左文君 靳向煜

(東華大學，上海，201620)

分裂型超細纖維水刺非織造布力學性能研究

左文君 靳向煜

(東華大學，上海，201620)

對分裂型短纖水刺非織造布與分裂型長絲紡粘水刺非織造布在受外界機械力作用后的拉伸斷裂強力和脹破性能的變化進行了研究。結(jié)果表明:在外界機械力作用下，分裂型超細纖維水刺非織造布中的纖維會進一步開纖，在改善其開纖情況的同時，各項力學性能變化不大;機洗是一種效果好、無污染的新型開纖方法。

分裂型超細纖維，水刺非織造布，力學性能，開纖效果

分裂型復合纖維是用兩種在化學結(jié)構(gòu)上完全不同、彼此互不相容的聚合物通過復合紡絲方法，使其在截面中呈橘瓣狀交替配置制成的復合纖維。這種復合纖維可以通過一定的方法進行開纖處理，將不同的組分剝離而制成超細纖維，開纖后得到的超細纖維具有很多普通纖維所沒有的優(yōu)良特性，如纖維特別細、毛細管多、比表面積大和彎曲剛度低等。

由聚酯/聚酰胺(PET/PA)兩種組分組成的分裂型超細纖維水刺非織造布，其特點是纖維細、吸附力強、手感柔軟、懸垂性好［1］，能夠發(fā)揮其卓越的擦拭功能，并且耐洗、耐用，是作為電子工業(yè)、光學工業(yè)擦拭布，眼鏡擦拭布，電視、汽車等領(lǐng)域擦拭布的理想材料。開纖技術(shù)直接影響到分裂型超細纖維水刺非織造布的各項性能，目前主要的開纖技術(shù)有化學法、熱處理法和機械處理法［2］。應(yīng)用較廣泛的提高開纖率的方法是化學法，但化學法開纖對水刺非織造布的損傷較大，且堿液排放對環(huán)境有害。相比較而言，機械方法開纖較為環(huán)保，但如何控制機械力的強弱是其面臨的最大問題。機械力過大，會增加能耗和損傷纖維，即使開纖率很高，材料的力學性能也得不到保證;而機械力較弱，則又會達不到開纖率的要求，使超細纖維丟失部分本可具備的一系列優(yōu)良性能。本文主要討論用機洗方法開纖對于分裂型超細纖維水刺非織造布的開纖情況以及力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

1.1.1 PET/PA 6分裂型短纖水刺非織造布(A試樣)

制備A試樣的典型工藝為:

PET/PA 6分裂型纖維→開松混合→梳理→交叉鋪網(wǎng)→水刺→烘干→卷繞。

1.1.2 PET/PA 6分裂型長絲紡粘水刺非織造布(B試樣)

制備B試樣的典型工藝為:

1.2 性能測試

采用水平轉(zhuǎn)鼓型洗衣機分別對A、B兩種試樣進行1、2、4、6、8 和 10 h 的水洗，測試不同機洗時間下兩種水刺非織造布力學性能的變化。

(1)機洗設(shè)備是水平轉(zhuǎn)鼓型洗衣機。內(nèi)層滾筒直徑(51.5±0.5)cm;旋轉(zhuǎn)頻率在洗滌時為52 r/min，在脫水時為(500±20)r/min。按照標準GB/T 8629—2001進行機洗。

(2)掃描電鏡照片用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡獲得。

(3)斷裂強力用YG(B)026電子織物強力機，按照標準FZ/T 60005—1991進行測定。

(4)脹破強力用織物脹破測試儀，按照標準GB/T 7742.1—2005進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣基本性能

在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過外界機械力作用后水刺非織造布的幾何尺寸、厚度和面密度會發(fā)生一定的變化，因此本試驗對上述三個基本指標分別進行了測定。

2.1.1 幾何尺寸的變化

A試樣和B試樣的尺寸分別為40 cm×30 cm和40 cm×40 cm。試樣機洗不同時間后其尺寸變化見圖1和圖2。

圖1 試樣尺寸隨機洗時間的變化

圖2 試樣縱橫向長度比隨機洗時間的變化

由圖1可以看出，機洗后A試樣和B試樣的縱橫向尺寸較原始尺寸都有一定程度的縮小，B試樣的縱橫向收縮程度均分別大于A試樣，這說明在機洗的外界力作用下，水刺非織造布的纏結(jié)結(jié)構(gòu)會有一定的改變。從圖2可以看出，A試樣和B試樣的縱橫向長度比不隨機洗時間變化而變化，即機洗作用對水刺非織造布長度收縮的影響與成網(wǎng)過程中纖維的排列方式無關(guān)，同時也說明在機洗外力的作用下，水刺非織造布的縱向和橫向受力均勻。

2.1.2 厚度的變化

試樣機洗不同時間后其厚度變化見圖3。

圖3 試樣厚度隨機洗時間的變化

由圖3可以看出，在外界力的作用下，A試樣和B試樣的厚度均隨著機洗時間的增加而增加，尤其是在機洗1 h時變化較為明顯，分別增加了19.3%和50.9%。從宏觀上分析，在外界機械力的作用下，分裂型長絲、短纖水刺非織造布的纏繞結(jié)構(gòu)變得更加緊密，在沒有質(zhì)量損失的前提下，非織造布的厚度勢必會有一定的增加，而長絲的部分解纏使得水刺非織造布的表面多出一定數(shù)量的毛羽，這些毛羽的存在使得非織造布的厚度增加;從微觀上分析，在洗滌過程中，水刺非織造布與器壁之間，水刺非織造布與水刺非織造布之間，甚至同一塊非織造布的不同部位之間，都存在相互的、持續(xù)的摩擦作用，在持續(xù)的摩擦作用下，水刺非織造布中的長絲或短纖維的滑移位移加大，露出水刺非織造布表面的毛羽增加，其中長絲水刺非織造布的表面毛羽增加明顯，表現(xiàn)為水刺非織造布厚度增加。

2.1.3 面密度的變化

試樣機洗不同時間后其面密度變化見圖4。

從圖4可以看出，A試樣和B試樣的面密度值分別從 83.7和 98.0 g/m2緩慢增加到 93.7和106.9 g/m2，這進一步說明在機洗的弱機械外力作用下水刺非織造布的內(nèi)部纏結(jié)緊密度有一定的改善，并隨著作用時間的延長而增加。

圖4 試樣面密度隨機洗時間的變化

2.2 拉伸性能

2.2.1 分裂機理

2.2.1.1 纖維原纖化

原纖化是指濕態(tài)下纖維與纖維或纖維與金屬壁等物體發(fā)生摩擦時，原纖沿纖維縱向主體剝離成為直徑小于1～4μm的巨原纖，進而紕裂成更加細小的微原纖。結(jié)晶度、取向度較高，而結(jié)構(gòu)單元之間的結(jié)合力較小的纖維都會有不同程度的原纖化現(xiàn)象產(chǎn)生。

2.2.1.2 纖維間的作用機理

如圖5所示，短纖纖網(wǎng)中的彎曲纖維起主要的纏結(jié)作用。在受外界作用力時，彎曲纖維會對平行纖維有一定的擠壓作用，從而帶動周邊的平鋪纖維，使得纖網(wǎng)的纏結(jié)更加緊密;另有一部分彎曲纖維在外界機械力的作用下趨于平行，與周邊的平鋪纖維有一定程度的解纏，隨著機械作用力的變化和作用時間的延長，纖網(wǎng)的結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大的變化。

圖5 短纖維間的相互作用

如圖6所示，在長絲水刺非織造布中起主要纏結(jié)作用的則是纖網(wǎng)中呈螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的纖維，使纖維呈三維雜亂排列，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密。在機洗等弱機械外力的作用下，螺旋纏繞纖維會發(fā)生較大幅度的解纏，這對于非織造布的強力會造成一定的影響。

圖6 長絲間的相互作用

在機洗過程中，纖維存在各個方向的無規(guī)則纏結(jié)，同時纖維間也產(chǎn)生不同方向的摩擦，這些摩擦作用發(fā)生在未裂離的纖維之間、已裂離的單片纖維與未裂離纖維之間以及已裂離的單片纖維之間［3］。由于PET和PA兩種聚合物的結(jié)構(gòu)性能差異較大，相容性差，其界面既分隔清晰又相互吸附黏合，因摩擦作用而產(chǎn)生的各組分內(nèi)部分子間的應(yīng)力遠遠小于組分間界面之間的應(yīng)力，因此在外力作用下最先遭到破壞的是最為薄弱的纖維組分間的界面，從而發(fā)生了纖維裂離［4］。

2.2.1.3 機械力作用

分裂型纖維大多采用水刺工藝加工，在纏結(jié)纖維的同時還可以利用高壓水流的機械能來開纖裂離纖維，最大程度地降低產(chǎn)品的處理成本。分裂型纖維在水流的沖擊力和反彈力的反復作用下，承受著彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和拉伸的聯(lián)合作用，產(chǎn)生一種復合變形［5］，由于PET/PA 6界面間的黏附力相對較弱，導致界面間的相對滑移，從而使纖維裂離。

圖7 PET/PA 6分裂型纖維截面

如圖7所示，PET/PA 6分裂型纖維的橫截面分為16瓣，兩種組分間隔分布，水刺后纖維分裂成為超細纖維，可賦予非織造布各項優(yōu)越性能，在水刺與機洗等外界機械力的疊加作用下，不同組分間的界面明顯有利于纖維的分裂。

圖8是纖網(wǎng)在機洗前后的表面電鏡照片，圖9是纖網(wǎng)在機洗前后的橫截面照片。

圖8 纖網(wǎng)在機洗前后的表面電鏡照片

圖9 纖網(wǎng)在機洗前后的橫截面電鏡照片

由圖8可見，A試樣中的短纖維卷曲纏結(jié)現(xiàn)象明顯，B試樣中長絲排列纏結(jié)現(xiàn)象清晰。

由圖9可見，A試樣纖網(wǎng)中的短纖維呈明顯的三維結(jié)構(gòu)排列，B試樣纖網(wǎng)中纖維以平面排列為主，機洗后分裂現(xiàn)象明顯。

從圖8和圖9可以清楚地看到，經(jīng)過機洗作用后，A試樣和B試樣的開纖情況明顯變好，說明機洗對于改善分裂型水刺非織造布的開纖情況是一種完全可行的方法。機洗作用力相對于高壓水刺力，其作用力更為柔和，不會對纖維造成太大的損傷，也不會較大幅度地改變非織造布的外觀性能。從圖8和圖9還可以看到，由于纖網(wǎng)中纖維的排列各不相同，受力狀況也千差萬別，其中有很大一部分纖維會出現(xiàn)頭端開裂或者中部開裂的現(xiàn)象，這主要是由于整根纖維受力狀況不同造成的。

一般在纖維的不同長度范圍內(nèi)，纖維橫截面上的應(yīng)力和彎矩均不相同，即應(yīng)力與彎矩隨截面位置的變化而變化。可以通過內(nèi)力方程求得纖維中部和頭端對應(yīng)截面上的應(yīng)力和彎矩。圖10是纖維受到作用力F時的內(nèi)力圖。

圖10 纖維受力時的內(nèi)力圖

由于平面匯交力系可合成為一個合力，如果力系平衡，則合力為零。

假設(shè)整根纖維是平衡的，則由平衡條件可知:

由力偶系平衡條件可知，當力偶系平衡時其合力偶矩的代數(shù)和等于零，即:

如圖10(a)中A1所示，假定纖維兩端被握持，中部受到作用力F，則可以求得兩端的反作用力F1和F2:

用截面法沿截面m-m將纖維切斷，取左段纖維為研究對象，并設(shè)作用內(nèi)力Fs1的方向和彎矩的轉(zhuǎn)向如圖10(a)中B1所示，由式(1)可知:

即:

由式(2)可知:

即:

如圖10(b)所示，假設(shè)纖維一端固定，另一端受到作用力F，同理可以推出:

由于纖網(wǎng)中的纖維在水流反復沖擊和互相穿插纏繞過程中產(chǎn)生的摩擦力的作用下，纖維各個部位之間的相對位置會發(fā)生改變，附加內(nèi)力會隨著外力的改變而改變。但是，內(nèi)力變化有一定的限度，不能隨外力增加而無限增加，當內(nèi)力增加到一定程度，即內(nèi)力大于纖維界面間的黏附力時，界面間將產(chǎn)生相對滑移，從而使纖維裂離。從圖10可以看出，纖維在頭端受力時所對應(yīng)的橫截面彎矩最大，因此在同等條件下纖網(wǎng)中纖維出現(xiàn)頭端開裂的概率遠大于中部開裂的概率。

2.2.2 拉伸性能與作用時間關(guān)系

2.2.2.1 縱橫向強力比

纖網(wǎng)中纖維的排列方式一般通過測定纖網(wǎng)的縱向與橫向斷裂強力的比值來判斷。纖維定向度高的纖網(wǎng)，其縱橫向斷裂強力比值或比1大很多，或比1小很多;纖維雜亂度高的纖網(wǎng)，其縱橫向斷裂強力比值則接近于1。纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)對最終非織造布制品的物理力學性能有直接影響［2］。

從圖11可以看出，B試樣的縱橫向強力比遠大于1，而A試樣的縱橫向強力比較接近于1。這說明長絲紡粘水刺非織造布因采用平行鋪網(wǎng)方式，纖網(wǎng)中的纖維主要沿機器輸出方向排列;而短纖水刺非織造布采用交叉鋪網(wǎng)技術(shù)，纖網(wǎng)中纖維的雜亂度提高。在經(jīng)過機洗外力的作用后，B試樣的縱橫向強力比呈明顯的下降趨勢，而A試樣的縱橫向強力比變化不明顯。這主要是因為在水刺外力的作用下短纖維會有進一步的纏結(jié)，也會有一定的解纏，對于采用交叉鋪網(wǎng)的短纖水刺非織造布，總體上其受到的機洗作用是均勻的，對短纖維各個方向的重新交纏和解纏的影響作用趨于一致，因此其在機洗作用下變化趨勢不明顯。對于長絲水刺非織造布，其纖網(wǎng)中的長絲主要是縱向排列，橫向纏結(jié)相對較弱，在機洗外力的作用下長絲在縱向和橫向的纏結(jié)程度和解纏程度也都不一樣，橫向的纏結(jié)較弱，解纏現(xiàn)象相對明顯，因此縱橫向強力比呈現(xiàn)下降趨勢。

圖11 縱橫向強力比隨機洗時間的變化

2.2.2.2 拉伸斷裂相對強度

拉伸斷裂相對強度表示單位體積非織造布的強力，可用下式計算:

式中:Pv——試樣拉伸斷裂相對強度(kN·m/g);

P——試樣拉伸斷裂強力(N);

m——試樣面密度(g/m2);

d——試樣厚度(mm)。

由于非織造布屬于非勻質(zhì)材料，而且隨著機械力作用時間的延長，水刺非織造布的厚度、面密度等指標會有一定程度的增加，使測得的各試樣的拉伸斷裂強力值沒有可比性，因此選擇了用拉伸斷裂相對強度值Pv來進行比較。

從圖12可以看出，A試樣和B試樣的縱橫向強力變化均不明顯，可認為在一定范圍內(nèi)強力沒有變化。強力變化的程度決定于纖網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在機洗弱機械外力的作用下，短纖維構(gòu)成的纖網(wǎng)內(nèi)部的平鋪纖維及彎曲纖維互相作用，存在進一步的纏結(jié)，同時也會解纏;而長絲水刺非織造布由于長絲呈縱向排列，在機洗作用下解纏現(xiàn)象較為明顯，但是由于非織造布的厚度及面密度有所增加，導致其強力變化不明顯。從圖13可以看出，A試樣和B試樣的縱向和橫向斷裂相對強度均出現(xiàn)下降的趨勢，而B試樣的縱向斷裂相對強度下降趨勢最為明顯，其主要原因是隨著機洗時間的增加，水刺非織造布的厚度增加明顯。排除面密度和厚度的影響因素后，單位體積水刺非織造布的強力是呈下降趨勢的。

圖12 斷裂強力隨機洗時間的變化

圖13 相對強度隨機洗時間的變化

2.3 脹破性能

2.3.1 脹破機理

織物在一垂直織物平面的負荷作用下鼓起、擴張進而破裂的現(xiàn)象稱為脹破?？椢锏拿浧茐毫κ强椢锏囊粋€重要力學指標。本試驗采用彈性膜片法測定非織造布的脹破壓力。脹破壓力與非織造布自身的拉伸性能及試樣尺寸有密切關(guān)系［6］。如圖14所示，在脹破的過程中非織造布是全方位受力的，因此在同等條件下非織造布會首先在最薄弱之處被脹破。

圖14 脹破模擬圖

試驗發(fā)現(xiàn):A試樣和B試樣都會沿著同一方向脹破，A試樣主要沿著橫向脹破，而B試樣主要是沿著縱向脹破。圖15是A試樣和B試樣脹破時的照片。

圖15 非織造布的脹破狀態(tài)

為研究分裂型超細纖維水刺非織造布的脹破現(xiàn)象，選取非織造布的 0°、30°、45°、60°和 90°五個方向分別進行拉伸性能測試，其中0°為纖網(wǎng)縱向。測試結(jié)果見圖16和圖17。

從圖16可以看出，B試樣的橫向強力最小，而A試樣的縱向強力最小。這與脹破試驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象基本一致，即分裂型超細纖維水刺非織造布脹破時，主要是沿強力最弱的方向脹破。

圖16 取樣角度與斷裂強力的關(guān)系

圖17 取樣角度與斷裂伸長的關(guān)系

2.3.2 脹破強力與作用時間關(guān)系

如圖18所示，A試樣和B試樣的脹破壓力隨著機械力作用時間的延長變化不明顯。B試樣的脹破壓力在758～813 kPa范圍內(nèi)，而A試樣的脹破壓力在586～655 kPa范圍內(nèi)。長絲水刺非織造布的脹破壓力高于短纖水刺非織造布的脹破壓力，這主要是由于前者的面密度和厚度均高于后者，同時前者各個方向的斷裂強力也高于后者。另外，在機洗作用下，雖然水刺非織造布的纏結(jié)結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定的變化，但是其各自的縱橫向強力變化不大，對水刺非織造布的薄弱環(huán)節(jié)改善也不大，導致水刺非織造布的脹破壓力隨機洗時間變化不大。

圖18 脹破壓力隨機洗時間的變化

3 結(jié)論

(1)機洗作用有利于改善分裂型超細纖維水刺非織造布的開纖效果，且經(jīng)過機洗處理后的水刺非織造布各項力學性能改變不大，完全能夠滿足各個領(lǐng)域?qū)ζ淞W性能的要求。

(2)分裂型超細纖維水刺非織造布的脹破沿著材料強力最弱的方向進行。

(3)分裂型超細纖維水刺非織造布在機洗作用下開纖，纖維頭端分裂的概率大于纖維中部分裂的概率。

(4)機洗開纖方法具有工藝簡單、開纖效果好、纖維損傷小等優(yōu)點，且成本低、無污染，可作為一種新型的開纖方法應(yīng)用于分裂型超細纖維水刺非織造布的加工工藝中。

［1］GONG R H，NIKOUKHESAL A.Hydro-entangled bicomponent microfiber nonwovens［J］.Society of Plastic Engineers，2009，49(9):1703-1707.

［2］柯勤飛，靳向煜.非織造學［M］.上海:東華大學出版社，2004.

［3］殷保璞，靳向煜.超細纖維水刺非織造布的纖維裂離機理及性能［J］.東華大學學報，2003(29):55-58.

［4］蔡世文.紡粘水刺雙組分超細纖維非織造材料工藝性能研究［D］.上海:東華大學，2011.

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［6］于偉東，儲才元.紡織物理［M］.上海:東華大學出版社，2001.

Study on mechanical properties of splitted superfine fiber spunlaced nonwovens

Zuo Wenjun，Jin Xiangyu
(Donghua University)

The change of stretch breaking strength and burst property of splitted staple fiber spunlaced nonwovens and splitted spinning filament spunlaced nonwovens under the force of external mechanical were studied.The result demonstrated that under the force of external mechanical splitted superfine fiber which be made spunlaced nonwovens would be further splitted，and its various mechanical properties did not change a lot while its splitting condition be improved.Mechanical force was a novel splitting way with good effect and non-pollution.

splitted superfiber fiber，spunlaced nonwovens，mechanical property，split effect

TS176+.3;TS102.6+4

A

1004－7093(2012)07－0009－07

2011－10－26

左文君，女，1986年生，在讀碩士研究生。主要從事分裂型超細纖維非織造材料性能的研究。