陈厚翔，杨晓印，王建波，梁红军，蒋 曙，张经瀚

(1. 浙江华峰氨纶股份有限公司，浙江 温州 325200； 2. 浙江省华峰纤维研究院，浙江 温州 325200)

随着国民经济的快速发展和人们消费观念的转变，纸尿裤的穿戴舒适性和多功能性成为高性能纸尿裤的研究热点[1]。因此，开发作业性优异、对皮肤无勒痕、固定作用好且不产生侧漏的高性能纸尿裤用氨纶也成为氨纶改性的主要趋势之一。氨纶作为一种替代传统橡胶制松紧线的弹性材料[2]，具有质地轻、弹性好、耐候性优异等特点，在纸尿裤领域应用前景广阔。

国内外针对纸尿裤用氨纶的研究主要是通过物理改性或者工艺优化达到提高纸尿裤用氨纶的退绕性能和抗蠕变性能[3]，如韩国晓星株式会社在氨纶纺丝原液中添加聚苯乙烯提高抗蠕变性和退绕性[4]；美国英威达公司通过添加改性纤维素来提高退绕性[5]；烟台泰和新材股份有限公司采用半连续聚合工艺制备高黏度原液，在圆形纺丝甬道氮气保护下高速纺丝，采用机械加捻生产综合性能优异的纸尿裤用氨纶[1]。作者采用物理改性与化学改性相结合的方法，化学改性是提高二异氰酸酯含量，物理改性是添加无机纳米粒子和内外部润滑剂，制备了高性能纸尿裤用改性氨纶(HDS)，研究了HDS的结构与性能，并与常规纸尿裤用氨纶(CDS)进行对比，期望对HDS的深入开发提供参考。

1 实验

1.1 原材料

聚四亚甲基醚二醇(PTMG)、乙二胺(EDA)、1,2-丙二胺(PDA)、二乙胺(DEA)：均为德国巴斯夫公司产；4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)：烟台万华化学股份有限公司产；二甲基乙酰胺、二氧化钛、油酸酰胺、水滑石和硬脂酸镁：均为浙江华峰氨纶股份有限公司提供。

1.2 主要仪器

Nicolet iS10傅立叶变换红外光谱仪:美国Thermo Fisher公司制；JSM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜(SEM)：日本电子株式会社制；CMT6201型万能试验机：美国MTS系统公司制；CTT-E型多功能动态纱线测试仪：美国Lawson-Hemphill公司制。

1.3 纸尿裤用氨纶的制备

将20 kg PTMG与4.839 kg MDI在39.173 kg的DMAC中于50 °C条件下反应2 h，得到异氰酸根指数为1.75的预聚物，冷却至12 °C；然后在搅拌条件下加入0.375 kg EDA、0.116 kg PDA、0.071 kg DEA和9.746 kg DMAC的混合胺溶液进行扩链反应；最后加入功能助剂包括0.089 kg硬脂酸镁、0.089 kg油酸酰胺、0.254 kg二氧化钛、0.508 kg水滑石，搅拌混合均匀，并经熟化后得固含量为35%的纺丝原液；将上述纺丝原液通过喷丝板在高温甬道内干法纺丝制得线密度为620 dtex的HDS。

采取同样的方法制备线密度为620 dtex的CDS。但在制备CDS时，预聚物的异氰酸根指数为1.62，纤维中二氧化钛质量分数为0.15%，硬脂酸镁质量分数为0.5%，水滑石含量为0。

1.4 分析与测试

红外光谱(FTIR)：分别将2种纸尿裤用氨纶用石油醚萃取后，自然风干，采用Nicolet iS10傅立叶变换红外光谱仪分析其化学结构。

表面形态：采用SEM观察2种纸尿裤用氨纶的表面形貌。

抗蠕变性(即氨纶通过胶水与无纺布的粘合牢固性)：采用氨纶的回缩率(S)表征其抗蠕变性，S较低表示抗蠕变性较好。将粘有氨纶的非织造布拉直后固定在平板上，量取长度(L1)，切断内部氨纶两端，同时在其两端和对应平板上做上标记，于40 °C烘箱中放置4 h后量取标记处氨纶回缩后的长度(L2)，按式(1)计算S。

S=(L1-L2)/L1×100%

(1)

退绕性能：采用多功能动态纱线测试仪进行检测，记录氨纶丝与卷装发生粘连时的输出速度与输入速度，以输出速度与输入速度的比值(R)来表征纤维的退绕性，R越小，表示氨纶丝卷的退绕性越好[6]。

弹性回复率(E)：将长度为L0的氨纶经CMT6201型万能试验机以500 mm/min速度拉伸至长度为L1，然后再回复至初始位置处，如此往复循环5次，记录氨纶丝松弛后的长度L2，氨纶的E按式(2)计算。

E= (L1-L2)/ (L1-L0)×100%

(2)

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

采用红外光谱分析纸尿裤用氨纶的化学结构特征，纸尿裤用氨纶的FTIR见图1，氨纶分子结构中部分红外吸收峰的归属见表1。从图1和表1可以看出，1 730，1 703，1 637，1 596，1 538 cm-1处吸收峰分别对应游离氨基甲酸酯中CO、氢键化氨基甲酸酯中CO、氢键化脲基中CO、苯环骨架CC以及酰胺Ⅱ带，这些吸收峰均反映的是聚氨酯硬段结构特征，由于HDS中这些吸收峰的强度均高于CDS，说明HDS中含有更多的硬段，且HDS的氢键化水平更高，这从FTIR中氢键化的氨基甲酸酯和脲基的CO吸收峰强度可以证明，这主要是因为HDS可提供更多的脲基供体(N—H)和受体(CO)参与形成氢键[7]，从而可以达到更优的微相分离程度，获得更好的性能。

图1 纸尿裤用氨纶的FTIR图谱Fig.1 FTIR spectra of spandex for diapers1—HDS；2—CDS

表1 纸尿裤用氨纶的FTIR中部分谱峰归属Tab.1 Peak assignment of FTIR spectrum of spandex for diapers

2.2 表面形貌

从图2所示的HDS和CDS纵向形态结构的SEM照片可以看出，相比CDS，HDS的表面有大量颗粒状凸起。这主要是由于HDS中增加了无机纳米粒子二氧化钛和水滑石的含量，其中二氧化钛质量分数达到1.0%，水滑石质量分数达到2.0%，而CDS中仅含有质量分数0.15%的二氧化钛。无机纳米粒子一方面具有较大的比表面积，增加了热熔胶与纤维的接触面积，并可显著提高纤维的表面粗糙度；另一方面其表面富含大量羟基，会产生显著的界面效应，改善纤维与热熔胶之间的黏结惰性，最终使得纤维在热熔胶的作用下更牢固的黏结在无纺布上。

2.3 抗蠕变性

在纸尿裤领域，氨纶的抗蠕变性反映的是氨纶通过热熔胶与无纺布结合的牢固程度，若氨纶在无纺布上不发生滑移，则认为抗蠕变性好，即回缩小，S较低，氨纶的固定作用得以发挥，纸尿裤的形态才能维持正常[2]。从表2可知，HDS的S为2.6%，而CDS的S为9.8%，HDS较低的S显示出纤维更好的抗蠕变性，这对于保证氨纶在纸尿裤中发挥弹性功能具有重要意义，还能够确保在较少的热熔胶用量下达到优异的黏合性，提高纸尿裤的舒适性和经济环保性。

表2 纸尿裤用氨纶的抗蠕变性Tab.2 Creep resistance of spandex for diapers

2.4 退绕性能

从表3可以看出，HDS丝卷的表层、中层和里层的退绕性均比CDS要好，而且其表层、中层、里层相互之间的退绕性差异也更小。HDS表层的R为1.20、里层的R为1.30，而CDS表层的R为1.25、里层的R为1.80。因此，HDS的退绕过程更加均匀顺畅，这主要是由于HDS中内部润滑剂油酸酰胺与外部润滑剂硬脂酸镁协同作用的结果[8]，一方面在经过高温甬道的过程中，纺丝原液中外部润滑剂会发生迁移，进而在固化的纤维表面间形成润滑膜，保证了隔离性；另一方面内部润滑剂降低了聚氨酯分子链间的运动摩擦热，并减弱剪切力对润滑膜的破坏，而CDS仅含外部润滑剂，这种综合作用避免了仅含有外部润滑剂的CDS因高温、长期放置等过程引起卷装丝线与丝线之间的发黏现象。

表3 纸尿裤用氨纶的退绕性Tab.3 Unwinding property of spandex for diapers

2.5 弹性回复性能

纤维的E高，则纤维的弹性好，变形恢复的能力强。氨纶在经过反复拉伸后，残余形变低，弹性回复性能好，从而保证纸尿裤中氨纶在穿戴时的固定作用。E主要受硬段位移取向、软段应变诱导结晶与软段推迟高弹形变的影响，其中硬段位移取向对E的影响具有不可逆性，而其他两者的影响是可逆的[9]。将纸尿裤用氨纶经万能试验机以500 mm/min速度拉伸，然后再回复至初始位置处，如此往复循环5次，其分析结果见表4。从表4可看出：HDS第5次去负荷时的残余伸长更小，最终残余伸长为7.03 cm，E为92.97%；而CDS第5次去负荷时的最终残余伸长为10.92 cm，E为89.08%。因此，HDS具有更加优异的弹性回复性能，这主要是由于HDS的硬段结晶度更高，硬段微区更加稳固，硬段发生位移取向的可能性更低。

表4 纸尿裤用氨纶的弹性回复性能Tab.4 Resilience of spandex for diapers

3 结论

a. 相比CDS， HDS的分子结构中具有更高的硬段含量和更高的氢键化水平，可以达到更优的微相分离程度，获得更好的性能。

b. 通过添加无机纳米粒子二氧化钛和水滑石进行物理改性，HDS的表面含有大量的纳米颗粒状凸起，起到提高抗蠕变性的作用，HDS的S为2.6%，CDS的S为9.8%，HDS显示出更优异的抗蠕变性。

c. 内外部润滑剂的协同改性能显著改善纸尿裤用氨纶的退绕性，HDS的表层、中层和里层的退绕性均优于CDS，整体退绕性差异更小，退绕过程更加均匀顺畅。

d. HDS的E为92.97%，而CDS的E为89.08%，HDS具有更加优异的弹性回复性能。