中空桔瓣型高收縮聚酯/聚酰胺6超細纖維非織造布的制備及其性能

朵永超， 錢曉明， 郭 尋， 高龍飛， 白 赫,2， 趙寶寶

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 天津師范大學 物理與材料科學學院，天津 300387； 3. 安徽工程大學 紡織服裝學院， 安徽 蕪湖 241000)

桔瓣型復合纖維是將2種不相容的高聚物通過雙組分紡粘法制備，然后采用物理或化學方法裂離得到超細纖維，其裂離程度取決于紡絲工藝參數、纖維的幾何形狀以及聚合物的組成[1-2]。雙組分紡粘水刺工藝是將雙組分紡粘工藝與水刺工藝相結合的一種非織造材料生產技術，雙組分紡粘水刺非織造布是紡粘長絲纖維網經高壓水射流的沖擊，桔瓣型纖維裂離并相互纏結形成的綠色、高強、輕薄的超細纖維非織造材料，可廣泛應用于高檔擦拭布、高級合成革基布、醫療衛生用品、高精密過濾材料等各個領域[3-5]。目前，市場上桔瓣型復合纖維以16瓣聚酯/聚酰胺6(PET/PA6)纖維為主，通過高壓水刺制備的超細纖維非織造布，由于纖維多為平行走向[6]，其截面呈多角形，編織比較緊實，但纖維織角很小，且部分纖維沒有完全裂離，導致非織造布的手感扁薄，豐滿度不足，彈性和延伸性很小[7]。

針對上述問題，有研究學者通過改變聚合物組分來改善非織造布的性能。Prahsarn等[8]利用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)進行復合紡絲，指出纖維形態結構取決于2種聚合物之間的流變性能和結晶性。Ayad等[9]通過對熔融溫度不同的PP與PA6進行紡絲，指出聚合物黏度是影響雙組分纖維紡絲過程中界面穩定性的關鍵因素。Chureerat等[10]通過對聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)進行復合紡絲，指出纖維的分裂機制不僅取決于每種聚合物組分的特性，還取決于他們之間的相互作用。以上這些研究僅局限于對纖維成形、單根纖維性能的研究表征上，對其制成的非織造布的性能均沒有表述。有研究對PET/PA6非織造布進行柔軟整理發現，開纖率越大，非織造布的柔軟度越高，懸垂性越好[7]；且混合納米纖維使得PET/PA6桔瓣型纖維開纖后形成的鍥型纖維有了相對滑移，提升了其柔軟度[11-12]。趙寶寶等[13]通過調控水刺壓力制備具有梯度結構的雙組分紡粘水刺非織造材料，可有效改善非織造布的透氣性；同時，雙組分纖維與單組分纖維復合形成雙層或三層結構，經水刺后可以防止纖維的密集堆積，可有效改善織物蓬松度及透氣性[14-15]。

柔軟劑整理、聚合物組分改變、結構調整可解決中空桔瓣型雙組分紡粘水刺非織造布的柔軟度問題，但制備的非織造布手感扁薄、豐滿度不足、彈性和延伸性很小的問題不能得到有效解決。研究指出利用熱收縮使纖維產生卷曲可提高非織造布的豐滿度、延展性[16-17]。為此，本文采用高收縮聚酯(HSPET)與PA6聚合物進行復合紡絲，制備了HSPET/PA6中空桔瓣型超細纖維非織造布，探討了熱收縮對非織造布性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

材料：聚酯(PET，特性黏度0.650 dL/g)、高收縮聚酯(HSPET，特性黏度為0.692 dL/g)，工業級，恒逸石化股份有限公司；聚酰胺6(PA6，特性黏度為2.460 dL/g)， 工業級，湖南岳化化工股份有限公司。

1.2 超細纖維非織造布的制備

將HSPET和PA6(二者熔體體積比為7∶3)分別加入雙組分紡粘水刺非織造材料生產線的干燥塔中進行預結晶和干燥處理；然后通過螺桿擠壓機擠壓進入紡絲箱體，經噴絲板(中空桔瓣型，16瓣)噴出得到HSPET/PA6復合纖維，纖維通過側吹風冷卻(溫度為22 ℃)、管式牽伸(牽伸壓力為0.55 MPa) 后均勻地鋪置在輸網簾上形成纖維網；最后纖維網經預加濕后進入水刺區，在高壓水流(水刺總壓力為100 MPa)作用下，纖維開纖并纏結在一起得到HSPET/PA6雙組分紡粘水刺非織造布。通過調節輸網簾的速度制備了面密度為80、120、140 g/m2的HSPET/PA6雙組分紡粘水刺非織造布。同時，本文在相同水刺工藝條件下制備了PET/PA6雙組分紡粘水刺非織造布作為對比。

將HSPET/PA6非織造布在熱收縮處理裝置(熱收縮條件為水浴100 ℃或干熱180 ℃)中進行熱收縮處理，使HSPET組分纖維受熱能夠充分收縮卷曲；最后經烘干、切邊、卷繞成卷，形成超細纖維非織造布。

1.3 超細纖維非織造布性能表征

1.3.1 結構表征

采用TM3030型臺式掃描電子顯微鏡觀察超細纖維非織造布的表面及橫截面形態。

1.3.2 開纖率計算

經水刺作用后的雙組分紡粘水刺超細纖維非織造布中，通常存在未開裂的雙組分纖維和裂離后的超細纖維，根據掃描電鏡照片中相關數據計算各樣品的開纖率(SR，%)。

式中：L為電鏡照片中非織造布的長度，m；h為電鏡照片中非織造布的寬度，m；P為材料的孔隙率，%；N為未開裂纖維根數；df為未開裂纖維直徑，m；u為材料的面密度，g/m2；Tk為材料的厚度，mm；Pf為纖維的平均密度，kg/m3。

1.3.3 熱收縮率測試

通過測量熱收縮前后試樣的面積變化，計算HSPET/PA6雙組分紡粘水刺超細纖維非織造布的熱收縮率(Hs，%)，計算公式為

式中，S0和S1分別為熱收縮前后非織造布的面積，m2。

1.3.4 透氣性能測試

根據GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗方法 第15部分：透氣性的測定》，采用YG461H型全自動透氣儀測試試樣的透氣性，實驗壓差為100 Pa，測試面積為20 cm2。

1.3.5 過濾性能測試

采用PSM-165型濾料孔徑測定儀測試非織造布料的過濾效率及過濾阻力，氣溶膠使用癸二酸二辛脂(DEHS)，質量濃度為300 mg/m3。測試時將非織造布試樣剪裁為圓形(直徑為170 mm)，測試流量為3.4 m3/h(即風速5.33 cm/s)。

1.3.6 柔軟度測試

采用TX013 ST300型皮革柔軟測試儀測試非織造布的柔軟度，測試選用縮環直徑為35 mm。每個樣品測試5次，取平均值。

1.3.7 懸垂性測試

按照GB/T 23329—2009《紡織品 織物懸垂性的測定》，采用YG811L型織物動態懸垂性風格儀測試非織造布的懸垂性能，分別用靜態懸垂系數和動態懸垂系數表征懸垂性。

1.3.8 力學性能測試

根據GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，借助5969型萬能強力機測試試樣的斷裂強力和斷裂伸長率。根據GB/T 3 917.2—2009《紡織品 織物撕破性能 第2部分：褲型試樣(單縫)撕破強力的測定》，借助5969型萬能強力機測試非織造布的撕裂強力。

2 結果與討論

2.1 纖維形貌特征及物理性能分析

通過調整紡絲工藝，制備了HSPET/PA6中空桔瓣型復合纖維，其初生纖維截面如圖1(a)所示?？芍?，HSPET和PA6裂片交替排列，且界面清晰。經高速氣流牽伸后，HSPET/PA6復合纖維的表面如圖1(b)所示?？芍?，纖維表面光滑，表明HSPET/PA6中空桔瓣型復合纖維被成功紡出。進一步對牽伸后纖維的直徑進行測量，結果如圖2所示，可得到HSPET/PA6復合纖維的平均直徑為16.33 μm。

圖1 HSPET/PA6中空桔瓣型復合纖維SEM照片

圖2 HSPET/PA6中空桔瓣型復合纖維直徑分布

HSPET/PA6與PET/PA6纖維性能對比如表1所示?？芍?，PET/PA6纖維在干熱條件(180 ℃)和沸水條件下的收縮率僅為1.09%和1.23%，當復合纖維中PET組分替換為HSPET組分，HSPET/PA6纖維的干熱收縮率和沸水收縮率分別達到了10.57%和12.27%。通常，HSPET纖維的沸水收縮率為35%～45%，但對于HSPET/PA6纖維，當HSPET組分受熱收縮時，由于雙組分界面的作用力，PA6組分束縛了HSPET組分的收縮，因此，收縮率相對較低。同時，高收縮聚酯切片通常加入第3或第4單體，增加了其無定形區域，制備的纖維具有低結晶高取向的特點[17]，因此，HSPET/PA6纖維的斷裂強力低于PET/PA6纖維，斷裂伸長率高于PET/PA6纖維。

表1 中空桔瓣型復合纖維的基本性能

2.2 非織造布形貌特征分析

圖3示出HSPET/PA6雙組分紡粘水刺非織造布的微觀形貌。經高壓水射流沖擊后，非織造布表面的纖維充分裂離，并相互纏結在一起，纖維多為平行走向，無立絨產生，同時從非織造布橫截面觀察到非織造布上下表面開纖率高，中間層開纖率低，存在“夾心”現象。由熱收縮處理后HSPET/PA6非織造布表面形貌可知，HSPET組分裂離后受熱充分收縮產生立絨，顯現出蓬松的效果，同時HSPET組分的收縮促進了非織造布中間層復合纖維的裂離(見圖3(d))。 HSPET組分纖維的收縮避免了復合纖維裂離后截面呈鍥型結構的超細纖維緊密堆積，可有效提升非織造布的飽滿度。

圖4示出不同面密度下桔瓣型雙組分紡粘水刺非織造布的開纖率變化。在相同的水刺壓力下，HSPET/PA6與PET/PA6非織造布的開纖率隨著面密度的增加而降低，其原因是隨著纖維網面密度的增加，纖維網厚度增加，其內部所承受的高壓水射流沖擊的作用力降低，使得非織造布開纖率降低。但是當面密度一定時，在相同的水刺壓力下，HSPET/PA6非織造布的開纖率高于PET/PA6非織造布，這是因為HSPET與PET結晶度及分子鏈結構的差異，使得HSPET與PA6界面之間的作用力更弱導致的。進一步發現通過熱收縮可促進復合纖維的裂離，提高非織造布的開纖率，其中非織造布沸水收縮后的開纖率高于干熱收縮，這是由于復合纖維在水浴中受熱收縮時，水分子的介入削弱了HSPET和PA6界面間的黏附力，在HSPET組分收縮時進一步促進了纖維的裂離[2]。

圖4 不同面密度的非織造布的開纖率

表2示出不同面密度下桔瓣型雙組分紡粘水刺非織造布的熱收縮率。HSPET/PA6非織造布受熱后，HSPET纖維的收縮使得非織造的收縮率最高達到20.31%。同時實驗表明，HSPET/PA6非織造布的開纖率越高其收縮率越高，這是因為未裂離的復合纖維束縛了非織造布的收縮，而PET/PA6非織造布的熱收縮率相對很低。

表2 雙組分紡粘水刺非織造布的收縮率

2.3 透氣性分析

圖5(a)示出不同面密度的非織造布的孔隙率?？芍?，在水刺總壓力為100 MPa時，雙組分紡粘水刺非織造布的孔隙率在80%～85%之間，PET/PA6非織造布的孔隙率高于HSPET/PA6非織造布。HSPET/PA6非織造布經熱收縮處理后，隨著開纖率的增加，非織造布的孔隙率逐漸降低。圖5(b)示出不同面密度的非織造布的透氣性?？芍?，隨著面密度的增加，非織造布的透氣性逐漸降低，在相同面密度下，開纖率越高非織造布的透氣性越低。這是由于隨著面密度的增加，非織造布的厚度逐漸增加，加之纖維裂離程度的增加，促使非織造布的屈曲狀孔徑增多，導致透氣性下降。

圖5 非織造布的孔隙率及透氣性

2.4 過濾效率

圖6、7分別示出3.4 m3/h流量下，不同面密度非織造布的分級過濾效率和過濾阻力。由圖6可明顯看出，在面密度相同時，HSPET/PA6非織造布的過濾效率優于PET/PA6非織造布。對于PET/PA6非織造布，面密度為80 g/m2時由于單位面積的纖維束較少，因此，過濾效率較低；當面密度增加到140 g/m2時，非織造布的開纖率低，使得非織造內的通孔較多，孔徑較大，因此，過濾效率最低；當面密度為120 g/m2時，非織造布的過濾效率最優，對粒徑≥2.5 μm顆粒物的過濾效率接近于100%。對于HSPET/PA6非織造布，由于其開纖率較高，纖維比表面積增加，在相同面密度的條件下HSPET/PA6非織造布過濾效率優于PET/PA6非織造布；HSPET/PA6非織造布面密度為80 g/m2時，對粒徑≥4.5 μm 顆粒物的過濾效率接近于100%；當面密度為120 g/m2時，對粒徑≥2.0 μm顆粒物的過濾效率接近于100%；當面密度為140 g/m2時，對粒徑≥1.5 μm 顆粒物的過濾效率接近于100%。經熱收縮處理后，HSPET/PA6非織造布的過濾效率有略微下降，這是因為HSPET組分的收縮卷曲雖然促進了纖維的裂離，但收縮使得非織造布變得蓬松，致密性下降，因此，過濾效率降低。

圖6 不同面密度的非織造布的過濾效率

由圖7可明顯看出：PET/PA6非織造布的過濾阻力受到面密度和開纖率的雙重影響，當面密度為120 g/m2時過濾阻力達到最大，為70.4 Pa；對于HSPET/PA6非織造布，隨著面密度增加其過濾阻力逐漸增加，在140 g/m2時過濾阻力達到112.6 Pa，由于熱收縮使非織造布的蓬松性提高，因此，過濾阻力較未處理非織造布有所降低。

圖7 不同面密度的非織造布的過濾阻力

2.5 柔軟度分析

圖8示出不同面密度的非織造布的柔軟度變化?？芍?，隨著面密度的增加，非織造布的柔軟度逐漸降低，且HSPET/PA6非織造布柔軟度優于PET/PA6非織造布，這是因為非織造布的開纖率越高，纖維的平均直徑越小，使得纖維的抗彎剛度降低，因此，HSPET/PA6非織造布的柔軟度有了很大的提升。對于HSPET/PA6非織造布，沸水收縮處理使其開纖率提高和蓬松度提升，柔軟度大幅度提高；但是經干熱收縮處理后，纖維分子鏈的移動將引起重新折疊，導致纖維結晶度的提高，纖維的剛性增加，使非織造布的柔軟度降低[17]。

圖8 不同面密度的非織造布的柔軟度

表3示出非織造布的懸垂性能?？芍?，面密度相同時，非織造布開纖率越高則單根纖維的抗彎剛度越低，非織造布的懸垂性能越優。經沸水收縮后由于促進了非織造布纖維的裂離開纖，且結構變得疏松，便于纖維之間產生相對滑移，因此，非織造布的懸垂性能得到進一步提升。

表3 不同面密度的非織造布的懸垂性

2.6 力學性能分析

表4示出不同面密度的非織造布的力學性能?？芍?，隨著面密度的增大，非織造布的縱、橫向強力均逐漸增加。對于相同面密度的非織造布，其縱向斷裂強力大于橫向，但縱向斷裂伸長率小于橫向。這是生產過程中采用直接鋪網的成網方式決定的。且面密度相同時，HSPET/PA6非織造布的斷裂強力低于PET/PA6非織造布，但斷裂伸長率高于PET/PA6非織造布，這是由于HSPET纖維的特點決定的。熱收縮處理可使非織造布的面密度增加，因此，斷裂強力有所提高；同時沸水收縮處理可有效地提高非織造布的開纖率和蓬松性，使其在拉伸過程中纖維之間有較大的滑移距離，因此斷裂伸長率有所提高，說明沸水收縮可有效改善HSPET/PA6非織造布的延展性。

表4 不同面密度的非織造布的力學性能

3 結 論

1)本文研究制備了高收縮聚酯(HSPET)/聚酰胺6(PA6)中空桔瓣型復合纖維，其熱收縮率最高達到12.27%，與PET/PA6中空桔瓣型復合纖維相比，斷裂強力降低，斷裂伸長率提高。HSPET/PA6非織造布中纖維的開纖率高于PET/PA6非織造布，熱收縮處理促進了HSPET/PA6非織造布中纖維的裂離。

2)在面密度相同的條件下，HSPET/PA6非織造布的過濾效率優于PET/PA6非織造布，且過濾效率隨著開纖率的增加而增加，當HSPET/PA6非織造布面密度為140 g/m2時，對粒徑≥1.5 μm顆粒物的過濾效率接近于100%。經熱收縮處理后，HSPET/PA6非織造布的過濾效率有略微的下降，這是因為HSPET組分的收縮雖然促進了纖維的裂離，但收縮使得非織造布變得蓬松，致密性下降，因此，過濾效率降低。

3)HSPET/PA6非織造布受熱收縮，HSPET組分的收縮使得非織造布表面產生立絨，內部結構變得相對蓬松，可有效改善雙組分紡粘水刺非織造布的柔軟度、懸垂性、飽滿度以及延展性。