ＳＥＭ在人工皮革結構解析與生產控制中的應用

張大省　花　卉

本文主要利用掃描電子顯微鏡對人工皮革的結構進行了解析,這對于新品種的研究開發、生產過程的調整與控制、產品品質的評價以及未知樣品結構與性能的了解等都具有一定的實際意義。

This article mainly introduced the application of SEM on analyzing structure of man-made leather, which is of practical significance for new product development and its production control, product assessment and understanding the structure and properties of unknown products, etc.

新品種的研究開發,生產過程的控制,產品品質的優劣,未知樣品的結構與性能等,都應當利用相應的分析儀器進行監控與分析。利用所得知的信息,不僅可以了解產品的結構與性能,還能進一步地采取措施,完善新品開發,調整生產過程中的工藝控制,改進產品品質;而對未知產品的正確剖析和了解,則能提供其基本結構與大體的生產方法。本文主要以實例介紹掃描電子顯微鏡(SEM)在解析人工皮革結構中的應用。

1人工皮革的形態結構解析

人工皮革是以纖維集合體為增強材料,以高分子粘合劑為基體,將粘合劑涂敷于纖維集合體表面或浸漬于纖維集合體內部構成的復合材料。隨著科學技術的進步和市場需求的發展,纖維增強材料由以往的棉纖維改進為合成纖維,由線密度較粗的纖維發展到超細纖維;纖維的集合體也由較早的僅用機織物、針織物,增加了非織造布品種;而作為基體材料的粘合劑,又分為聚氯乙烯(PVC)和聚氨酯(PU)兩類;纖維集合體之一的超細纖維材料可通過共混紡絲法或復合紡絲法制得;人工皮革有光面和絨面之別。人工皮革形態的微細構造僅用手指的觸摸或眼觀是難以準確與清晰判斷的,必須借助于近代分析儀器的手段給予準確解析。

1.1未知樣品的結構解析

1.1.1未知絨布樣品A

從市場中尋得雙面起絨結構人造皮革樣品A,使用SEM對其作形態結構分析,同時用差示掃描量熱儀(DSC)作熱性能分析。SEM照片如圖 1 所示。

由圖 1 所示的SEM照片可得到如下信息。

(1)該人工皮革以由一簇簇纖維構成的非織造布為增強材料,并被作為基體材料的粘合劑所包覆。

(2)單纖維為直徑 5 μm左右的圓形纖維,計算知其線密度約為 0.3 ～ 0.4 dtex,且每根單纖維直徑基本相同。推斷是由海 – 島型復合紡絲法(俗稱定島法)制得的超細纖維,構成復合纖維的每簇纖維束由 24 個島組成。作為超纖革,通常機體材料可能采用PU膠,若要詳知確切的化學結構尚需做紅外光譜等分析。

(3)由圖 1 中的束狀超細纖維與PU膠之間的間隙可推斷,人工革的生產可能是采用將上述非織造布先浸PVA,再浸PU膠的工藝。抽出過程中去除PVA后,在纖維束與PU膠之間形成空隙,該間隙為人工皮革提供了彈性和透氣性。從人工皮革內PU膠的形態及分布可知,采用的是浸膠工藝,不是涂層工藝,但是浸膠量不大,且未見PU膠上有明顯空洞。若想了解浸膠量,可采用二甲基甲酰胺(DMF)等溶劑將人工皮革中的PU膠萃取出,測得減量率即為浸膠量。雖可測得PU的分子量,但很難確認PU膠的模量。

圖 1 顯示出人工皮革樣品A為雙面起絨結構。DSC熱分析結果表明,纖維材料的熔點為 256 ℃,推斷纖維集合體材料應是PET(進一步確認可通過紅外光譜分析判斷);樣品所用PU膠的熔點為 158 ℃。

1.1.2未知絨布樣品B

某公司提供的一塊雙面磨毛絨布,其SEM分析結果如圖 2 所示。

由圖 2 可知,該絨布正、反表面是由圓形截面、直徑大約為 3 μm的超細纖維長絲構成,其中一側的纖維呈連續狀,另一側有斷裂短纖狀,應是磨毛加工所致;通過觀察,該織物為雙層結構的機織物,SEM照片中可明顯看到絨布樣品的側向截面中一束束由直徑約 15 μm(約 2 dtex)單纖維構成的復絲形成了經紗,超細纖維形成緯紗;由正面和側向截面放大圖可以觀察到,超細纖維間有零散的粘結點,量很少,疑是PU膠,但不像是采用浸漬或涂敷方式上膠的,很可能是采用粉點式熱熔膠粘合機熱壓而成。對該樣品作DSC分析,結果顯示:254.89 ℃的吸熱峰對應的是構成織物纖維的熔融峰,可認為是聚酯纖維;而 161.08 ℃的吸熱峰對應的是PU膠的熔融峰,其峰面積很小,恰與SEM的觀察結果相一致。若想進一步確認構成該人工皮革纖維材料的化學結構,還應進行紅外分析。

1.1.3未知人工皮革樣品C

樣品C的SEM照片如圖 3 所示。由圖 3 可知,該樣品為單面起絨結構,構成皮革增強材料的纖維為圓形,直徑均勻,約為 2 μm(0.05 dtex左右),應當是由海島型復合紡絲法制得,每根復合纖維由 37 個島組成,在人工皮革內部尚含有較多的未能完全剝離的復合纖維,纖維束間有極少量采用浸漬工藝賦予的膠。

1.1.4單面涂層人工皮革D

樣品D的SEM照片如圖 4 所示。該人工皮革的一側為涂膠層,另一側表現出針織物結構的形態;而構成針織物的紗線是由單纖直徑為 15 μm(1.5 dtex)的復絲和單纖直徑為2 μm(0.05 dtex)的超細纖維合股構成,使織物具有柔中有剛的風格。

1.2人工皮革的典型形態結構

圖 5 是光面型(圖 5(a))和絨面型(圖 5(b))人工皮革的形態結構。圖 6 是不同方法生產的超細纖維構成的人工皮革的形態結構。

2SEM在生產工藝控制中的應用

2.1超細纖維生產過程的控制

使用電子顯微鏡觀察超細纖維生產過程中不同階段的半成品,通過纖維或人工皮革樣品的結構可以推斷出生產過程中存在的問題,幫助提出解決方案。

圖 7 是共混紡絲法生產超細纖維時初生纖維的縱向結構。圖 7(a)中共混纖維的分散相已被拉長變細,并沿纖維軸向取向,有利于制得超細纖維。圖 7(b)中纖維的分散相呈橢圓球狀,未能拉長變細,在其后的初生纖維后拉伸過程中很易發生斷頭和毛絲,最終很難形成超細纖維。

相容劑的不同添加量(0、2%、5%)對分散相尺寸及其均勻性也有一定的影響。如PA6/PE共混紡絲,未添加相容劑時,分散相尺寸很大且很不均勻,分散相PA6與連續相PE間呈現較大的間隙;相容劑添加量為 2% 時,分散相尺寸細化且均勻,分散相PA6與連續相PE間有明顯的界面存在;而當添加量為 5% 時,分散相尺寸雖然細化且均勻,但分散相PA6與連續相PE間界面模糊且不規整。經用二甲苯溶除連續相組分PE后,發現未添加相容劑時得到的PA6纖維較粗,且粗細不勻;相容劑用量為 2% 時,纖維細化且均勻;而用量為 5% 時,已經難于剝離成超細纖維。

圖 8 是共混型海島纖維試樣中發現的在“海”組分中有“島”組分,而在“島”組分中也有“海”組分的所謂互為海島結構(即A in B in A結構),這一結構的形成將會影響人工皮革的最終性能。其形成是由于共混兩組分的組成比例不佳或紡絲工藝條件下兩組分的熔體粘度比不適。

2.2人工皮革生產過程的控制

以共混型海島纖維為增強材料的人工皮革的結構如 圖 9 所示,在被剝離的束狀超細纖維的周圍包覆著PU膠,在PU膠與超細纖維束之間往往有間隙間隔,如圖 9(a)所示,圖 9(b)的PU膠與超細纖維束之間未見間隙;在PU膠上可見到許多細小的空洞。上述的間隙和空洞是生產過程中控制形成的,它們為人工皮革提供了良好的彈性和透氣性。

圖 10 是人工皮革中PU膠的結構放大圖,圖 10(a)清晰可見PU膠上細小而量多的微孔均勻分散于PU膠上,而圖 10(b)的PU膠上鮮有微孔存在。微孔的有無與多寡與凝固過程的工藝和成孔劑的添加有關。

3結語

本文僅以人工皮革為實例,應用掃描電鏡和其他測試儀器對其生產過程中纖維、人工皮革半成品及成品進行了分析討論,分析結果可為制定合理的生產工藝提供重要依據。