Lyocell长丝、铜氨长丝、Lyocell短纤、粘胶短纤非织造材料的掉屑率分别为0.21%、0.22%、1.14%和1.23%。Lyocell长丝非织造材料和铜氨长丝非织造材料掉屑率明显少于Lyocell短纤非织造材料和粘胶短纤非织造材料。从图4也可以看出,相同面积内Lyocell短纤和粘胶短纤非织造材料的纤维脱落量远大于Lyocell长丝和铜氨长丝非织造材料,这是因为长丝非织造材料的连续长纤维彼此交缠,纤维不容易脱落,而短纤非织造材料的短纤维间彼此缠结力较弱,纤维更易脱落。

2.4 非织造材料的吸湿性能分析

4种非织造材料的孔隙率结果图表2所示,4种非织造材料的孔隙率大小为Lyocell长丝>铜氨长丝>粘胶短纤>Lyocell短纤。材料面密度一定的情况下,非织造材料的孔隙率与纤维直径和非织造布厚度有关,直径越粗,厚度越大,材料孔隙率越大。

表2 4种非织造材料的孔隙率Tab.2 Porosity of four nonwoven materials

4种非织造材料样品透湿率、透气率和吸液率的测试结果如表3所示。

表3 4种非织造材料的吸湿透气性Tab.3 Moisture absorption of four non woven materials

4种非织造材料样品的透湿率、透气率和吸液率的规律是一致的,即Lyocell长丝>铜氨长丝>粘胶短纤>Lyocell短纤。非织造材料吸湿透气性规律与4种非织造材料孔隙率大小的规律一致。这是因为孔隙率越大,材料内部空隙距离越宽,水分子和空气更容易渗入,因此吸液率和透气率较高。

2.5 非织造材料的拉伸性能分析

4种非织造材料干态下的纵横向强度、不同铺网机摆动频率下Lyocell长丝非织造材料的纵横向强度和4种非织造材料干湿态下的强度测试结果如图5所示。

图5 4种非织造材料的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of four nonwoven materials.(a) Longitudinal and transverse strength of different nonwoven materials in dry state;(b) Longitudinal and transverse strength of Lyocell filaments at different oscillation frequencies of the net-laying machine;(c) Longitudinal strength of different nonwoven materials in wet and dry state

从图5(a)可以看出,Lyocell长丝、铜氨长丝、Lyocell短纤、粘胶短纤非织造材料的纵向强度分别为48.76、32.58、44.26和42.58 N。Lyocell长丝、铜氨长丝、Lyocell短纤、粘胶短纤非织造材料的横向强度分别为23.39、18.42、41.94和44.28 N。铜氨长丝和Lyocell长丝非织造材料干态下的纵横向强度差别较大,纵向强度明显高于横向,而Lyocell短纤和粘胶短纤非织造材料的纵横向强度基本一致。这是因为铜氨长丝和Lyocell长丝非织造材料的铺网方式是机械摆丝成网,丝束随着铺网机左右往复运动,丝束排列呈“S”形,纵横方向上的强度受铺网机的摆动频率和摆动幅度影响,而Lyocell短纤和粘胶短纤非织造材料纤维排列是无规律的,各个方向强度较为均匀。

从图5(a)还可以看出,非织造材料干态下纵向强度大小为Lyocell长丝>粘胶短纤>Lyocell短纤>铜氨长丝,这与4种样品的单根纤维的干态断裂强度不一致,这是因为非织造材料强度一方面受单根纤维的强度影响,一方面受纤维间缠结程度的影响。对于本文4种非织造材料样品来说,纤维间缠结程度对于非织造材料强度的影响大于单根纤维强度。

从图5(b)可以看出,随着铺网装置摆动频率的增加,Lyocell长丝非织造材料样品纵向强度减小,横向强度增加,摆动频率达到120次/min时,纵横向强度逐渐趋于一致。

从图5(c)可以看出,Lyocell长丝、铜氨长丝、Lyocell短纤、粘胶短纤非织造材料的湿态纵向强度分别为49.69、17.32、45.73和20.04 N。铜氨长丝非织造材料和粘胶短纤非织造材料的湿强远低于干强,而Lyocell长丝和Lyocell短纤非织造材料的湿强略高于干强。这是因为Lyocell纤维的结晶度高,水分子对于单根纤维的强度减弱的不明显,水分子进入纤维间解除了部分纤维间的缠结,使纤维受力更加均匀,样品强度整体增加[10]。

2.6 非织造材料的服贴性分析

柔软度和抗弯刚度可以表征样品的服贴性,4种非织造材料的测试结果如表4所示。干态抗弯刚度和柔软度的规律一致,即铜氨长丝>Lyocell短纤>Lyocell长丝>粘胶短纤,即干态铜氨长丝非织造材料的柔软度最差,干态粘胶短纤非织造材料的柔软度最好。湿态柔软度排序为Lyocell短纤>Lyocell长丝>粘胶短纤>铜氨长丝,即湿态Lyocell短纤非织造材料的柔软度最差,湿态铜氨长丝非织造材料的柔软度最好。

表4 4种非织造材料的抗弯刚度和柔软度Fig. 4 Tensile properties of four nonwoven materials

3 结 论

通过对比分析Lyocell长丝非织造材料(自制)、Lyocell短纤非织造材料、粘胶短纤非织造材料、铜氨长丝非织造材料的微观形貌、结晶度、强度、掉屑率、吸湿透气性等性能,得出以下结论:

①Lyocell长丝非织造材料采用干喷湿法直接纺丝成网工艺,材料的结晶度高,纤维断头少,纤维间缠结紧密。材料掉屑率为0.21%,干态纵向断裂强力为48.8 N/(5 cm),湿态纵向断裂强力为49.5 N/(5 cm),透气率为5 090 mm/s,透湿率为572 g/(m2·h),吸液率为1 374%,这几种性能均优于其他3种非织造材料。

②Lyocell长丝非织造材料采用的为N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)体系纤维素溶液直接纺丝成网工艺,流程短,制备过程绿色环保。产品性能优良,具有掉屑率少、干湿态强度高、透气透湿率高、吸液能力强等优点,有很大的发展潜力。