熱軋粘合工藝參數(shù)對非織造材料力學(xué)性能的影響

王孝鋒，侯大寅，徐珍珍，汪 浩，楊 莉

熱軋粘合工藝參數(shù)對非織造材料力學(xué)性能的影響

王孝鋒，侯大寅，徐珍珍，汪 浩，楊 莉*

（安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

采用正交試驗(yàn)法綜合分析熱軋粘合方式與工藝參數(shù)對非織造材料力學(xué)性能的影響，以熱熔膠含量、纖網(wǎng)密度、熱軋壓力、熱軋時間為影響因素，討論采用同種熱軋粘合方式時，纖網(wǎng)密度與熱軋工藝參數(shù)對非織造材料力學(xué)性能的影響，并進(jìn)一步比較不同熱軋粘合方式下非織造材料力學(xué)性能的差異性。結(jié)果表明：表面粘合非織造材料的斷裂強(qiáng)力與頂破強(qiáng)力隨著纖網(wǎng)密度的增加而增大，隨著熱軋壓力與熱軋時間的增加先增后減，斷裂強(qiáng)力隨著熱熔膠含量的增加而增加，但頂破強(qiáng)力先增后減；面粘合非織造材料的斷裂強(qiáng)力與頂破強(qiáng)力隨著纖網(wǎng)密度的增加而逐漸增大，隨著熱軋壓力的增加而逐漸減小，斷裂強(qiáng)力隨著熱熔膠含量的增加而增大，隨著熱軋時間的延長而逐漸減小，頂破強(qiáng)力隨著熱熔膠含量的增加先增后減，隨著熱軋時間的延長而逐漸增大；并在相同的工藝參數(shù)下，表面粘合非織造材料的力學(xué)性能要優(yōu)于面粘合。

熱軋粘合；工藝參數(shù)；纖網(wǎng)密度；力學(xué)性能；影響

熱粘合是非織造織物生產(chǎn)中一種很重要的加固方法，此方法具有生產(chǎn)過程簡單、速度快、無三廢問題、產(chǎn)品性能變化多樣、安全等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嬰兒尿布、衛(wèi)生巾面料、過濾材料、高檔服裝襯等領(lǐng)域[1-4]。而熱軋粘合又是熱粘合加固方式中一種重要的方式，此方式雖然加工工藝簡單，但工藝過程相對復(fù)雜。當(dāng)纖網(wǎng)進(jìn)入鉗口區(qū)后就會發(fā)生一系列的變化，如纖網(wǎng)被壓緊加熱、纖網(wǎng)產(chǎn)生形變、部分纖維熔融、熔融的高分子聚合物流動以及冷卻成型等等。為了得到性能優(yōu)異的非織造材料，已有學(xué)者對熱軋粘合的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，如張月慶等人[5]經(jīng)過試驗(yàn)得到，隨著軋棍壓力的升高非織造材料橫向斷裂強(qiáng)度線性增加，且熱軋壓力對非織造材料的強(qiáng)力影響小于熱軋溫度和線速度；Mueller等人[6]研究發(fā)現(xiàn)粘合溫度達(dá)到纖維熔點(diǎn)時非織造材料強(qiáng)度增加幅度變大；Bechter等人[7]通過實(shí)驗(yàn)分別分析了熱軋速度、溫度、壓力與非織造材料強(qiáng)度之間的關(guān)系。但是他們均是采用單因素法分析了各個參數(shù)對非織造材料性能的影響，基于此，本文采用正交試驗(yàn)法，綜合分析熱軋粘合方式及工藝參數(shù)對非織造材料力學(xué)性能的影響，并利用極差、方差分析法探究工藝參數(shù)對非織造材料力學(xué)性能的影響程度及顯著性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)原料：40g/m2、100g/m2和140g/m2三種經(jīng)過預(yù)針刺的純殼聚糖非織造布；熱熔膠粉末（粒徑為40-100目，主要成分是乙烯-醋酸乙烯共聚物，熔點(diǎn)為96℃）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：平板硫化機(jī)（QLB-25T，湖州橡膠機(jī)械有限公司）；電子天平（上海天平儀器技術(shù)有限公司）；YG026H型電子織物強(qiáng)力機(jī)（大榮紡織有限公司）。

1.2 試樣制備

熱軋粘合是利用一對或兩對加熱鋼輥或包有其他材料的鋼棍對纖網(wǎng)進(jìn)行加熱加壓，導(dǎo)致纖網(wǎng)中部分纖維熔融、流動、擴(kuò)散而產(chǎn)生粘結(jié)，冷卻后使纖網(wǎng)得到加固，尺寸結(jié)構(gòu)變得更穩(wěn)定的一種工藝[8]。因此本實(shí)驗(yàn)利用平板硫化機(jī)模擬纖網(wǎng)進(jìn)入鉗口區(qū)受壓加熱得到加固的過程，制備非織造材料。影響熱軋粘合工藝的參數(shù)主要有熱壓輥的溫度、線速度、壓力、纖網(wǎng)密度、熱熔膠含量、熱軋時間、粘合方式等，并且隨著熱軋壓力的提高，改善了軋輥與纖維間接觸熱量的傳遞，粘合效果好[9]。但是由于Clapeyron效應(yīng)的存在，使得高聚物受壓時熔融所需的熱量遠(yuǎn)比常壓下多，因此要合理的選擇溫度與壓力。故本文利用正交試驗(yàn)法，分別以熱熔膠含量、纖網(wǎng)密度、熱軋壓力、熱軋時間為影響因素，討論熱軋粘合方式（表面粘合與面粘合）及工藝參數(shù)對非織造材料力學(xué)性能的影響，根據(jù)熱熔膠熔融溫度和聚丙烯纖維網(wǎng)熔點(diǎn)確定熱熔溫度為130℃，不考慮交互作用，因子水平見表1。

1.3 材料性能測試

1.3.1 材料拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GB/3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能測定》，采用YG026H型電子織物強(qiáng)力機(jī)對非織造材料的拉伸性能進(jìn)行測試。試樣尺寸為250mm×50mm，夾持長度為200mm，拉伸速度設(shè)為20mm/min，每組測試5個試樣，取其平均值。

1.3.2 材料的頂破性能測定

根據(jù)GB/19976—2005《紡織品織物頂破性能測定》，采用YG026H型電子織物強(qiáng)力機(jī)對非織造材料的頂破性能進(jìn)行測試。夾布圓環(huán)內(nèi)徑為2.5cm，彈子直徑為2cm，試驗(yàn)機(jī)下降速度為100mm/min，試樣直徑為6cm，每組測試5個試樣，取其平均值。

表1 因子水平

2 結(jié)果分析

2.1 對表面粘合非織造材料性能的影響

表2 表面粘合非織造材料的拉伸斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力及其極差分析

注：表中的每個因子ki(i= 1,2,3)是該因子第i水平的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值；Ri為該因子試驗(yàn)指標(biāo)的極差值，下同。

表面粘合是熱軋機(jī)采用兩個光輥工作，使纖維在交叉點(diǎn)處發(fā)生粘合。表2為表面粘合非織造材料的拉伸斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力及其極差分析。由極差分析可知：纖網(wǎng)密度對非織造材料的斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力的影響最大，并隨著纖網(wǎng)密度的增加而逐漸增大，這是因?yàn)槔w網(wǎng)密度的增加，使得非織造材料單位面積內(nèi)纖維根數(shù)增加，而在力學(xué)性能測試中，單位面積內(nèi)纖維根數(shù)越多，承受的外力就越大[10]。在所選的熱軋工藝參數(shù)中，熱軋壓力對非織造材料的斷裂強(qiáng)力影響最大，其次是熱熔膠含量，熱軋時間影響最?。欢鴮斊茝?qiáng)力影響最大的是熱熔膠含量，其次是熱軋壓力，影響最小的是熱軋時間。且通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著熱熔膠含量的增加斷裂強(qiáng)力逐漸增大，這是因?yàn)闊崛勰z含量越高，單位面積內(nèi)粘合點(diǎn)越多，粘合面積越大，故斷裂強(qiáng)力逐漸增大；而頂破強(qiáng)力先增后減。隨著熱軋壓力、熱軋時間的增加斷裂強(qiáng)力與頂破強(qiáng)力都先增大后減小，主要是因?yàn)楫?dāng)熱軋壓力增加時，產(chǎn)生較大形變熱，有利于內(nèi)層熱熔膠的熔融及熔融物的流動，但由于Clapeyron效應(yīng)的存在，繼續(xù)增加壓力會使熱熔膠熔融所需的溫度升高，影響熱熔膠的熔融，從而影響斷裂強(qiáng)力的進(jìn)一步提高；而熱軋時間延長會導(dǎo)致纖網(wǎng)層內(nèi)部熱熔膠有足夠的時間通過熱傳遞的方式發(fā)生熔融，提高了粘合效果，但隨著時間的進(jìn)一步延長，纖網(wǎng)在鉗口處長時間受熱軋作用，纖網(wǎng)中的纖維受到一定的損失，反而使得斷裂強(qiáng)力下降。

由于本正交表所有列已使用，取離差平方和最小的一項(xiàng)作為誤差項(xiàng)[11]，對其斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 表面粘合斷裂強(qiáng)力方差分析

注：“*”表示影響顯著，不填則表示不顯著，下同。

表4 表面粘合頂破強(qiáng)力方差分析

通過計算可得，在顯著性水平α=0.05以下，纖網(wǎng)密度對斷裂強(qiáng)力影響顯著；熱熔膠含量、熱軋時間、熱軋壓力的影響不顯著；纖網(wǎng)密度、熱熔膠含量對頂破強(qiáng)力影響顯著，熱軋時間、熱軋壓力的影響不顯著。這是由于表面粘合纖網(wǎng)密度通常為100g/m2以上，而本實(shí)驗(yàn)中纖網(wǎng)密度選取的三種水平只有一種超過了100g/m2，所以導(dǎo)致熱軋壓力與熱軋時間對非織造材料的力學(xué)性能影響不顯著。

2.2 對面粘合非織造材料性能的影響

面粘合是熱軋機(jī)采用光輥/棉輥（在鋼輥上纏繞一層厚棉布）組合，使接觸光棍面的纖維發(fā)生粘合，從而獲得單面粘合的非織造材料。表5所示為面粘合非織造材料的斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力及其極差分析。

從表5可以看出：在所選因素中，對斷裂強(qiáng)力與頂破強(qiáng)力影響最大的依然是纖網(wǎng)密度。熱軋工藝參數(shù)中對斷裂強(qiáng)力影響最大的是熱軋壓力，其次是熱熔膠含量，熱軋時間影響最小；而對頂破強(qiáng)力影響最大的是熱熔膠含量，其次是熱軋壓力，熱軋時間影響最小。纖網(wǎng)密度和熱熔膠含量對面粘合非織造材料力學(xué)性能的影響與表面粘合一致，但斷裂強(qiáng)力隨著熱軋壓力、熱軋時間的增加逐漸下降，這是由于Clapeyron效應(yīng)的存在，使熱熔膠在過高的熱軋壓力下熔融溫度變高，熱熔膠得不到充分的熔融，并且纖網(wǎng)內(nèi)纖維長時間在鉗口區(qū)受熱加壓，纖維會受到一定的損傷，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)力逐漸下降；而頂破強(qiáng)力隨著熱軋壓力的增加而減小，隨著熱軋壓時間的增加逐漸增大，雖然長時間受熱加壓會使纖維損傷，但也會導(dǎo)致熱熔膠受熱充分發(fā)生熔融，粘結(jié)效果改善，并在頂破實(shí)驗(yàn)中，纖維沒有直接斷裂，故纖維本身的力學(xué)性能影響較小，從而頂破強(qiáng)力逐漸增加。表6、表7分別是面粘合斷裂強(qiáng)力與頂破強(qiáng)力的方差分析。

表5 面粘合非織造材料的斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力及其極差分析

表6 面粘合斷裂強(qiáng)力方差分析

由計算可知在顯著性水平α=0.05以下纖網(wǎng)密度對面粘合非織造材的斷裂強(qiáng)力影響是顯著的，熱熔膠含量、熱軋壓力、熱軋時間的影響不顯著；纖網(wǎng)密度、熱熔膠含量對面粘合非織造材的頂破強(qiáng)力影響顯著，熱軋壓力、熱軋時間的影響不顯著。由于面粘合纖網(wǎng)密度通常在18-25g/m2,而本次實(shí)驗(yàn)選取的密度均高于此范圍，所以導(dǎo)致熱軋壓力與熱軋時間對材料的力學(xué)性能影響不顯著。

表7 面粘合頂破強(qiáng)力方差分析

2.3 熱軋方式對非織造材料的影響

為了討論粘合方式對相同工藝參數(shù)下非織造材料性能的影響，采用不同熱軋粘合方式時，所針對的纖網(wǎng)密度是有要求的，而本實(shí)驗(yàn)為了綜合分析粘合方式對非織造材料性能的影響，所用的纖網(wǎng)密度相同。圖1、圖2分別示出不同熱軋方式下非織造材料的斷裂強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力。由圖1、2分析可知，在相同熱軋粘合工藝參數(shù)條件下，表面粘合非織造材料的力學(xué)性能要優(yōu)于面粘合，并且通過分析還發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖網(wǎng)密度較小時，兩種熱軋方式得到的非織造材料斷裂強(qiáng)力較接近，主要是因?yàn)楸砻嬲澈鲜遣捎脙蓚€效應(yīng)輥對纖網(wǎng)進(jìn)行加熱加壓，纖網(wǎng)層內(nèi)熱熔膠熔融較充分，粘結(jié)效果好；而面粘合是一個效應(yīng)輥?zhàn)饔?，是單面粘合，未形成有效的封閉粘合，粘結(jié)點(diǎn)少，所以力學(xué)性能相對較小。但在纖網(wǎng)密度和熱熔膠含量較低時，纖網(wǎng)內(nèi)的熱熔膠都能在有效的時間內(nèi)發(fā)生熔融和滲透，相對非織造材料的粘結(jié)效果影響較小。

通過分析熱軋工藝參數(shù)對兩種不同熱軋粘合非織造材料性能的影響發(fā)現(xiàn)：纖網(wǎng)密度都是對兩種熱軋方式下得到的非織造材料力學(xué)性能影響最大的因素，并隨纖網(wǎng)密度的增加而增大；熱軋時間是影響兩種熱軋粘合非織造材料力學(xué)性能最小的因素，但是其影響規(guī)律不同；熱熔膠含量是影響兩種熱軋粘合非織造材料力學(xué)性能較大的因素，并且斷裂強(qiáng)力都隨著熱熔膠含量的增加而增大。

圖1 不同熱軋方式下非織造材料的斷裂強(qiáng)力

圖2 不同熱軋方式下非織造材料的頂破強(qiáng)力

3 結(jié)論

（1）表面粘合非織造材料的斷裂強(qiáng)力與頂破強(qiáng)力隨著纖網(wǎng)密度的增加而增大，隨著熱軋壓力與熱軋時間的增加先增后減，斷裂強(qiáng)力隨著熱熔膠含量的增加而增加，但頂破強(qiáng)力卻先增后減，各因素對斷裂強(qiáng)力的影響順序?yàn)椋豪w網(wǎng)密度>熱軋壓力>熱熔膠含量>熱軋時間，對頂破強(qiáng)力的影響順序?yàn)椋豪w網(wǎng)密度>熱熔膠含量>熱軋壓力>熱軋時間；

（2）面粘合非織造材料的斷裂強(qiáng)力與頂破強(qiáng)力隨著纖網(wǎng)密度的增加而逐漸增大，隨著熱軋壓力的增加而逐漸減小，斷裂強(qiáng)力隨著熱熔膠含量的增加而增大，隨著熱軋時間的延長而逐漸減小，頂破強(qiáng)力隨著熱熔膠含量的增加先增后減，隨著熱軋時間的延長而逐漸增大，各因素對斷裂強(qiáng)力的影響順序?yàn)椋豪w網(wǎng)密度>熱軋壓力>熱熔膠含量>熱軋時間，對頂破強(qiáng)力的影響順序?yàn)椋豪w網(wǎng)密度>熱熔膠含量>熱軋壓力>熱軋時間；

（3）表面粘合非織造材料的斷裂強(qiáng)力明顯高于面粘合，頂破強(qiáng)力也高于面粘合，但相差甚小，總體來說，表面粘合非織造材料的力學(xué)性能要優(yōu)于面粘合，并且纖網(wǎng)密度對兩種熱軋方式下非織造材料的力學(xué)性能影響最為顯著。

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Effect of Hot Rolling Bonding Process Parameters on Mechanical Properties of Nonwovens

WANG Xiao-feng, HOU Da-yin, XU Zhen-zhen, WANG Hao, YANG Li

（College of Textile and Garment, Anhui Polytechnic University, Wuhu AnHui 241000, China）

In order to comprehensively analyze the influence of hot rolling bonding method and process parameters on the mechanical properties of non-woven materials, the influence of the density of fiber mesh and the parameters of hot rolling process on the mechanical properties of nonwovens was discussed in the same hot rolling method, taking the hot melt adhesive content, web density, hot rolling pressure and hot rolling time as the influencing factors by orthogonal test. The differences in mechanical properties of nonwovens under different hot rolling bonding methods were further compared. The results show that the breaking strength and bursting strength of the surface bonded nonwovens increase with the increase of the density of the web, and it increases first andthen decreases with the increase of hot rolling pressure and hot rolling time. The breaking strength follows the hot melt adhesive. The content increases with the increase of the content, but the bursting strength increases first and then decreases; the breaking strength and bursting strength of the surface-bonded nonwoven material gradually increase with the increase of the density of the web, and gradually decrease with the increase of the hot rolling pressure. The breaking strength increases with the increase of hot melt adhesive content, and gradually decreases with theincrease of hot rolling time. The bursting strength increases first and then decreases with the increase of hot melt adhesive content, and with the elongation of hot rolling time, it is gradually increased; and under the same process parameters, the mechanical properties of the surface-bonded nonwoven material are better than the surface adhesion.

hot rolling bonding; process parameters; web density; mechanical properties; influence

楊莉（1978-），女，副教授，研究方向：紡織復(fù)合材料.

“紡織面料”安徽省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（2018AKLTF10），安徽省自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（KJ2017ZD13）.

TS174.5

A

2095－414X(2019)04－0014－06