双层复合水刺非织造材料的制备及性能研究
时间：2023-03-03 08:05:05 来源：千叶帆 本文已影响人
张琼杰 吴海波 刘双营 杨景璇
1. 东华大学 纺织学院，上海 201620; 2. 山东永信非织造新材料股份有限公司，山东 济南 250200
据统计，近5年来女性卫生用品的年均复合增长率约为3.1%。这意味着国内女性卫生用品市场已趋于饱和。提高产品的功能附加值，满足个性化、高质化需求是国内卫生用品在激烈的市场竞争中寻求新经济增长点的关键[1]。卫生巾是常见的女性卫生用品，一般由面层、吸液芯体层和底层组成，水刺非织造材料通常作为卫生巾的面层使用。卫生巾面层对材料的要求是能快速传递体液到吸液芯体层，同时减少一定压力下返回面层的体液量[2]。
几乎所有的卫生巾产品都含有来源于石油的不可降解成分。人们对绿色环保的需求，使生物可降解纤维在女性卫生用品领域更具发展空间。卫生巾是一种以棉、非织造布、纸浆或上述材料的复合物为原料制成的高分子聚合物和高分子聚合物复合纸，其采用多层非织造材料构成血液吸收系统。卫生巾结构由内到外分别是面层、吸液芯体层和防漏底层。卫生巾面层多为打孔膜和非织造布，起阻隔和导流的作用。打孔膜采用聚乙烯(PE)为原料先制成薄膜，再经专业打孔设备进行热熔开孔后制成。非织造布面层是在纤维成网后，采用热风、纺黏、水刺等加固工艺固结形成的材料，具有较好的柔软舒适性。吸液芯体层在结构上表现为两层非织造材料包裹一定质量的高吸水材料，这种高吸水材料是卫生巾吸收液体的关键。防漏底层多为PE膜，可防止血液漏出，且带有背胶用以固定卫生巾。
目前，市面上卫生巾的面层材料多采用以热熔纤维为原料制成的热风、纺黏或熔喷非织造材料及以棉纤维为原料经水刺加固制成的非织造材料。纺黏和热风非织造材料的成本低、干爽性好，但其以化学纤维为原料，亲肤性差，易致敏，难降解。以黏胶纤维和竹浆纤维为原料制备的非织造材料吸湿性、亲肤性均较优，而且可降解性好，若能提高其干爽性，在用作卫生巾面层材料时将具有更大的优势。
目前的研究中，用作女性卫生用品面层的材料多为纯棉材料或多种纤维混合材料，双层复合结构的材料鲜有涉及。此外，已有研究表明，单面整理可赋予材料较好的单向传递性[3-4]。基于此，本文尝试将黏胶纤维和竹浆纤维分别铺网后叠合水刺，获得差异化结构的材料，然后结合单面喷雾拒水整理，赋予面层材料单向传递性能，并测试材料的基本力学性能、透气性和渗透性，分析评价其用作卫生巾面层材料的可行性。
1.1 润湿梯度效应
润湿是液体从固-液界面向液-气界面转移的动态过程[5]。固体被液体润湿时，液体能均匀良好地铺展在材料表面，而当液体呈水滴状时，表明固体材料不能被这种液体润湿。润湿梯度效应是一种特殊的润湿过程。如图1所示，材料的一侧表现为疏水状态，另一侧表现为亲水状态，液体因受到材料两侧不平衡的界面力作用，在转移过程中会自动在材料上发生特定方向的运动，这种液体向特定方向运动的过程即润湿梯度效应。这种界面不平衡力又称润湿驱动力，它的大小与接触角之间存在下述关系[6]。
图1 湿润梯度效应
式中，F为润湿驱动力；
R为液体与固体接触界面的半径；
γLG为液-气界面张力；
θA为液体与润湿梯度材料前侧的接触角；
θB为液体与湿梯度材料后侧的接触角。
润湿梯度效应驱动液滴导向运动的关键在于具有较大的润湿驱动力[7]。而润湿梯度驱动力的大小和液体与湿梯度材料前后两侧的接触角有关，可通过改变材料两侧接触角的差值实现液体在材料上的单向传递。
1.2 差动毛细效应
如图2所示，差动毛细效应多发生在双层结构非织造材料中，若非织造材料上层纤网的孔隙较大，下层纤网的孔隙较小，将有可能发生差动毛细效应。孔隙小的纤维网中毛细管附加压力小，孔隙大的纤维网毛细管附加压力大，两层纤网之间的接触界面产生压力差，在压力差的作用下，液体沿非织造材料表面定向移动。双层结构材料上下两层附加压力差与纤维理论半径间存在下述关系[8]。
图2 差动毛细效应
式中，ΔP为附加压力差；
γ为气-液界面表面张力；
r1和r2分别为两层纤网孔隙的理论半径。
两层纤网孔隙的理论半径差值越大，附加压力差越大。液体在毛细管中的附加压力大小和方向对液体的单向传递具有重要影响。材料两层间的附加压力差越大，材料表现出的单向传递性质越明显。可以通过孔隙结构设计，产生差动毛细效应，实现材料对液体的定向传递。
2.1 试验材料与试剂
试验用两种纤维材料的具体规格如表1所示。
表1 纤维种类及规格
试验试剂：MT-ECO型拒水整理剂，上海赛超化工助剂有限公司；
渗透性能专用标准合成试液，由蒸馏水、丙三醇、氯化钠、碳酸钠、苯甲酸钠、羧甲基纤维素钠、可食用色素和标准媒剂组成。
2.2 试验方法
基于液体单向传递机理，制备双层复合结构水刺非织造材料，材料的结构示意如图3所示。将黏胶纤维和竹浆纤维分别铺网后，叠合在一起进行水刺加固，烘干后进行喷雾拒水整理，最后高温烘干。试验方案如表2所示。双层复合水刺非织造材料加工工艺流程如图4所示。
图3 双层复合水刺非织造材料的结构示意
表2 试验方案
图4 双层复合水刺非织造材料加工工艺流程
2.2.1 梳理、叠合、水刺工艺
采用单锡林双道夫梳理机制备纤维网试样，梳理机的工作参数如表3所示。将黏胶纤维和竹浆纤维分开梳理，待两种纤维各自成网后再进行叠合加工。由于黏胶纤维的线密度较小，更适合作为贴肤面使用，因此叠合时，将黏胶纤维网放在上层，竹浆纤维网放在下层。
表3 梳理工艺参数
采用平网水刺方式，水刺工艺参数如表4所示。其中，第1道和第3道为正面水刺，第2道和第4道为反面水刺。
表4 水刺工艺参数
2.2.2 喷雾拒水整理工艺
采用小型喷雾器将无氟拒水剂MT-ECO自一定高度喷洒在双层复合结构水刺非织造材料的黏胶纤维面进行拒水整理，小型喷雾器的喷嘴孔径小，喷出的水雾粒径小于0.2 mm，可实现均匀雾化的效果。MT-ECO的主要成分为改性树脂水溶液，使用后需在高温下烘干才具有疏水效果。整理液用量和烘干温度过高，会使试样完全拒水；
而用量和烘干温度过低，又会导致试样不具有拒水效果。因此，需调整整理工艺参数。经多次试验测试，最终确定整理液的配制方法为在250 mL硬水中加入3 mL的MT-ECO，并控制喷雾距离为8 cm，烘干条件为在130 ℃下烘3 min。
2.3 性能测试方法
使用TM3000型扫描电子显微镜观察双层复合结构水刺非织造布试样的表面形态。
参照FZ/T 60005—1991，使用HD026N+型电子织物强力机(南通宏大试验仪器有限公司)测试双层复合结构水刺非织造布试样的拉伸性能。
参照GB/T 3013—2013的附录C，使用YG461G型全自动透气量仪测试双层复合结构水刺非织造布试样的透气性。
使用CFP-1100-AI型毛细流量孔径仪测试双层复合结构水刺非织造布试样的孔径。
使用OCA15EC型光学接触角测量仪测试双层复合结构水刺非织造布试样的接触角。
参照GB/T 30133—2013的附录A，测试双层复合结构水刺非织造布试样的液体渗入量。将试样裁剪成200 mm×100 mm大小，并采用规格为200 mm×150 mm的中速定性分析滤纸测试液体渗入量。液体渗入量(m)的计算式如式(1)所示。
m=m1-m0
(1)
式中：m1为滤纸吸液后的质量，g；
m0为滤纸初始质量，g。
参照GB/T 30133—2013的附录B，测试双层复合结构水刺非织造布试样的液体回渗量。将试样裁剪成100 mm×100 mm大小，采用规格为150 mm×150 mm的中速定性分析滤纸测试液体回渗量。液体回渗量(m′)的计算式如式(2)所示。
m′=m2-m0
(2)
式中：m2为液体回渗后滤纸的质量，g；
m0为滤纸初始质量，g。
参照GB/T 24218.8—2010，使用YG814D型液体穿透仪测试双层复合结构水刺非织造布试样的液体穿透时间。
3.1 形貌观察
图5为试样A3(黏胶与竹浆纤维质量分数均为50%)黏胶纤维面(拒水整理面)的扫描电子显微镜图。图6为试样A3竹浆纤维面(未拒水整理面)的扫描电子显微镜图。由图5和图6可以看出，纤维缠结在一起，呈杂乱无章分布形成双层复合水刺非织造材料。黏胶纤维和竹浆纤维的表面形态相似，均带有沟槽。这是因为黏胶纤维和竹浆纤维的成型过程包括浸渍 、压榨、粉碎、老化、黄化、溶解、熟成、过滤、脱泡等工序，复杂成型过程中的不均匀性，导致纤维纵向产生许多无规则沟槽。喷雾拒水整理后，黏胶单纤维上有很多颗粒状物质，而竹浆单纤维则相对光滑。这是因为拒水整理剂作用于黏胶纤维表面，与黏胶纤维分子发生化学反应，改变了纤维形态，导致黏胶纤维表面变粗糙，而没有经过拒水整理剂整理的竹浆纤维，其表面仍保持原本相对光滑的状态。粗糙度对材料的拒水效果有很大影响。
图5 黏胶纤维面扫描电子显微镜图
图6 竹浆纤维面扫描电子显微镜图
3.2 透气性能
透气性能是评价卫生巾面层的重要指标，透气性越好，面层的舒适性越好。不同原料组分与面密度的水刺非织造材料，其透气性能测试结果如图7所示。由图7a)可以看出，拒水整理前后，不同原料组分的非织造材料的透气率为2 300～2 800 mm/s，且双层复合水刺非织造试样A3、A4和A5的透气率明显高于单层黏胶非织造布试样A1。这是因为竹浆纤维的线密度大于黏胶纤维，在其他条件相同的情况下，非织造材料的纤维越粗，线密度越大，空气透过的阻力越小，因而透气率越大。由图7b)可以看出，非织造材料的透气性随着非织造布材料面密度的增大而减小，这是因为面密度增大，纤维间的孔隙减小，非织造材料的厚度增加，透气性减弱。
图7 原料组分与面密度对非织造材料透气性能的影响
3.3 拉伸性能
拒水整理后,不同原料组分与面密度水刺非织造材料的拉伸性能测试结果如图8和图9所示。由图8a)和图9a)可以看出，面密度为50 g/m2的双层复合结构水刺非织造布(试样A2～A5)的纵向断裂强力为25～50 N，横向断裂强力为5～15 N，纵向断裂伸长率为40%～70%，横向断裂伸长率为40%～90%，试样的纵向断裂强力高于横向断裂强力，横向断裂伸长率则大于纵向断裂伸长率。拒水整理后，双层复合水刺非织造材料的断裂强力高于单层黏胶非织造材料，断裂伸长率则相反。这是由于黏胶纤维的单纤维强度略高于竹浆纤维，单纤维断裂伸长率略低于竹浆纤维所致。随着竹浆纤维含量的增加，双层复合水刺非织造材料的断裂强力总体呈下降的趋势，原因是：一方面，竹浆纤维的单纤维强力低于黏胶纤维；
另一方面，竹浆纤维较粗，相同面密度下纤维根数少，纤维缠结程度低，较容易被拉断。由图8b)和图9b)可以看出，随着面密度的增大，双层复合水刺非织造材料的断裂强力增大。
图8 原料组分与面密度对拒水整理后非织造材料断裂强力的影响
图9 原料组分与面密度对拒水整理后非织造材料断裂伸长率的影响
3.4 接触角
接触角(θ)是指在固、液、气三相交界处，自固-液界面经过液体内部到气-液界面之间的夹角，是衡量拒水效果的一个重要指标。当0°<θ<90°时，水能够顺利通过织物形成的毛细管透过织物；
当90°<θ<180°时，毛细管附加压力可阻止水流通过。毛细管附加压力的大小影响水透过速率。毛细管附加压力主要取决于接触角和毛细管半径大小，接触角越大，毛细管半径越小，附加压力越大[9]。双层复合水刺非织造试样A3拒水面的接触角测试结果如图10所示。图11是单层黏胶非织造布试样拒水面的接触角测试结果。在测量非织造材料未拒水整理面的接触角时发现，水滴能在2 s内完成如图12所示的液体穿透过程，完全铺展在非织造材料表层，而拒水整理面的液体则呈水滴状停留在非织造材料表层。这是因为拒水整理剂MT-ECO为疏水性化合物，拒水整理使其疏水性分子基团分布在纤维表面，降低了非织造材料的表面张力，进而提高了材料的疏水性能。
图10 双层复合非织造材料试样A3拒水面的接触角
图11 单层黏胶非织造材料试样拒水面的接触角
图12 液体穿透过程
由图10和图11可以看出，复合非织造布试样拒水面的接触角为约128°，单层黏胶非织造布试样拒水面的接触角为约123°。喷雾拒水整理后，非织造材料拒水面的接触角均大于90°，表明具有拒水效果，且复合非织造布试样拒水面的接触角大于单层黏胶非织造布试样。这可能是因为黏胶纤维较细，纤维集合体中毛细管间隙较大，而竹浆纤维较粗，纤维集合体中毛细管间隙较小，相对于单层黏胶纤维材料，双层复合材料在液体通过时的毛细管间隙较小，而毛细管间隙越小，水的流动阻力越大，水的透过速率越低，表现出较大的接触角。
3.5 孔径
图13为不同原料组分与面密度水刺非织造材料的孔径测试结果对比。非织造材料的孔径直接影响其通透性。由图13a)可以看出，面密度相同时，几种非织造布试样的孔径差异不大，平均孔径为53～55 μm，表明双层复合的结构设计对试样的孔径大小几乎无影响。由图13b)可以看出，随着非织造材料面密度的增大，试样的平均孔径减小，但变化幅度不大。
图13 原料组分与面密度对双层复合水刺非织造材料孔径的影响
3.6 渗透性能
作为卫生巾面层使用时，面层材料的回渗量越小，表层越干爽；
渗入量越大，面层材料的吸收性能越好；
液体穿透时间越短，体液越容易通过面层材料被吸收层吸收。
不同原料组分非织造材料试样拒水整理面和未拒水整理面的液体渗入量、回渗量和液体穿透时间测试结果如图14所示。由图14可得出下述结论。
图14 不同原料组分非织造材料的渗透性能
(1)拒水整理后双层复合非织造材料的拒水整理面液体回渗量低于单层黏胶非织造材料，液体穿透时间高于单层黏胶纤维，渗入量未呈现出明显的规律。双层复合非织造材料拒水整理面液体穿透时间长，原因可能是线密度不同的两种纤维形成的双层复合结构，改变了非织造布内外两侧毛细管间隙的大小，使非织造布内外两侧产生了压力差，进而降低了其透水性。
(2)面密度相同时，黏胶与竹浆纤维质量分数均为50%(试样A3)的非织造材料的回渗量最小，渗入量最大；
其他几种原料组分的复合非织造材料的回渗量基本相同，无显著差异。
(3)非织造材料拒水整理面与未拒水整理面的渗透性能差异较大。试样A1～A5拒水整理面的回渗量为0.400～0.754 g，渗入量为1.180～1.610 g；
未拒水整理面的回渗量为1.094～1.365 g，渗入量为0.860～1.460 g。可见，拒水整理能够阻止液体回渗到表层，赋予非织造材料一定的单向传递功能。原因是拒水整理增大了黏胶纤维表面的接触角，使其表现出疏水性，而非织造材料的竹浆纤维一侧则表现出亲水性，材料两侧因润湿状态的差异而产生较大的润湿梯度力，促使液体由疏水侧转移至吸收材料中而不反向运输，且双层结构中，黏胶纤维较细，竹浆纤维较粗，两侧的差动毛细效应也促进了非织造材料单向传递性能的实现。
(1)面密度为50 g/m2的双层复合非织造材料拒水整理后的纵向断裂强力为25～50 N，横向断裂强力为5～15 N，透气率为2 000～3 500 mm/s。非织造材料拒水整理面的液体回渗量为0.400～0.754 g，渗入量为1.180～1.610 g；
未拒水整理面的液体回渗量为1.094～1.365 g，渗入量为0.860～1.460 g。相对于面密度为50 g/m2的单层黏胶非织造材料，双层复合材料表现出较优的透气性且具有较小的回渗量。这种双层复合结构水刺非织造布作为卫生巾面层材料使用时，可满足基本的应用需求，回渗量远低于标准值，但渗入量有待提高。
(2)拒水整理前后双层复合水刺非织造材料的透气性变化不大。拒水整理后双层复合非织造材料拒水整理面的液体回渗量低于单层黏胶非织造材料，液体穿透时间高于单层黏胶非织造材料，渗入量则未呈现出明显的规律。随着黏胶纤维含量的降低，试样的断裂强力总体呈下降趋势。双层复合的结构设计对试样孔径大小几乎无影响。
(3)非织造材料拒水整理面与未拒水整理面的渗透性能差异较大。黏胶与竹浆纤维的质量分数均为50%的双层复合水刺非织造材料的液体回渗量最小，渗入量最大；
其他几种原料组分的非织造材料的液体回渗量基本相同，无明显差异。
