高性能紙尿褲用氨綸的制備及其結構與性能研究

陳厚翔，楊曉印，王建波，梁紅軍，蔣 曙，張經瀚

(1. 浙江華峰氨綸股份有限公司，浙江 溫州 325200； 2. 浙江省華峰纖維研究院，浙江 溫州 325200)

隨著國民經濟的快速發展和人們消費觀念的轉變，紙尿褲的穿戴舒適性和多功能性成為高性能紙尿褲的研究熱點[1]。因此，開發作業性優異、對皮膚無勒痕、固定作用好且不產生側漏的高性能紙尿褲用氨綸也成為氨綸改性的主要趨勢之一。氨綸作為一種替代傳統橡膠制松緊線的彈性材料[2]，具有質地輕、彈性好、耐候性優異等特點，在紙尿褲領域應用前景廣闊。

國內外針對紙尿褲用氨綸的研究主要是通過物理改性或者工藝優化達到提高紙尿褲用氨綸的退繞性能和抗蠕變性能[3]，如韓國曉星株式會社在氨綸紡絲原液中添加聚苯乙烯提高抗蠕變性和退繞性[4]；美國英威達公司通過添加改性纖維素來提高退繞性[5]；煙臺泰和新材股份有限公司采用半連續聚合工藝制備高黏度原液，在圓形紡絲甬道氮氣保護下高速紡絲，采用機械加捻生產綜合性能優異的紙尿褲用氨綸[1]。作者采用物理改性與化學改性相結合的方法，化學改性是提高二異氰酸酯含量，物理改性是添加無機納米粒子和內外部潤滑劑，制備了高性能紙尿褲用改性氨綸(HDS)，研究了HDS的結構與性能，并與常規紙尿褲用氨綸(CDS)進行對比，期望對HDS的深入開發提供參考。

1 實驗

1.1 原材料

聚四亞甲基醚二醇(PTMG)、乙二胺(EDA)、1,2-丙二胺(PDA)、二乙胺(DEA)：均為德國巴斯夫公司產；4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)：煙臺萬華化學股份有限公司產；二甲基乙酰胺、二氧化鈦、油酸酰胺、水滑石和硬脂酸鎂：均為浙江華峰氨綸股份有限公司提供。

1.2 主要儀器

Nicolet iS10傅立葉變換紅外光譜儀:美國Thermo Fisher公司制；JSM-6700F型冷場發射掃描電子顯微鏡(SEM)：日本電子株式會社制；CMT6201型萬能試驗機：美國MTS系統公司制；CTT-E型多功能動態紗線測試儀：美國Lawson-Hemphill公司制。

1.3 紙尿褲用氨綸的制備

將20 kg PTMG與4.839 kg MDI在39.173 kg的DMAC中于50 °C條件下反應2 h，得到異氰酸根指數為1.75的預聚物，冷卻至12 °C；然后在攪拌條件下加入0.375 kg EDA、0.116 kg PDA、0.071 kg DEA和9.746 kg DMAC的混合胺溶液進行擴鏈反應；最后加入功能助劑包括0.089 kg硬脂酸鎂、0.089 kg油酸酰胺、0.254 kg二氧化鈦、0.508 kg水滑石，攪拌混合均勻，并經熟化后得固含量為35%的紡絲原液；將上述紡絲原液通過噴絲板在高溫甬道內干法紡絲制得線密度為620 dtex的HDS。

采取同樣的方法制備線密度為620 dtex的CDS。但在制備CDS時，預聚物的異氰酸根指數為1.62，纖維中二氧化鈦質量分數為0.15%，硬脂酸鎂質量分數為0.5%，水滑石含量為0。

1.4 分析與測試

紅外光譜(FTIR)：分別將2種紙尿褲用氨綸用石油醚萃取后，自然風干，采用Nicolet iS10傅立葉變換紅外光譜儀分析其化學結構。

表面形態：采用SEM觀察2種紙尿褲用氨綸的表面形貌。

抗蠕變性(即氨綸通過膠水與無紡布的粘合牢固性)：采用氨綸的回縮率(S)表征其抗蠕變性，S較低表示抗蠕變性較好。將粘有氨綸的非織造布拉直后固定在平板上，量取長度(L1)，切斷內部氨綸兩端，同時在其兩端和對應平板上做上標記，于40 °C烘箱中放置4 h后量取標記處氨綸回縮后的長度(L2)，按式(1)計算S。

S=(L1-L2)/L1×100%

(1)

退繞性能：采用多功能動態紗線測試儀進行檢測，記錄氨綸絲與卷裝發生粘連時的輸出速度與輸入速度，以輸出速度與輸入速度的比值(R)來表征纖維的退繞性，R越小，表示氨綸絲卷的退繞性越好[6]。

彈性回復率(E)：將長度為L0的氨綸經CMT6201型萬能試驗機以500 mm/min速度拉伸至長度為L1，然后再回復至初始位置處，如此往復循環5次，記錄氨綸絲松弛后的長度L2，氨綸的E按式(2)計算。

E= (L1-L2)/ (L1-L0)×100%

(2)

2 結果與討論

2.1 FTIR分析

采用紅外光譜分析紙尿褲用氨綸的化學結構特征，紙尿褲用氨綸的FTIR見圖1，氨綸分子結構中部分紅外吸收峰的歸屬見表1。從圖1和表1可以看出，1 730，1 703，1 637，1 596，1 538 cm-1處吸收峰分別對應游離氨基甲酸酯中CO、氫鍵化氨基甲酸酯中CO、氫鍵化脲基中CO、苯環骨架CC以及酰胺Ⅱ帶，這些吸收峰均反映的是聚氨酯硬段結構特征，由于HDS中這些吸收峰的強度均高于CDS，說明HDS中含有更多的硬段，且HDS的氫鍵化水平更高，這從FTIR中氫鍵化的氨基甲酸酯和脲基的CO吸收峰強度可以證明，這主要是因為HDS可提供更多的脲基供體(N—H)和受體(CO)參與形成氫鍵[7]，從而可以達到更優的微相分離程度，獲得更好的性能。

圖1 紙尿褲用氨綸的FTIR圖譜Fig.1 FTIR spectra of spandex for diapers1—HDS；2—CDS

表1 紙尿褲用氨綸的FTIR中部分譜峰歸屬Tab.1 Peak assignment of FTIR spectrum of spandex for diapers

2.2 表面形貌

從圖2所示的HDS和CDS縱向形態結構的SEM照片可以看出，相比CDS，HDS的表面有大量顆粒狀凸起。這主要是由于HDS中增加了無機納米粒子二氧化鈦和水滑石的含量，其中二氧化鈦質量分數達到1.0%，水滑石質量分數達到2.0%，而CDS中僅含有質量分數0.15%的二氧化鈦。無機納米粒子一方面具有較大的比表面積，增加了熱熔膠與纖維的接觸面積，并可顯著提高纖維的表面粗糙度；另一方面其表面富含大量羥基，會產生顯著的界面效應，改善纖維與熱熔膠之間的黏結惰性，最終使得纖維在熱熔膠的作用下更牢固的黏結在無紡布上。

2.3 抗蠕變性

在紙尿褲領域，氨綸的抗蠕變性反映的是氨綸通過熱熔膠與無紡布結合的牢固程度，若氨綸在無紡布上不發生滑移，則認為抗蠕變性好，即回縮小，S較低，氨綸的固定作用得以發揮，紙尿褲的形態才能維持正常[2]。從表2可知，HDS的S為2.6%，而CDS的S為9.8%，HDS較低的S顯示出纖維更好的抗蠕變性，這對于保證氨綸在紙尿褲中發揮彈性功能具有重要意義，還能夠確保在較少的熱熔膠用量下達到優異的黏合性，提高紙尿褲的舒適性和經濟環保性。

表2 紙尿褲用氨綸的抗蠕變性Tab.2 Creep resistance of spandex for diapers

2.4 退繞性能

從表3可以看出，HDS絲卷的表層、中層和里層的退繞性均比CDS要好，而且其表層、中層、里層相互之間的退繞性差異也更小。HDS表層的R為1.20、里層的R為1.30，而CDS表層的R為1.25、里層的R為1.80。因此，HDS的退繞過程更加均勻順暢，這主要是由于HDS中內部潤滑劑油酸酰胺與外部潤滑劑硬脂酸鎂協同作用的結果[8]，一方面在經過高溫甬道的過程中，紡絲原液中外部潤滑劑會發生遷移，進而在固化的纖維表面間形成潤滑膜，保證了隔離性；另一方面內部潤滑劑降低了聚氨酯分子鏈間的運動摩擦熱，并減弱剪切力對潤滑膜的破壞，而CDS僅含外部潤滑劑，這種綜合作用避免了僅含有外部潤滑劑的CDS因高溫、長期放置等過程引起卷裝絲線與絲線之間的發黏現象。

表3 紙尿褲用氨綸的退繞性Tab.3 Unwinding property of spandex for diapers

2.5 彈性回復性能

纖維的E高，則纖維的彈性好，變形恢復的能力強。氨綸在經過反復拉伸后，殘余形變低，彈性回復性能好，從而保證紙尿褲中氨綸在穿戴時的固定作用。E主要受硬段位移取向、軟段應變誘導結晶與軟段推遲高彈形變的影響，其中硬段位移取向對E的影響具有不可逆性，而其他兩者的影響是可逆的[9]。將紙尿褲用氨綸經萬能試驗機以500 mm/min速度拉伸，然后再回復至初始位置處，如此往復循環5次，其分析結果見表4。從表4可看出：HDS第5次去負荷時的殘余伸長更小，最終殘余伸長為7.03 cm，E為92.97%；而CDS第5次去負荷時的最終殘余伸長為10.92 cm，E為89.08%。因此，HDS具有更加優異的彈性回復性能，這主要是由于HDS的硬段結晶度更高，硬段微區更加穩固，硬段發生位移取向的可能性更低。

表4 紙尿褲用氨綸的彈性回復性能Tab.4 Resilience of spandex for diapers

3 結論

a. 相比CDS， HDS的分子結構中具有更高的硬段含量和更高的氫鍵化水平，可以達到更優的微相分離程度，獲得更好的性能。

b. 通過添加無機納米粒子二氧化鈦和水滑石進行物理改性，HDS的表面含有大量的納米顆粒狀凸起，起到提高抗蠕變性的作用，HDS的S為2.6%，CDS的S為9.8%，HDS顯示出更優異的抗蠕變性。

c. 內外部潤滑劑的協同改性能顯著改善紙尿褲用氨綸的退繞性，HDS的表層、中層和里層的退繞性均優于CDS，整體退繞性差異更小，退繞過程更加均勻順暢。

d. HDS的E為92.97%，而CDS的E為89.08%，HDS具有更加優異的彈性回復性能。