齊國瑞， 柯勤飛， 李祖安， 黃族健， 靳向煜， 黃 晨

(1. 東華大學 紡織學院, 上海 201620； 2. 福建南紡有限責任公司， 福建 南平 353000)

國際有害化學物質零排放基金會的限制物質清單是以使用禁令為準的化學清單，自2011年起，歐盟已實施禁止使用長鏈氟碳類拒水整理劑的指令[1-2]。無氟拒水劑具有環(huán)保、生態(tài)、健康的優(yōu)點，未來在服用織物上的使用必將發(fā)揮重要的作用，所以采用無氟拒水整理劑是未來發(fā)展的一種趨勢[3-4]。而純棉水刺非織造材料由于其獨特的舒適性、親水性、貼服性在生活中得到了廣泛的應用。目前市場上的衛(wèi)生用品純棉面層的應用并不是特別廣泛，而且目前純棉衛(wèi)生用品面層多采用雙面整理(浸漬)的工藝，會導致雙面拒水的效果，造成尿液在面層一直下不去，易造成濕疹等皮膚病的發(fā)生。

國內，有很多關于純棉材料單面拒水的研究。Junping Zhang等[5]采用浸漬方法將有機硅類拒水整理液涂敷在織物表面，得到超疏水織物，在一定程度上能夠得到單面拒水的織物，但是不適用于低面密度織物，很容易就出現(xiàn)雙面拒水的情況；Yuyang Liu等[6]采用刮刀式涂布機將拒水泡沫整理液涂在了棉織物表面，得到單面超疏水織物，此方法能夠實現(xiàn)材料的單面拒水，但是材料的透氣性等方面有明顯的下降。以上2種整理方法均無法在不改變材料基本性能的基礎上實現(xiàn)低面密度純棉材料單面拒水的效果。在此基礎上，有國外學者通過改變織物和噴霧器之間的距離來控制織物涂層的滲透，得到了差異化的拒水織物[7]，但只能夠實現(xiàn)實驗室中中小面積樣品的整理，且對于材料的均勻性等情況并未涉及。

本文根據(jù)市場化的需求，設計了能夠適用于低面密度的純棉非織造材料的霧化裝置。通過自制的噴霧裝置對低面密度的純棉水刺非織造材料進行整理，能夠在實驗室中達到自動化的目的，在不改變材料基本物理性能的基礎上，使純棉水刺非織造材料達到單向導水的效果。在應用中，將制備的材料用于紙尿褲面層材料，并與市場上的紙尿褲面層進行性能測試對比，其性能遠遠優(yōu)于市場上的紙尿褲面層材料，此種霧化整理的方式為面層衛(wèi)生材料的工業(yè)化應用提供了技術參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

試驗原料：脫脂棉(線密度為2 dtex)。

試驗試劑：冰醋酸，上海凌峰化學試劑有限公司；RUCO-DRY ECO 無氟拒水整理劑，德國魯?shù)婪?RUDOLF GRUOP)集團公司；去離子水；人工尿液(由97.09%去離子水，1.94%尿素，0.8% NaCl，0.11%MgSO4·7H2O和0.06%CaCl2組成)。

儀器：單錫林雙道夫梳理機(東華大學)；Auftrags Nr.T6616型水刺機(德國Fleissner公司)；TM3000型掃描電子顯微鏡(日本日立有限公司)；傅里葉紅外顯微成像光譜儀(賽默飛世爾科技公司)；YG461E型全自動透氣性測定儀(溫州方圓儀器有限公司)；光學接觸角測量儀(德國Dataphysics公司)；CFP-1100-AI型毛細流量孔徑儀(美國PMI有限公司)；M290 MMT型液態(tài)水分動態(tài)管理儀(錫萊亞太拉斯公司)；YG026 MB型多功能電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司)；YG814D型液體穿透儀(溫州方圓儀器有限公司)；滑移量、返濕量測試儀器(自制)；單面整理霧化裝置(自制)。

1.2 試驗方法

1.2.1 整理液的制備

為保證最好的拒水效果，且不影響裝置霧化效果的同時，需要控制拒水劑的濃度，優(yōu)化烘干條件。拒水整理劑的最終使用方法及濃度確定為：在250 mL去離子水中加入1～2滴冰醋酸，調節(jié)溶液pH值在4～6的范圍之內，再加入5 mL無氟拒水整理劑RUCO-DRY ECO，混合均勻，RUCO-DRY ECO的體積分數(shù)為0.67%。霧化整理結束后，將整理好的純棉水刺非織造材料在150 ℃條件下烘干2 min。

1.2.2 霧化裝置的搭建

圖1為自制霧化裝置示意圖。如圖所示，霧化裝置主要由霧化片、霧化電路、過濾棒3部分構成。在單個霧化系統(tǒng)中，經過測量可知霧會偏移垂直軸線17.5°，為保證霧化效果在純棉水刺非織造材料上的均勻性，在裝置的搭建中，取霧化片中間位置間距為2 cm，如圖1所示，然后根據(jù)余弦公式計算可得最佳接收距離：2 cm/sin17.5°=8 cm。

將距離霧化片8 cm處作為純棉水刺材料和拒水整理液的最佳復合位置。搭配的實驗裝置圖如圖1所示，接下來的整理均利用此霧化裝置進行。

圖1 自制霧化裝置

Fig.1 Self-made spray device

1.2.3 整理工藝路線

純棉水刺材料的單面拒水整理主要工藝路線如圖2所示，經過梳理、水刺、烘干、噴霧、烘干、卷繞，在烘干過程中，2次烘干均采用150 ℃。

圖2 工藝路線圖

Fig.2 Process flow chart

純棉水刺非織造材料的面密度為48 g/m2，梳理和水刺采用的工藝參數(shù)如表1、2所示。

表1 梳理參數(shù)

Tab.1 Carding parameters

梳理元件喂給羅拉錫林雜亂輥道夫成卷梳理速度/(m·min-1)0.842516.317.6412.54

表2 水刺參數(shù)

Tab.2 Spunlace parameters

水刺工藝速度/(m·min-1)順序壓力/kPa預水刺2正2 500第1道2正3 500第2道2正4 500第3道2正6 500第4道2正7 500

1.3 測試方法

1.3.1 形貌和化學結構表征

形貌觀察：將整理前和整理后(35 s)材料預調溫濕度((20±2)℃，(65±2)%)后，采用掃描電子顯微鏡進行觀察。

化學結構表征：將整理前和整理后(35 s)材料預調溫濕度((20±2)℃，(65±2)%)后，分別采用傅里葉紅外顯微成像光譜儀進行測試。為減小實驗誤差，將無氟拒水整理劑RUCO-DRY ECO在150 ℃條件下烘干測試。

1.3.2 質量增加率測試

為保證實驗的準確性，將純棉水刺非織造材料先置于150 ℃下烘2 min，立即稱量；霧化整理后，將整理好的純棉水刺非織造材料同樣置于150 ℃下烘2 min，立即稱量；計算處理前后純棉水刺非織造材料的質量增加率。

式中：m1為整理前質量，g；m2為整理后質量，g。

1.3.3 斷裂強力-伸長測試

參考GB/T 24218.3—2010 《紡織品 非織造布實驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，對進行過單面拒水整理的純棉非織造材料的縱向(MD)最大斷裂強力與橫向(CD)最大斷裂強力進行測試，記錄數(shù)據(jù)。

1.3.4 透氣性測試

參照GB/T 5453—1997 《紡織品 織物透氣性的測定》，預調溫濕度((20±2)℃，(65±2)%)，試樣壓差為100 Pa，試樣面積為50 cm2。

1.3.5 孔徑測試

孔徑測試：取3 cm×3 cm大小試樣，滴上浸潤液，將試樣放入樣品室，調節(jié)氣泵壓力為4～8 kPa，進行試驗。依次取未處理(0 s)和噴霧處理時間分別為5，10，15，20，25，30，35 s的試樣進行測試。

1.3.6 接觸角測試

分別取霧化時間為0，5，10，15，20，25，30，35 s的8塊純棉水刺材料，選取同一位置采用光學接觸角測量儀測試其正反面接觸角并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.7 液體穿透時間測試

選用5 mL一次性膠頭滴管和有色染料，將液體從上往下滴落，用秒表記錄液體穿透時間t、液體吸收率B、液體殘留率A、液體透過率C。其中液體穿透時間為液體從上表面不再向下表面穿透的時間。在此過程中，記5 mL有色染料質量為m，上表面液體殘余量為a，純棉水刺非織造材料液體吸收量為b，液體從上表面穿透到下表面的液體質量為c，則

1.3.8 液態(tài)水分動態(tài)管理能力測試

在測試前，試樣應放在平面上,將試樣置于溫度為(21±1)℃，相對濕度為(65±2)% 的條件下調濕 24 h；配制測試溶液(在1 L水中放入 9 g氯化鈉，溶解均勻)，然后按下注水“Pump”鍵按鈕，將容器內的液體吸出滴落在毛巾上，直到被清洗干凈無氣泡為止[8]；每塊材料上選取大小為8.0 cm×8.0 cm的試樣 5 塊，測試時間選擇為 300 s，皮膚接觸面(霧化整理面)朝上，進行測試，并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.9 紙尿褲性能測試

紙尿褲性能測試包括液體穿透時間、滑移量、返濕量。液體穿透時間指的是液體垂直方向上穿過非織造材料所用的時間，參考GB/T 24218.13—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第13部分：液體多次穿透時間的測定》進行測定；返濕量指的是液體透過非織造面層材料以后反滲到表層的液體質量，參考GB/T 24218.14—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第14部分：包覆材料返濕量的測定》進行測定；滑移量是流經液體表面但沒有穿透試樣或沒有被吸收的液體質量[8]，參考GB/T 24218.11—2012《紡織品 非織造布試驗方法 第11部分：溢流量的測定》進行測定。

2 結果討論與分析

2.1 形貌和化學結構分析

圖3示出純棉水刺材料在經過霧化拒水整理前后SEM照片。從圖3中a看出，整理前棉纖維為親水性材料，親水性接觸角約為28.6°，當水滴與純棉非織造材料接觸時，水滴馬上鋪展。經過霧化拒水整理后，如圖3中d所示，純棉非織造材料表面由親水變成疏水，疏水性接觸角約為123.2°。圖3中b、e分別為整理前后棉纖維表面在300 μm下的微觀形態(tài)，可明顯看出水刺的痕跡，但是表面并沒有可見的顆?；蛘弑∧ぃ砻娴睦w維或者纖維的組合狀態(tài)無明顯改變，由此可見霧化整理對材料的宏觀狀態(tài)并沒有造成影響。圖3中c、f為整理前后棉纖維表面在50 μm下的微觀形態(tài)，表面沒有可見的顆粒或者薄膜，但是可以看出圖3中f纖維表面的溝壑要比圖3中c少得多，這是由于霧化拒水整理對纖維的粗糙度造成了影響。一般來說，對于不同的纖維，纖維的粗糙度越大其拒水性能越好[9-10]。但是拒水整理中的拒水劑可與纖維表面的基團發(fā)生化學反應，從而填補了這些溝壑，使其凹陷程度降低，可以看出霧化拒水整理能夠使纖維表面的粗糙度降低[11-12]。由此可見，霧化拒水整理雖然對材料的宏觀狀態(tài)沒有影響，但是在一定程度上降低了纖維表面的粗糙度。

圖3 霧化拒水整理前后電鏡照片對比圖

Fig.3 Comparison of SEM images before and after water spraying repellent finishing

圖4示出霧化拒水整理前后純棉水刺非織造材料以及烘干后的拒水整理劑RUCO-DRY ECO的紅外光譜。純棉材料處理前的主要特征峰在3 334，1 055 cm-1處；無氟拒水整理劑RUCO-DRY ECO的主要特征峰在2 918，2 850，1 735 cm-1處；純棉材料處理后的特征峰在3 334，2 918，2 850，1 735，1 055 cm-1處?？梢钥闯?，無氟拒水整理劑RUCO-DRY ECO的特征峰值全部在處理后的純棉材料中出現(xiàn)，表明材料上具有了拒水的不含氟基團。

圖4 霧化拒水整理前后FI-TR對比圖

Fig.4 Comparison of FI-TR before and after water spraying repellent finishing

2.2 質量增加率和強力-伸長性能分析

霧化拒水整理的原理是：霧化電路中產生和霧化片諧振頻率一致的電加于霧化片上，霧化片產生振動能量。振動能量在整理液中沿著與霧化片表面垂直的方向傳播，在霧化孔處產生大量且微小的張力波，整理液被分成很多微小的粒子，這些微小粒子在150 ℃條件下與純棉水刺材料表面相結合，形成拒水基團，材料質量增加，從而賦予材料表面拒水效果[13-14]。圖5示出霧化拒水整理前后純棉水刺非織造材料的質量增加率?？梢钥闯觯S著噴霧時間的延長，純棉水刺材料表面的基團與無氟拒水整理劑RUCO-DRY ECO中的基團相結合，材料的質量也在增加，故噴霧整理時間越長，其質量增加率越大，這也很好地說明霧化拒水時間越長，其表面拒水效果越好。

圖5 霧化拒水整理前后質量增加率

Fig.5 Percentage increase in mass before and after water spraying repellent finishing

圖6示出霧化整理前后純棉水刺非織造材料的最大斷裂強力對比。如圖6(a)所示，隨著霧化拒水時間的延長，純棉非織造材料的MD方向斷裂強力在40～50 N之間，并沒有遞增遞減明顯的變化規(guī)律。同樣，如圖6(b)所示，處理前后純棉非織造材料CD方向的斷裂強力曲線也沒有明顯的變化。但是從圖6(a)、(b)可以看出，MD方向最大斷裂強力>CD方向最大斷裂強力，且二者比為1.42，這也符合非織造水刺材料的最大強力斷裂趨勢。由此可以看出，霧化拒水整理對純棉非織造材料的拉伸斷裂性能并不會造成影響。

圖6 霧化拒水整理前后最大斷裂強力對比

Fig.6 Comparison of maximum breaking strength before and after water spraying repellent finishing. (a)MD direction;(b)CD direction

2.3 透氣性和孔徑分析

圖7示出霧化拒水整理前后純棉水刺非織造材料的孔徑分布。如圖7(a)所示，隨著噴霧時間的延長，純棉非織造材料的平均孔徑均在28～32 μm之間，且經過15 s和20 s處理后的純棉非織造材料與未處理(0 s)材料的孔徑差值很小。由此可以得出，對純棉非織造材料進行噴霧處理并不影響其平均孔徑的大小。由圖7(b)看出，4種處理時間下的孔徑分布均集中在20～35 μm之間，隨著噴霧量的增加，孔徑分布并沒有呈遞增遞減的趨勢。由此可以得出，噴霧處理對純棉非織造材料的孔徑分布也沒有明顯的影響。

圖7 霧化整理前后孔徑變化

Fig.7 Change in pore size before and after spraying finishing. (a)Average aperture; (b) Pore size distribution

圖8示出處理前后純棉非織造材料的透氣性變化?？梢钥闯?，隨著噴霧時間的延長，其透氣率均在2 000～2 500 mm/s之間，很明顯并沒有呈現(xiàn)遞增或者遞減的趨勢。由此可見，霧化整理的方式只是將拒水整理劑霧化，然后在150 ℃條件下和純棉材料表面的基團發(fā)生接枝反應[15]，但是對其孔徑和透氣性并沒有什么影響。

圖8 霧化整理前后透氣性變化

Fig.8 Air permeability changes before and after spraying finishing

2.4 接觸角和液體穿透情況分析

圖9示出親水面(未被霧化面)和 疏水面(霧化整理面)接觸角?？梢钥闯?，在噴霧時間等于0 s時，純棉水刺非織造材料兩面均表現(xiàn)為親水性。從圖9(a)看出，在0～25 s時間內，隨著噴霧時間的延長，親水面的接觸角并沒有發(fā)生變化，但是當噴霧時間為30 s和35 s時，親水面的接觸角明顯增大；而從圖9(b)可明顯看出，一經噴霧整理后，疏水面均表現(xiàn)為疏水性，且隨著噴霧時間的延長，疏水面的接觸角逐漸增大。

圖9 處理前后親疏水面接觸角

Fig.9 Hydrophobic contact angle before and after spraying finishing. (a) Hydrophilic surface; (b) Hydrophobic surface

在霧化過程中，無數(shù)個被霧化的拒水小顆粒均勻地分布在噴霧裝置和材料之間，由于顆粒的濃度增大，導致噴霧裝置和傳送裝置之間的壓強P增大，純棉水刺非織造材料的受力面積S是不變的，根據(jù)物理壓力公式F=PS可以得出，拒水顆粒對純棉水刺非織造材料有一個較小的力F的作用。當F值增大到一定程度時，拒水顆粒就會滲透到另外一面，造成親水面的接觸角增大。當0 s≤噴霧時間≤25 s時，此時霧對材料表面的力F<純棉材料內部與霧產生的摩擦力f，所以霧無法滲透到材料的親水面，此時材料兩面的接觸角之差逐漸增大，其單向導水的效果增強；當25 s<噴霧時間≤35 s時，此時霧對材料表面的力F>純棉材料內部與霧產生的摩擦力f，所以霧從材料的疏水面滲透到了親水面；當F與f的值越大時，其滲透到親水面的霧的量越多，親水面的親水性能下降越快，其接觸角越大，材料的單向導水的效果下降?？梢钥闯觯攪婌F時間為25 s時，其單向導水的效果最好。

表3示出噴霧時間為20，25，30 s時的液體穿透情況?？梢钥闯觯涸趪婌F時間為25 s時，當液體從材料處理面滲透到未處理面其液體透過率C達到最大，液體殘留率A也相對較??；當液體從材料未處理面滲透到處理面時，其液體透過率為0。由此得出，當噴霧時間為25 s時，材料的液體穿透情況為最佳。

表3 噴霧時間為20、25和30 s時液體穿透情況

Tab.3 Liquid penetration when sprayingtime is 20, 25 and 30 s

噴霧時間/s方向t/sB/% A/% C/%20↓3.226668↑3.22864825↓4.020575↑4.02575030↓5.2241858↑5.222780

圖10為霧化拒水整理時間為25 s時的液體的動態(tài)滲透過程示意圖。當液體從處理面(疏水面)滴向未處理面(親水面)時，0 s時：液滴與材料接觸，材料呈現(xiàn)了很明顯的拒水效果；而在1～4 s的過程中，可以很明顯看出液體的穿透過程，而且在4 s時就可以明顯看出液體已經完全滲透到另一面。當液體從未處理面(未被霧化面)滴向霧化拒水處理面時，隨著時間從0 s→1 s→2 s→4 s，液滴在上表面集聚，但是并沒有穿透到下表面。由此可以看出，經過霧化拒水整理的純棉水刺非織造材料具有良好的單向導水效果[16-17]。

圖10 液體穿透過程示意圖

Fig.10 Liquid penetration process

2.5 液態(tài)水分動態(tài)管理能力分析

為表征材料不同霧化拒水整理時間的單向導水的能力，采用MMT動態(tài)水分測試管理儀[18]進行測試。單向傳遞指數(shù)(AOTC)是織物2個表面吸水量的差值，液態(tài)水動態(tài)傳遞綜合指數(shù)(OMMC)是液態(tài)水在織物中動態(tài)傳遞綜合性能的表征，主要由織物上表面的吸水速率、織物的單向傳遞指數(shù)以及織物上表面的浸濕干燥速度3個方面綜合表現(xiàn)的。AOTC和OMMC性能評級表如表4所示，AOTC>400為極好，OMMC>0.8為極好。

表4 AOTC和OMMC性能評級表

Tab.4 AOTC and OMMC performance rating table

評語 單向傳遞指數(shù)(AOTC)/%液態(tài)水動態(tài)傳遞指數(shù)(OMMC) 非常差<-500～0.2 差<-500.2～0.4 好100～2000.4～0.6 非常好200～4000.6～0.8 極好>400>0.8

圖12 不同噴霧處理時間的MMT示意圖

Fig.12 Schematic diagram of MMT for different spraying treatment time

圖11示出純棉水刺非織造材料的AOTC和OMMC隨噴霧時間的變化規(guī)律?？梢钥闯?，隨著噴霧時間的延長，其AOTC和OMMC均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在0～25 s范圍內，經過霧化拒水整理的純棉非織造材料其AOTC和OMMC值均在一定程度上增大，但是其OMMC值增幅最為明顯。且經過處理的材料，OMMC在處理5 s時能夠大于0.8，達到極好等級；而AOTC在處理時間為5 s時也已接近400，接近于極好，之后的數(shù)據(jù)均大于400，達到了極好等級。從圖11可明顯看出，在25 s時，其AOTC和OMMC均達到最大。但是，在處理時間為35 s時，其AOTC和OMMC值均在一定程度上減小，由于水分的存在，霧化整理液從一面滲透到了另外一面，兩面形成了差異化的拒水效果，這與圖10中接觸角的增大一致。

圖11 不同噴霧處理時間的AOTC和OMMC示意圖

Fig.11 AOTC and OMMC for different spraying treatment time

當液體進行單向傳遞時，織物兩面的含水率可以表征液體動態(tài)傳遞的過程。當織物具有單向導水的性能時，液體從接觸角較大的一面?zhèn)鬟f向接觸角較小的一面，從而產生液體的動態(tài)傳遞過程。圖12分別為不同噴霧處理時間的MMT示意圖。

從圖12(a)可明顯看出，當噴霧時間為0 s時，下表面(疏水面，即霧化面)和上表面(親水面，即非霧化面)兩面的含水率幾乎是相同的，但始終下表面略大于上表面，這是由于液體本身的自重導致液體總是從上表面流向下表面。但是當5 s≤噴霧時間≤35 s時，經過噴霧整理的上表面含水率越來越小，下表面的含水率越來越大，而下表面和上表面兩面的差值也越來越大，說明材料從上表面?zhèn)鬟f向下表面的液體含量越來越多，可以看出經過噴霧整理的非織造材料具有良好的單向導水性能。當噴霧時間為25 s時，純棉水刺非織造材料的單向導水效果最好，此時其AOTC值可達1 093%，OMMC值可達0.960 6。

3 在紙尿褲中的應用

目前采用純棉材料作為紙尿褲面層已經成為發(fā)展趨勢。為驗證霧化整理方式在純棉材料上的應用優(yōu)越性，將用霧化拒水整理25 s所得的純棉材料試樣(記作A)進行打孔，并選取市場上的代表性純棉紙尿褲的2個面層試樣(記作B)進行了性能測試，試樣A和試樣B均為35 g/m2的大網孔純棉材料，圖13為試樣A和B的外觀形貌圖。

圖13 A、B試樣外觀形貌圖

Fig.13 Appearance morphologies of samples A and B topography

表5示出試樣A和B的性能測試結果?？梢钥闯?，試樣A的液體穿透時間、滑移量、返濕量分別為試樣B的0.47，0.10，0.42倍。

表5 試樣A和B的液體穿透時間、滑移量和返濕量

Tab.5 Liquid penetration time, slip amount andmoisture return amount of samples A and B

試樣液體穿透時間/s滑移量/g返濕量/gA1.060.092 30.052 2B2.240.918 10.124 8A與B比值0.470.100.42

液體穿透時間越小，尿液通過紙尿褲面層的時間越短；滑移量越小，紙尿褲面層越干爽；返濕量越小，紙尿褲面層越舒適。從表6可明顯看到，不論是液體穿透時間、滑移量，還是返濕量，試樣A均優(yōu)于試樣B。

4 結 論

1)采用自制的霧化裝置對純棉非織造材料進行霧化整理能夠實現(xiàn)很好的單向導水效果。對材料處理25 s時，其單向導水效果達到最優(yōu)值，單向傳遞指數(shù)(AOTC)可達1 093%，液態(tài)水動態(tài)傳遞綜合指數(shù)(OMMC)可達0.960 6，液體穿透時間可達4 s。

2)利用自制霧化裝置整理的紙尿褲純棉面層材料的性能優(yōu)于市場上的紙尿褲純棉面層材料。采用自制霧化裝置整理的材料的液體穿透時間、滑移量、返濕量分別為市售紙尿褲純棉面層材料的0.47，0.10，0.42倍。