王 敏， 韩 建，2， 于 斌，2， 朱斐超， SOLITARIO Nesti， 宋卫民

(1. 浙江理工大学 材料与纺织学院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室， 浙江 杭州 310018； 3. 意大利未来纺织工业研究院， 意大利 普拉托；4. 廊坊中纺新元无纺材料有限公司， 河北 廊坊 065000)

双组分橘瓣型纺粘水刺材料的过滤和力学性能

王 敏1， 韩 建1，2， 于 斌1，2， 朱斐超1， SOLITARIO Nesti3， 宋卫民4

(1. 浙江理工大学 材料与纺织学院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室， 浙江 杭州 310018； 3. 意大利未来纺织工业研究院， 意大利 普拉托；4. 廊坊中纺新元无纺材料有限公司， 河北 廊坊 065000)

为获得过滤和力学综合性能优异的双组分橘瓣型纺粘水刺材料，采用单因素试验方法研究了纤网面密度对纺粘水刺非织造材料孔径、过滤性能、拉伸性能以及撕裂性能的影响，并对其结构形貌进行观察分析。结果表明:双组分纤维呈中空橘瓣状，纺粘水刺材料表面纤维大部分裂离为超细纤维，中间层纤维基本为完整的中空结构；纺粘水刺材料的平均孔径为7～10 μm，且随着纤网面密度的增大而逐渐减小，过滤效率对应提高；纤网面密度对纺粘水刺材料的纵横向拉伸强力、断裂伸长率和撕裂强力影响显著，随着纤网面密度的提高，上述力学性能指标均逐渐增大，但受到铺网加工方式影响，纺粘水刺材料的纵横向力学性能差异仍较大。

双组分纤维； 纺粘水刺布； 过滤性能； 力学性能

双组分纺粘水刺技术是将2种高聚物通过一定方式熔融，并同时从喷丝组件挤出形成的双组分纤维，再通过水刺工序对双组分纤维网进行开纤和加固最终形成超细纤维非织造材料的技术[1-2]。采用该技术制备的非织造材料是一种新型特殊纤维材料，融合了纺粘非织造材料和水刺非织造材料的优点和技术优势。普通纤维单纤线密度一般在2.2～3.3 dtex，而双组分非织造材料经水刺开纤后线密度可达到0.08 dtex，并形成特殊的三维立体结构，纤维比表面积增大、结构更致密，其吸湿性和透气性更好[3]。因此，双组分中空桔瓣型超细纤维纺粘水刺非织造材料可广泛地应用于高级擦拭布、高级过滤材料、高级人造革和高级床上用品等领域[4-6]。

国内外对双组分纺粘水刺非织造材料进行了研究，主要集中于加工工艺和产品的力学、过滤性能方面。如刘亚等[7]通过纺粘法制备了可裂离聚酰胺6/聚酯(PA6/PET)双组分纤维，研究了聚酯和聚酰胺切片的基本特性和纺粘工艺参数对纤维性能的影响，发现纺丝熔体压力和温度对纤维截面结构有显著影响，当聚酯和聚酰胺在喷丝孔汇聚，若二者的熔体压力不相匹配，将获得异形截面纤维。钱晓明等[8]以邻苯二甲酸二辛脂颗粒为介质研究了纺粘水刺超细纤维非织造材料的空气过滤性能，测试了非织造材料过滤器的纤维细度和孔径分布，发现超细纤维非织造材料的过滤效率和过滤阻力随其面密度的增加而增大，这也与典型纤维过滤介质的过滤性能相符合。靳向煜等[9]研究了分裂型超细纤维水刺布的力学性能，发现在外界机械力作用下，分裂型超细纤维水刺非织造材料中的纤维会进一步开纤，在改善其开纤的同时，各项力学性能变化不太。有学者[10]利用空气铺网和水刺制备了超细纤维非织造材料，发现超细纤维非织造与相同工艺纯涤纶非织造材料相比其具有更高的拉伸强力和较低的断裂伸长，以及更高的吸水率。

本文主要研究纤网面密度对纺粘水刺非织造材料表面形貌、孔径大小、过滤性能、拉伸性能和撕裂性能的影响，以期为纺粘水刺非织造材料的生产及其在各领域的应用提供一定的理论依据。

1 实验部分

1.1 原 料

聚酯(PET)切片由中国石油化工股份有限公司提供，特性黏度为0.65 dL/g，密度为1.34 g/cm3；聚酰胺6(PA6)切片由浙江龙诚化纤有限公司提供，特性黏度为2.4 dL/g，密度为1.15 g/cm3。

1.2 样品的制备

将干燥后的PET和PA6切片分别喂入各自双螺杆挤出机进料口中，熔体经过滤和计量后进入复合纺丝组件并从喷丝孔挤出，初生纤维经侧吹风冷却和管式牵伸形成双组分牵伸丝，双组分纤维中PET/PA6的体积比为70∶30；牵伸丝通过直接铺网在输网帘上形成纺粘纤网，最后经多道水刺开纤和加固形成非织造材料，其生产过程如图1所示。通过控制输网帘速度，制备了面密度分别为48、60、80、100、130、170、220 g/m2的非织造材料。

图1 双组分纺粘水刺非织造材料生产过程

1.3 测试与表征

1.3.1 形貌观察

通过JSM-5610LV型扫描电子显微镜观察非织造材料表面和截面形貌，测试前对样品进行镀金处理，加速电压为4 kV。

1.3.2 孔径测试

采用德国PSM165孔径仪，按照ASTM F316《通过起泡点和平均流动孔试验描述膜过滤器的孔大小特征的标准试验方法》对非织造材料的孔径进行测试。

1.3.3 过滤性能测试

采用国产LZC-H 型滤料综合性能测试台对非织造材料的过滤性能进行测试，测试用气溶胶粒径为0.3 μm。

1.3.4 拉伸性能测试

采用Instron 3369型电子万能材料试验机，根据GB/T 24218.3—2010《非织造布断裂强力和断裂伸长率的测定》测试非织造材料的横纵向拉伸性能，试样尺寸为30 cm×5 cm，夹持距离为20 cm，拉伸速度为100 mm/min，每种非织造材料测试5块样品取其平均值。

1.3.5 撕裂性能测试

采用Instron 3369型电子万能材料实验机，根据GB/T 3917.2—2009《裤型试样(单缝)撕破强力的测定》测试非织造材料的撕裂性能，试样尺寸为20 cm×5 cm，夹持隔距为10 cm，拉伸速度为100 mm/min，每种非织造材料测试5块样品取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 形貌特征

双组分纤维及非织造材料的形貌特征如图2

所示。由图2(a)可知双组分纤维开纤前比较平直规整；从图2(b)可以清晰地看到纤维呈中空橘瓣状，并由8瓣PET和8瓣PA6相间排列构成，2种组分之间界面鲜明，这说明2种聚合物不相容，通过水刺可将其裂离为纤度更小的扇形截面纤维；从图2(c)可以看出纤网表面经水刺后大部分纤维已分裂为超细纤维，只有少量纤维保持完整的双组分结构；由于水刺能量主要作用于纤维表面，所以从图2(d)可以观察到非织造材料中间层纤维大部分未裂离，保持完整的中空橘瓣形状。

2.2 孔 径

双组分超细纤维非织造材料是一种典型的多孔过滤材料，而其孔径的大小及分布对它的过滤性能有很大的影响。不同面密度的非织造材料的平均孔径如3所示。可以看出，随着非织造材料面密度的增大，其最大孔径和平均孔径呈逐渐减小的趋势。当面密度为48 g/m2时，水刺布的最大孔径和平均孔径值分别为45.8 μm和10.3 μm，而当面密度为220 g/m2时，其最大孔径和平均孔径分别为18.5 μm和7.3 μm。随着纤网面密度的增大，单位面积的纤维数量增加，纤维之间变得更加紧密，导致纤网最大孔径和平均孔径减小。当纤网面密度超过130 g/m2时，最大孔径和平均孔径的变化趋势逐渐减小。

图2 双组分纤维和非织造材料形貌

图3 非织造材料孔径与面密度的关系

2.3 过滤性能

过滤效率和过滤阻力是衡量非织造材料过滤性能2个最重要的指标。不同面密度非织造材料的过滤性能如图4所示。面密度为48 g/m2的材料过滤阻力最小，与此同时其过滤效率也最低，分别为8.12 Pa和23.51%。随着非织造材料面密度的增大，其过滤效率和过滤阻力逐渐增大。当材料的面密度达到220 g/m2时，其过滤效率和过滤阻力分别提高到74.12%和48.52 Pa。非织造材料的过滤性能与其孔径的大小是密切相关的，由图3可知，面密度为220 g/m2的非织造材料的平均孔径为7.3 μm，而面密度为48 g/m2的非织造材料的平均孔径为10.3 μm。从另一方面考虑，非织造材料面密度越大，单位面积的纤维根数越多，气凝胶粒子更容易被捕获，过滤效率提高，但气体介质通过非织造材料的阻力也相应增大，导致其过滤阻力增大。

图4 非织造材料过滤性能与面密度的关系

2.4 拉伸力学性能

纺粘水剌非织造材料受到外力拉伸时,主要表现为纤维之间的滑移,纤维受力会逐渐伸直,由于纤维之间的相互缠结,纤维的伸直会受到周围纤维的阻碍，若纤维间的缠结程度能够产生足够的压力以握持这根纤维,则产生纤维自锁现象[11]。图5、6示出不同面密度纺粘水刺非织造材料的拉伸力学性能。可以看出：随着纤网面密度的增大，非织造材料的纵横向强力均近似呈线性增加；对应断裂伸长率也逐渐增大，但增加趋势随着面密度的逐渐增大而放缓。同样面密度的纺粘水刺非织造材料，其纵向断裂强力大于横向，但纵向断裂伸长率小于横向。这是由于本文研究所用的纺粘水刺非织造材料在生产过程中采用直接铺网的成网方式，纤维大多数沿着纵向(机器方向)取向排列导致(如图7中纺粘水刺材料的纤维分布所示)，当非织造材料纵向受到拉伸时，纤维之间互相挤压，从而增强了纤维之间的抱合和自锁，阻碍部分纤维的顺利拉伸；而当非织造材料横向受到拉伸时，由于外力方向垂直于纤维轴向，使纤维间具有较大的滑移距离和较小的抱合力，从而使得横向伸长率比纵向伸长率大，横向断裂强力比纵向断裂强力小[12]。

图5 非织造材料断裂强力与面密度的关系

图6 非织造材料断裂伸长率与面密度的关系

图7 显微镜下非织造材料的表面形态

2.5 撕裂强力

图8示出不同面密度纺粘水刺材料的撕裂性能。可以发现，当面密度增大时，非织造材料横纵向撕裂强力均不断增加。

图8 非织造材料撕裂强力与面密度的关系

纺粘水刺非织造材料的横向撕裂强力大于其纵向撕裂强力，这与非织造材料的直接铺网方式有关。本文实验采用单缝撕裂法，单缝撕破时，断裂的纤维是非受拉系统的纤维。当纵向拉伸时，沿横向的纤维断裂；当横向拉伸时，沿纵向的纤维断裂。从图7可以看出，纺粘水刺非织造材料中沿纵向排列的纤维比沿横向排列的纤维更多，所以导致横向撕裂强力大于纵向撕裂强力。

3 结 论

1) 纺粘水刺非织造材料用双组分纤维呈中空橘瓣状，由8瓣PET和8瓣PA6相间排列构成；纺粘水刺材料表面纤维大部分裂离为超细纤维，中间层纤维基本为完整的中空结构。

2)随着纤网面密度的增大，纺粘水刺非织造材料的最大孔径和平均孔径均减小，过滤阻力增大，过滤效率提高。

3) 随着纤网面密度的增大，纺粘水刺非织造材料的纵横向拉伸强力、断裂伸长率和撕裂强力均逐渐增大，但受到铺网加工方式的影响，纺粘水刺材料的纵横向力学性能差异仍较大。

FZXB

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Filtration and mechanical performance of orange petal shape bicomponent spunbond-spunlace nonwoven materials

WANG Min1， HAN Jian1,2， YU Bin1,2， ZHU Feichao1， SOLITARIO Nesti3， SONG Weimin4

(1.CollegeofMaterialsandTextiles，ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.KeyLaboratoryofIndustrialTextileMaterialsandManufacturingTechnology,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 3.NextTechnologyTecnotessile,Prato,Italy; 4.LangfangChinatexXinyuanNonwovensCo.,Ltd.,Langfang,Hebei065000,China)

In order to achieve orange petal shape bicomponent spunbond-spunlace nonwovens with excellent comprehensive filtration and mechanical properties, single factor experiment was adopted to investigate the influence of fiber web density on pore size, filter performance, tensile properties and tear properties of the bicomponent nonwovens, the surface and cross-section morphologies of bicomponent fibers and spunbond-spunlace nonwovens were also observed. The results show that the cross-section morphologies of bi-component fibers was orange petal shape, and the fibers in surface of nonwovens were mostly split into superfine fibers, while the intermediate fibers kept complete hollow structure. The mean pore size of bicomponent spunbond-spunlace nonwovens was between 7 and 10 μm and decreased with increase of web density, and the filtration efficiency increased correspondingly. The web density had remarkable influence on the longitudinal and lateral tensile, elongation and tearing properties of bicomponent spunbond-spunlace nonwovens. With the increase of the web density, the above mechanical properties were all enhanced, but these properties also existed difference between longitudinal and lateral directions due to the web processing method.

bicomponent fiber; spunlace nonwoven; filtration property; mechanical property

10.13475/j.fzxb.20150907105

2015-09-29

2016-05-23

国家国际科技合作计划(2014DFG52520)；浙江理工大学521人才计划(2014DFG52520)

王敏(1989— )，男，硕士生。研究方向为产业用纺织材料。韩建，通信作者，E-mail：hanjian8@zstu.edu.cn。

TS 176

A