可降解非織造復合材料的制備及其吸油性研究

曾杏丹 馬亞珂 王澤燕

五邑大學 紡織材料與工程學院(中國)

隨著經濟的快速發展和人民生活水平的提高，人們對廚房擦拭材料的需求量越來越大，對其性能的要求越來越高。目前，市場上的廚房擦拭材料既有以聚酯纖維為原料，通過水刺復合工藝加工而成的產品，也有以木漿為原料制成的擦拭用紙。前者的原料加工成本較高、制備過程較復雜且用棄后難以降解，后者通常為一次性用品，在一定程度上造成了浪費[1]。基于此，開發一種成本低、吸水和吸油效果好且能多次使用的廚房擦拭材料具有重要意義。

聚乳酸是一種可生物降解材料，因含有親油基團(如酯基等)而具有較好的親油拒水特性。聚乳酸纖維可從玉米秸稈中提取，屬于環保型的天然綠色能源材料。黏膠是化學纖維中最早研發并投入生產的再生纖維素纖維，具有良好的吸水性和熱穩定性，可生物降解，符合現代環保的要求。

本文以從紡黏設備的噴絲頭擠出的聚乳酸為原料，在送風裝置輸出的高速氣流的作用下，冷卻的長絲以纖維網的形式在接收平臺上經熱軋形成非織造布[3]。試驗所用水刺黏膠非織造布為黏膠短纖維經梳理成網后進行水刺加工而成，將聚乳酸紡黏非織造布和水刺黏膠非織造布通過針刺技術復合，制備具有吸油和吸水特性的廚房用擦拭材料，所得產品可重復使用。最后對復合試樣的拉伸、撕裂性及吸油和保油性等性能進行測試和分析。

1 試驗部分

1.1 設備和儀器

針刺機(中國太倉市萬龍非織造工程有限公司)、紡黏試驗設備(FWF-011型)、分析天平(CP313型)、數字式織物厚度儀(YG141D型)、纖維細度分析儀(CX315型)、多功能電子織物強力機(YG026H型)、毛細管效應測定儀[YG(B)871型]。

1.2 材料和油劑

聚乳酸由深圳生物科技有限公司提供，油劑為芝麻油(金龍魚牌食用油)、礦物油(英利達機械通用潤滑油)和半合成油(美孚機油)。所用水刺黏膠非織造布的面密度為39.38 g/m2，所含纖維的平均直徑為13.36 μm。

1.3 試驗方法

1.3.1 聚乳酸紡黏非織造布的制備

聚乳酸的烘燥：將聚乳酸切片置于真空干燥箱中，先低溫(40 ℃)烘1 h，升溫到60 ℃再烘1 h，最后升溫至80 ℃并烘8 h[2]。

采用經烘燥的聚乳酸切片，根據表1所示的工藝參數，調節鋪網速度后制備聚乳酸紡黏非織造布，所得產品的纖維平均直徑為11.05 μm，面密度為44.2 g/m2。

表1 紡黏試驗設備的工藝參數設置

1.3.2 聚乳酸紡黏非織造布和黏膠水刺非織造布的復合

因聚乳酸紡黏非織造布中的纖維為長絲，黏膠水刺非織造布中的纖維為短纖維，為避免復合試樣在使用中出現“掉毛”現象，本文將聚乳酸紡黏非織造布作為復合產品的外層材料，黏膠水刺非織造布作為中間層材料，制備3層復合試樣。

針刺工藝中的針刺密度設置直接影響產品的使用性能，因此，需提前預測針刺機的刺針密度。先將一張A4紙放置于刺針下，手動操作機器針刺白紙一次，根據紙張面積和針刺痕跡計算針刺的密度為2.6針/cm2。

將聚乳酸紡黏非織造布和黏膠水刺非織造布以夾層的形式置于針刺機中，根據設計的針刺密度進行正反向針刺作用，制備復合試樣。

1.4 復合試樣性能測試

1.4.1 力學性能

采用多功能電子織物強力機(YG026H型)測試復合試樣的拉伸強力和剝離強力。兩項測試需各準備3塊尺寸為20 mm×100 mm的試樣。電子織物強力機上的參數設置為夾持間距50 mm、定負荷1 000 N、定伸長率500%、拉伸速度100 mm/min。剝離強力測試儀的參數設置為夾持間距20 mm、定負荷1 000 N、定伸長率500%、預加張力1.0 N、拉伸速度100 mm/min。

1.4.2 吸油性能測試

1.4.2.1 吸油和保油性測試

飽和吸油倍率能反映復合試樣的吸油能力，吸油倍率越高，說明復合試樣的吸油能力越強。保油性是試樣吸油后保持油分不析出的能力，常用保油率這一指標表征[3]。

將針刺復合試樣裁剪成尺寸相同的試樣，稱質量并記錄為m0。將試樣浸泡在待測油劑中，每隔30 s用鑷子夾起試樣的一角，自然垂滴1 min后稱其質量，直至吸油飽和后，測得其質量m1。按式(1)計算試樣的吸油率。

(1)

其中，m0為吸油之前試樣的質量；m1為吸油之后試樣的質量。

飽和吸油吸水倍率的測試方法為先測試并記錄試驗前試樣的質量m0及飽和后的質量mn，然后，將飽和的吸油吸水試樣置于2 500 g砝碼下重壓5 min，再次稱量，記為ma，按式(2)計算試樣的保油率。

(2)

1.4.2.2 吸油高度

吸油高度是毛細效應的一種，其測試方法與芯吸高度一致。

采用毛細管效應測定儀[YG(B)871型]，裁剪寬(15±0.5) mm、長250 mm的試樣5條，將試樣平置于玻璃板上，在距一端205 mm處畫一條與長度方向垂直的線。然后將試樣夾持在夾紙器上，使橫線與標尺的200 mm刻度對齊[4]。夾持好試樣后，輕輕放下夾紙器的橫梁，若試樣出現卷曲，可在試樣下端懸掛一小夾子，所選用夾子的質量需確保試樣可垂直插入液體而又不至于被拉長或拉斷。同時按下秒表計時，從而測定出液面沿試樣上升一定距離所需時間或一定時間內液面上升的高度。常采用10 min±3 s內上升的高度表征，本試驗采用的是10 min的上升高度來評定試樣的吸油性。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能分析

2.1.1 針刺密度對拉伸強力的影響

采用面密度為44.2 g/m2的聚乳酸紡黏非織造布和水刺黏膠非織造布進行復合，黏膠含量為47.13%時，改變針刺密度，復合試樣拉伸性能的測試結果如圖1所示。

圖1 不同針刺密度下試樣的拉伸強力

由圖1可知，在聚乳酸紡黏/水刺黏膠復合試樣中，隨著針刺密度的增加，試樣的拉伸強力先增加后減小，在針刺密度為190針/cm2時，試樣的拉伸強力達最大值。這是因為在針刺密度達190針/cm2前，復合材料在針刺復合的加固工藝下，纖維相互交錯纏結，越來越結實。當針刺密度達190針/cm2后，隨著針刺密度的增大，復合試樣的緊度不再增加，纖維網中的纖維因互相約束而不再隨針刺的移動發生滑移，但因刺針而受損的纖維快速增多，因此，試樣的拉伸強力急劇下降[5]。

2.1.2 針刺密度對剝離強力的影響

不同針刺密度下復合試樣剝離強力的測試結果如圖2所示。

由圖2可知，復合試樣的剝離強力隨針刺密度的增大呈先增加后減小的趨勢。試樣的剝離強力在針刺密度為170針/cm2時達峰值，之后開始逐漸下降。這一現象出現的原因與2.1.1節所述相同。同時，在剝離試驗中發現，拉伸至一定程度時，復合試樣并沒有發生剝離，而是出現了撕裂現象。

2.2 吸油性能分析

2.2.1 針刺密度對吸油性的影響

本文所制備的復合試樣在不同針刺密度下吸油性的測試結果如圖3所示。

由圖3a)可知，不同針刺密度下復合試樣的吸油量在30 s時基本達到飽和，隨著浸泡時間的增加，試樣的吸油量基本趨于穩定。

由圖3b)可知，隨著針刺密度的增加，復合試樣的吸油倍率先上升后下降。因針刺密度的不斷增加，試樣的刺孔增加，從而擴大了試樣的儲油空間，故吸油率增大。當針刺密度繼續增加時，試樣越來越密實，吸油率開始下降，因此，飽和吸油倍率降低。總體而言，試樣的吸油性主要與聚乳酸含量有關，當聚乳酸含量固定時，試樣的吸油性變化不大，因而針刺密度對復合試樣吸油性的影響較小。

a) 吸油量

b) 吸油倍率

2.2.2 針刺密度對保油性的影響

不同針刺密度下復合試樣保油率的測試結果如圖4所示。

圖4 不同針刺密度下復合試樣的保油率

由圖4可知，在同一種油劑中，隨著針刺密度的增加，復合試樣的保油率略呈下降的趨勢。這是因為隨著針刺密度的增加，受刺針損傷的纖維數量也隨之增加，纖維的儲油能力下降，從而影響了試樣的保油率。

2.2.3 針刺密度對吸油高度的影響

不同針刺密度下復合試樣吸油高度的測試結果如圖5所示。

圖5 不同針刺密度下復合試樣的吸油高度

由圖5中可知，當復合試樣中的黏膠含量一定時，隨著針刺密度的增加，復合試樣的吸油高度總體呈下降的趨勢。這是因為隨著針刺密度的增加，復合試樣變得更加密實，纖維間的距離變小，因油類物質較黏稠，難以在很小的縫隙中表現出與水類似的芯吸效應，因此復合試樣的吸油高度逐漸下降。

3 結論

本研究將聚乳酸紡黏非織造布和水刺黏膠非織造布以夾層的形式置于針刺機中，采用針刺工藝制備出一種兼具吸水和吸油功能的可降解非織造復合產品，并對試樣的拉伸強力、剝離強力等相關性能進行測試和分析，得如下結論。

——考慮產品拉伸強力和剝離強力的使用需求，較優的針刺密度為170針/cm2。

——所制備的復合試樣的吸油量在吸油30 s時達飽和。

——復合試樣的飽和吸油倍率和保油性隨著針刺密度的增加先上升后下降，但針刺密度對試樣吸油性的影響較小。

——隨著針刺密度的增加，復合試樣的吸油高度下降。