劉麗娟 徐熊耀 吳海波

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 浙江王金非織造布有限公司，浙江 湖州 313104

擦拭材料作為日常生活中必不可少的清潔用品，涉及到日常生活的方方面面。隨著非織造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，水刺擦拭材料以其高產(chǎn)量、低成本的特點(diǎn)占據(jù)了主要市場[1-3]。全棉水刺擦拭材料具有良好的吸液性能，以及柔軟度好、不易掉毛、安全衛(wèi)生、生物相容性良好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于個(gè)人護(hù)理、家庭清潔、工業(yè)清潔、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[4]。其中，當(dāng)全棉水刺擦拭材料用于精密儀器的擦拭，以及作為醫(yī)用擦拭布使用時(shí)，應(yīng)避免在擦拭過程中出現(xiàn)纖維的斷裂與脫落，以免對儀器及傷口造成二次污染。因此，對全棉水刺擦拭材料的力學(xué)性能提出了較高的要求[5]。

本文將采用先漂后刺的工藝，使用平紋托網(wǎng)簾制備面密度分別為30、40、50、60、70 g/m2的平紋水刺非織造材料，以及22、12、6目的托網(wǎng)簾制備面密度為50 g/m2的網(wǎng)目水刺非織造材料，研究材料的力學(xué)性能，以期為擦拭材料的使用和選擇提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

試驗(yàn)使用的棉纖維是新疆長絨棉。原棉因含有大量的雜質(zhì)和伴生物質(zhì)，故需先進(jìn)行脫脂處理。表1為使用USTER HVI1000棉纖維測試系統(tǒng)測得的原棉、脫脂棉及梳理棉的各項(xiàng)物理及力學(xué)指標(biāo)。

表1 棉纖維的各項(xiàng)物理及力學(xué)指標(biāo)

1.2 設(shè)備及工藝參數(shù)

使用單錫林雙道夫梳理機(jī)進(jìn)行纖網(wǎng)的制備[6]。脫脂棉纖維手感偏硬，纖維間摩擦力大，因此對梳理工藝提出了較高的要求。各梳理元件的工藝參數(shù)見表2。

表2 梳理元件的工藝參數(shù) (m/min)

使用Auftrags Nr.T6616型水刺機(jī)并結(jié)合不同的托網(wǎng)簾(平紋及22、12、6目)對纖網(wǎng)進(jìn)行水刺加固，制備平紋水刺非織造材料和網(wǎng)目水刺非織造材料。其中，為增強(qiáng)后續(xù)的水刺效果，纖網(wǎng)先進(jìn)行預(yù)水刺，以排出纖網(wǎng)中的空氣，使纖網(wǎng)能更好地吸收水針能量[7]。此外，為使網(wǎng)目水刺非織造材料的網(wǎng)孔較平紋水刺非織造材料更加清晰，可適當(dāng)增大每一道水刺的壓力。設(shè)置水針距離為15.0 mm，輸網(wǎng)簾速度為3.00 m/min，水刺過程中水針壓力配置如表3所示。

表3 水針壓力配置 (MPa)

1.3 性能測試

1.3.1 單纖維抽拔力

使用XQ-2型單纖維強(qiáng)力儀測試制備的水刺非織造材料的單纖維抽拔力。水刺非織造材料裁剪成20.0 mm×40.0 mm的試樣，然后如圖1所示，一端固定，另一端進(jìn)行單纖維抽拔力測試。儀器拉伸速度設(shè)置為10 mm/min。每塊試樣抽拔50根纖維，測試結(jié)果取5塊試樣的平均值[8-9]。

圖1 單纖維抽拔力測試示意

1.3.2 束纖維勾取性能

擦拭材料使用時(shí)，接觸物表面的尖銳物體會對其中的纖維產(chǎn)生一定的勾取作用，這往往會造成束纖維發(fā)生位移甚至被抽出。

使用YG(B)026h型醫(yī)用紡織品多功能強(qiáng)力儀，模擬并測試水刺非織造材料中束纖維被勾取而產(chǎn)生的勾取力。拉伸速度設(shè)置為100 mm/min，且為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，適當(dāng)增大了勾取面積(1.0 mm×1.0 mm)。每塊試樣測試20次，測試結(jié)果取5塊試樣的平均值。

1.3.3 拉伸斷裂強(qiáng)力

依據(jù)GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法) 》標(biāo)準(zhǔn)，使用YG026MB型多功能織物強(qiáng)力儀對水刺非織造材料進(jìn)行拉伸斷裂強(qiáng)力的測試。試樣大小取50.0 mm×200.0 mm，夾持距離為100.0 mm，拉伸速度為100 mm/min，預(yù)加張力為1.00 N。測試結(jié)果取5塊試樣的平均值。

1.3.4 彎曲性能

依據(jù)GB/T 18318. 1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1 部分：斜面法》標(biāo)準(zhǔn)，使用LLY-01型電子織物硬挺儀測試水刺非織造材料的彎曲性能。試樣大小取25.0 mm×250.0 mm，壓板推進(jìn)速度為4 mm/s，角度為41.5°。試樣放置于試樣臺上，儀器啟動后，壓板帶動試樣向前推進(jìn)，試樣在重力作用下自然彎曲下垂，當(dāng)試樣遮蓋住檢測線時(shí)儀器自動停止并將試樣反推至初始位置，同時(shí)儀器顯示試樣的彎曲長度。再根據(jù)彎曲長度計(jì)算試樣的抗彎剛度：

G=m×C3×10-3

(1)

式中：G——試樣的抗彎剛度，mN·cm；

m——試樣的面密度，g/m2；

C——試樣的平均彎曲長度，cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 單纖維抽拔力對全棉水刺擦拭材料力學(xué)性能的影響

水刺非織造材料的拉伸斷裂強(qiáng)力主要由斷裂截面處纖維的斷裂強(qiáng)力和抽拔力決定。理想狀態(tài)下，水刺非織造材料的拉伸斷裂強(qiáng)力：

F=∑f1+∑f2

(2)

式中：F——材料拉伸斷裂強(qiáng)力，cN；

f1——單纖維斷裂強(qiáng)力，cN；

f2——單纖維抽拔力，cN。

其中，單纖維抽拔力的大小可以反映纖維在水刺非織造材料中的纏結(jié)情況，從而影響材料的拉伸斷裂強(qiáng)力。一般情況下，單纖維抽拔力越大，則纖維纏結(jié)越緊密，使用過程越不易發(fā)生脫落。材料的拉伸斷裂強(qiáng)力也與單纖維抽拔力呈正相關(guān)。當(dāng)單纖維抽拔力大于單纖維斷裂強(qiáng)力時(shí)，纖維即發(fā)生斷裂，其不能完全被抽拔出。利用XQ-2型單纖維強(qiáng)力儀獲得的載荷-伸長率曲線表征單纖維抽拔力。圖2以面密度為50 g/m2的平紋水刺非織造材料為例展示了其中3根單纖維在抽拔過程中的力學(xué)特征。

圖2 單纖維抽拔力曲線(面密度為50 g/m2的 平紋水刺非織造材料)

從圖2可以看出，單根棉纖維從水刺非織造材料中抽取時(shí)存在3種情況：

(1) 曲線1中單纖維發(fā)生了斷裂。棉纖維受水針作用相互纏結(jié)緊密，并形成了纏結(jié)點(diǎn)，且纏結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)力大于單根棉纖維的斷裂強(qiáng)力。此時(shí)，單纖維抽拔力即為棉纖維的斷裂強(qiáng)力。

(2) 曲線2中存在多個(gè)峰值。原因在于單纖維在水刺過程中受多個(gè)水針的沖擊，發(fā)生了多次纏結(jié)。抽拔時(shí)，單纖維需從多個(gè)纏結(jié)點(diǎn)逐漸抽離，直至最終完全抽拔出或發(fā)生斷裂。

(3) 曲線3整體呈緩慢上升和波動的趨勢。原因在于單纖維的抽拔過程主要是在克服纖維之間的摩擦阻力?？赏ㄟ^增加梳理雜亂度或使用交叉鋪網(wǎng)的方式減少曲線3出現(xiàn)的概率。

進(jìn)行單纖維抽拔力測試的同時(shí)，記錄下被抽取的纖維是否處于被拉斷狀態(tài)，再通過計(jì)算斷纖維百分?jǐn)?shù)和纖維強(qiáng)力利用率進(jìn)一步判斷纖網(wǎng)中纖維纏結(jié)的緊密度：

(3)

(4)

圖3反映了不同面密度平紋水刺非織造材料中單纖維抽拔力分布狀況。表4歸納了不同面密度平紋水刺非織造材料的厚度及力學(xué)性能。

(a) 30 g/m2

(b)40 g/m2

(c) 50 g/m2

(d) 60 g/m2

(e) 70 g/m2圖3 不同面密度平紋水刺非織造材料中 單纖維抽拔力分布

表4 不同面密度平紋水刺非織造材料的厚度及力學(xué)性能

從圖3和表4可以得出：(1)單纖維抽拔力具有一定的離散性，整體上符合正態(tài)分布，這表明測試選取的纖維符合要求，測試結(jié)果可以反映單纖維在纖網(wǎng)中的纏結(jié)情況。(2)單纖維抽拔力與材料的面密度有關(guān)。材料的面密度越大，則單纖維抽拔力越大。原因在于，在水針能量相同的情況下，面密度增大，則水針會攜帶更多數(shù)量的纖維發(fā)生緊密纏結(jié)；同時(shí)，根據(jù)懸臂梁模型和簡支梁模型[10]，材料厚度增加，則纖維隨水針運(yùn)動的位移增大，纏結(jié)作用增強(qiáng)，故單纖維抽拔時(shí)需克服更大的纏結(jié)點(diǎn)強(qiáng)力。(3)單纖維抽拔力越大，則纖維強(qiáng)力利用率越高，材料拉伸斷裂強(qiáng)力越大。

2.2 面密度對全棉水刺擦拭材料力學(xué)性能的影響

繼續(xù)以平紋水刺非織造材料為例，研究面密度對全棉水刺擦拭材料力學(xué)性能的影響。

由表4可知，隨著面密度的增加，材料單位體積內(nèi)纖維間形成了更多的纏結(jié)點(diǎn)：(1)單纖維抽拔力逐漸增加并趨向于單纖維斷裂強(qiáng)力(4.83 cN)。(2)束纖維勾取力和材料拉伸斷裂強(qiáng)力也隨之增大。(3)材料的厚度及抗彎剛度隨之增加，材料柔軟度下降。其中，當(dāng)材料面密度增加到70 g/m2時(shí)，柔軟度下降嚴(yán)重，可通過后整理改善材料的柔軟性。

2.3 網(wǎng)目結(jié)構(gòu)對全棉水刺非織造材料力學(xué)性能的影響

圖4為使用JSM-5600 LV型掃描電子顯微鏡觀察到的面密度為50 g/m2平紋水刺非織造材料和網(wǎng)目水刺非織造材料的表面形態(tài)，可以看出平紋水刺非織造材料與網(wǎng)目水刺非織造材料的纖維排列有較大的差別：平紋水刺非織造材料中，纖維在各個(gè)方向上呈不規(guī)則排列[圖4(a)]；網(wǎng)目水刺非織造材料中，網(wǎng)孔呈長圓形，纖維沿網(wǎng)孔發(fā)生曲折，并在網(wǎng)孔間堆積較緊密[圖4(b)]，且網(wǎng)孔間纖維多以纖維束的形式纏結(jié)[圖4(c)][11-14]，隨著網(wǎng)孔直徑的增大，網(wǎng)孔周圍纖維間的纏結(jié)作用減弱，使用過程中纖維極易造成滑移，導(dǎo)致網(wǎng)孔發(fā)生變化[圖4(d)]。

圖4 平紋水刺非織造材料與網(wǎng)目水刺 非織造材料的表面形態(tài)

表5為面密度為50 g/m2的不同托網(wǎng)簾生產(chǎn)的水刺非織造材料的厚度及力學(xué)性能，可以看出：

(1) 22目水刺非織造材料的單纖維抽拔力最大，平紋水刺非織造材料次之，12目水刺非織造材料的單纖維抽拔力開始下降，6目水刺非織造材料的單纖維抽拔力較小。這是因?yàn)?2目的結(jié)構(gòu)有效改善了梳理過程中纖網(wǎng)縱橫向的不勻，增大了纖維排列的各向異性，令纏結(jié)點(diǎn)更加緊密；隨著網(wǎng)孔的增大，網(wǎng)孔間纖維纏結(jié)緊度增加，單纖維抽拔過程中斷纖維百分?jǐn)?shù)增加，同時(shí)網(wǎng)孔周圍的纖維發(fā)生了較大的位移，纏結(jié)力較弱，故造成整體數(shù)據(jù)偏小。

(2) 束纖維勾取力受單纖維抽拔力影響較大，故22目水刺非織造材料的束纖維勾取力最大，平紋水刺非織造材料次之，12目水刺非織造材料的束纖維勾取力有所下降，但6目水刺非織造材料的束纖維勾取力又略有回升。

(3) 抗彎剛度方面，隨著網(wǎng)孔直徑的增大，柔軟性能在下降。22目水刺非織造材料因孔徑較小，加之水刺過程增加了棉纖維的各向排列異性，其柔軟性最佳并優(yōu)于平紋水刺非織造材料。6目水刺非織造材料厚度和抗彎剛度明顯增大，這是孔徑過大導(dǎo)致纖維堆積造成的，且網(wǎng)孔周圍纖維滑移現(xiàn)象嚴(yán)重，故不適宜作為擦拭材料。

表5 不同托網(wǎng)簾生產(chǎn)的水刺非織造材料(面密度為50 g/m2)的厚度及力學(xué)性能

對比相同面密度的不同托網(wǎng)簾生產(chǎn)的水刺非織造材料的力學(xué)性能可得，22目水刺非織造材料更適合用作全棉水刺擦拭材料。

3 總結(jié)

(1) 單纖維抽拔力可以表征纖維的纏結(jié)效果。單纖維抽拔力越大，則纖維間的纏結(jié)越緊密，材料的拉伸斷裂強(qiáng)力越大。

(2) 平紋水刺非織造材料隨著面密度的增加，其力學(xué)性能得到提高，但柔軟度下降，可利用網(wǎng)目結(jié)構(gòu)改善其柔軟度。

(3) 與相同面密度的平紋水刺非織造材料相比，22目水刺非織造材料具有更好的力學(xué)性能及柔軟度，適合用作全棉水刺擦拭材料。