浆粕及木浆纸水刺非织造布的结构与性能

资源类型:pdf 资源大小:464.00KB 文档分类:工业技术 上传者:同鑫

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【作者】 张静峰  靳向煜  饶剑辉 

【关键词】水刺 浆粕 扁平纤维 弯曲刚度 缠结 

【出版日期】2005-06-15

【摘要】通过分析扁平矩形截面纤维和圆形截面纤维的惯性矩和弯曲刚度,讨论了浆粕水刺复合非织造布和木浆纸水刺复合非织造布的拉伸性能和纤维缠结机理。

【刊名】纺织学报

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在非织造布固结技术中,水刺法突破了传统工艺,利用细微的高压水针,对托网帘上的纤网进行连续喷射,使纤网中的纤维无规则地缠结、抱合、加固,从而使最终产品具有优良的悬垂性、柔软的手感和较好的卫生性,广泛应用于各个领域。随着工艺技术的发展,近几年,在水刺工艺基础上开发出的浆粕气流成网非织造布和木浆纸复合非织造布,以其质优价低,吸湿性强的特性而大受青睐[1]。1实验部分1.1实验材料浆粕涤纶水刺复合非织造布(Pulp PES);木浆纸涤纶水刺复合非织造布(Tissue PES);蓝色木浆纸(Tissue)。1.2实验仪器扫描电子显微镜型号为JSM5600LV,分辨率为高真空3.5nm、4.5nm,放大倍率为18万~30万倍。南通宏大HD026N电子非织造布强力仪:试样夹距为200.00mm,拉伸速度为100.00mm min,预加张力为2.00N。2结果与分析2.1木浆纤维与涤纶纤维的弯曲性能采用的浆粕和木浆纸原料均来自于木材的天然纤维素纤维,在电子显微镜下观察呈扁平带状,长度为2.45~4.10mm,宽度为39.2~63.8μm,厚度为3~5μm。一般木浆纤维宽度和厚度比大于10。按照木材的生长时期和生长形态,可分为早材和晚材。木浆纤维主要由管胞、木射线管胞等组成,管胞是细长的管状细胞,早材管胞上有圆形或扁圆形的纹孔[2],大多数沿着纤维轴向排成一个纵列或两个纵列结构,见图1。呈扁平状的为木浆纤维,将木浆纤维的表面特征与造纸纤维显微图谱相比较,可知它图1木浆纤维的表面形态是造纸行业中常用的红松木浆。木浆纤维具有多羟基的化学结构,使纤维素亲水,该材料与截面为圆形的涤纶纤维复合,在保证力学性能的同时,可大大提高非织造产品的吸湿性。纤维材料的弯曲刚度:Rf=EI,式中E为纤维的弹性模量(cN cm2),I为纤维的断面惯性矩(cm4),则Rf表示纤维材料抵抗弯曲变形的能力,其值越大,纤维弯折的曲率越小,越不容易变形。根据合成纤维成形机理,普通非织造用合成纤维从严格意义上讲,其横断面不是正圆形,因此在计算纤维弯曲刚度时,引入了截面形状系数ηf,且ηf小于1。纤维弯曲时总是在它最容易弯曲的方向弯折,其弯曲刚度为[3]:Rf=π64Ed4·ηf(1)式中d为纤维的理论直径。由此可见,降低纤维直径可大大减低纤维抗弯曲变形的能力,在同样水刺压力条件下可有效地提高纤维的缠结效果。根据纤维结构假设其截面形状为扁平矩形,见图2,一般木浆纤维的BH>10。在z轴方向上,木浆纤维的弯曲刚度为:Rf=E·BH312(2)图2矩形和圆形截面惯性矩计算用图将矩形截面的断面惯性矩除以同面积圆形截面惯性矩,定义为相对截面惯性矩。其相对截面惯性矩为:I1=I矩I圆=H212d4<1(3)对于截面形状系数为ηf的圆形,其相对截面惯性矩I2=I圆·ηf I圆=ηf。本文实测木浆粕纤维宽41.3μm、厚3.85μm,则木浆粕纤维截面积为41.3μm×3.85μm=159.0μm2,与它同面积的圆形截面的直径为14.23μm,由式(3)可得I1=3×10-5,而涤纶的截面形状系数为0.91,即I2=ηf=0.91,所以I1值远小于I2值。由此可见,扁平矩形的相对截面惯性矩小于圆形。在同样纤度情况下,扁平形纤维易弯曲。2.2浆粕和木浆纸水刺复合非织造布结构分析2.2.1浆粕水刺复合非织造布结构分析木浆粕水刺复合非织造布工艺,首先将梳理成网的涤纶短纤纤网经过预水刺,作为底层衬网,防止过多浆粕纤维在水压作用下的流失;再采用气流成网工艺,在纤网上加上浆粕纤维,木浆粕经开松、分离、机械加工处理后输入成形头再吸至梳理成网的纤网上;然后经多道水刺予以固结。纤网通常使用化学纤维,纤维均匀度较高,见图3。当纤网连同气流成网的浆粕纤维进入水刺区后,受到高压水流的喷射,在这种湿态条件下,浆粕纤维内部相邻的纤维素分子之间的氢键被水分子破坏,导致抗弯模量和弹性回复率下降,工艺过程中反而增加了浆粕纤维的柔顺性。由于水刺的冲击作用,纤维随着水流进入纤维网的缝隙,高速运动的水流使它无规则地钻入纤网内部,同时水流穿过纤网后,撞击在托网帘上,又以一定角度向四周反弹,形成对纤网的反向冲击。穿过纤网的部分浆粕纤维在水流的冲击下,从纤网的反面重新折回,穿插到纤网内部,它的轨迹是随机形成的,图4所示为浆粕水刺非织造布的复合过程。图3浆粕水刺非织造布图4浆粕水刺非织造布复合过程除了水针直接冲击在上层的木浆纤维外,同时涤纶纤维网中的纤维也会随着水流的作用进行穿插纠缠,由于在线梳理成网的过程中纤维主要沿着机器方向排列,纤维相互抱合使纤维之间运动困难,而且水针自上而下喷射,受到上层浆粕纤维的阻挡,因而减弱了外力对它的作用,缠结效果相对较差。故而在木浆粕水刺复合纤网中,底层网中的涤纶纤维在非织造布厚度方向上的穿插效果不明显。经烘干后,木浆纤维的纤维素分子在氢键作用下重新结合成交联结构,使纤维变硬挺而伸直、收紧和相互作用,纤网中的浆粕纤维形成良好的结合,有效地防止了起毛和脱落现象。2.2.2木浆纸复合非织造布结构分析这种工艺是将梳理成网的纤维材料上加一层木浆纸,然后一起经过多道水刺进行复合、加固。水刺工艺过程中木浆纸被水浸湿后,纸张中纤维与纤维间的氢键作用被水与纤维间的键合取代,使木浆纸结合强度大大降低。部分木浆纤维随着水流压力的作用,穿插进入下面的纤维网中,并与之抱合、纠缠。其过程类似于浆粕水刺复合,见图5。从非织造布正面照片中可以看出,试样中有明显的水刺痕迹,水刺使木浆纸结构被破坏,木浆纤维穿插到涤纶纤网中。而未受到水流充分冲击的部分保持原状。经烘干后,木浆纤维之间仍以氢键的形式结合起来。从浆粕和木浆纸复合非织造布的反面电镜照片可以看出,它们的纤维缠结情况相类似,均有少量单根木浆纤维穿过涤纶纤网,同时在水刺点上,数根相互钩接、缠结的木浆纤维一起穿刺到非织造布反面,呈现出团块状,它们之间既相互缠结,又存在氢键作用。图5木浆纸水刺非织造布图6木浆纸图6为木浆纸电镜照片,由于添加各种造纸助剂以及纤维间的相互作用,木浆纤维伏贴在一起,粘结非常紧密。经水刺后,非织造布正面的木浆纤维之间结合点变少,结合力变小,纤维比较蓬松,复合而成的非织造布手感柔软、滑糯、丰满,与木浆纸光滑、脆硬的性质大不相同。2.32种非织造布的强力与伸长性能在2种非织造材料的拉伸测试中,随着夹头的移动,纤网会产生一个由外向内的分力。即纤网中每层纤维都向它的内层施加一定的压力,形成了从纤网的外层向它的中间逐步增加径向压力,拉伸试样出现中间变窄的现象[4]。根据表1的测试结果,2种产品的纵向断裂强力∶横向断裂强力大于3∶1,而横向断裂伸长率约为纵向的3倍。主要是因为梳理成网的涤纶纤维沿纵向平行排列的程度较高的缘故。对浆粕水刺复合非织造布和木浆纸水刺复合非表1浆粕水刺和木浆纸水刺复合非织造布的强力和伸长实验材料厚度mm面密度(g·cm-2)断裂强力N断裂伸长率%纵向横向纵向横向浆粕复合非织造布0.3859109.1023.7038.57103.61木浆纸复合非织造布0.3072128.3636.3033.31127.07木浆纸0.0840102.341.88织造布的强力影响为:随着纤网定量的提高,纤维缠结度变好,纵横向强力均有显著增加;木浆纤维覆盖程度提高,大量木浆纤维以氢键结合,又相互纠缠抱合,使强度增加;水刺后,在木浆纸水刺复合非织造布中仍含有一定量的造纸助剂,使木浆纤维粘结,强力相对较高。3结论1)由于扁平矩形的相对截面惯性矩小于圆形,在同样线密度下,扁平纤维更容易弯折。因而在木浆纤维水刺复合产品中,木浆纤维的纠缠、圈结和穿插作用更明显。2)浆粕水刺复合和木浆纸水刺复合非织造布的固结机理除木浆纤维镶嵌、钩接、抱合作用外还存在氢键的结合。3)2种产品相比,浆粕水刺复合非织造布生产中,由于浆粕纤维网相对松散,易被水流冲走,纤维的损失率高,而木浆纸复合的水刺非织造布在水刺过程中能耗较高,产品的柔软性比前者差。浆粕及木浆纸水刺非织造布的结构与性能@张静峰$东华大学纺织学院!上海200051 @靳向煜$东华大学纺织学院!上海200051 @饶剑辉$东华大学纺织学院!上海200051水刺;;浆粕;;扁平纤维;;弯曲刚度;;缠结通过分析扁平矩形截面纤维和圆形截面纤维的惯性矩和弯曲刚度,讨论了浆粕水刺复合非织造布和木浆纸水刺复合非织造布的拉伸性能和纤维缠结机理。[1]EileenWubbe.Innovationboostsspunlace[J].NonwovenIndustry,2003,(3):46. [2]王菊华.中国造纸原料纤维特性及显微图谱[M].北京:中国轻工业出版社,1999.43-44. [3]于伟东,储才元.纺织物理[M].上海:东华大学出版社,2002.126. [4]王延熹.非织造布生产技术[M].上海:中国纺织大学出版社,1998.425.

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