聚乳酸纤维热轧非织造布热轧温度的优化

(常州纺织服装职业技术学院，常州市新型纺织材料重点实验室，常州，213164)

热轧非织造布是通过纤维的开松、混合、梳理，形成纤网，输送给一对加热的轧辊，纤网中的纤维受到轧辊的加热和压力作用，发生熔融黏结，从而实现纤网固结而制得的［1］。热轧法具有工艺流程短、生产速度高、能耗低、产品不带有任何化学试剂和对人体无害的特点。热轧非织造布主要用于加工医疗卫生材料、手术衣帽、包装材料、农用材料和垫材等。

可用于生产热轧非织造布的纤维品种较多，性能差异大，故需根据产品的用途，充分利用各种纤维的特点，适当选配使用，以改善非织造布的质量。

用于生产卫生材料的非织造布常用的原料是ES复合纤维。ES纤维是用不同熔点的聚合物经复合纺丝制成的。如由聚乙烯(PE)与聚丙烯(PP)复合的皮芯型纤维，其外层组分PE的熔点较低，在外力和热的作用下，与主体纤维相互黏结，而构成非织造布。该非织造布产品手感柔软，强度和尺寸稳定性好，能满足卫生巾、尿片等使用的包覆材料的要求，但是难以降解，存在使用废弃后造成大量白色污染的问题。

聚乳酸(PLA)纤维也称为玉米纤维，是采用可再生的玉米、小麦等淀粉原料经发酵转化成乳酸，然后经聚合、纺丝而成。PLA纤维是一种可完全生物降解的合成纤维［2］，其制品废弃后在土壤或海水中经微生物作用可分解为二氧化碳和水，燃烧时不会散发毒气，不会造成污染，是一种可持续发展的生态纤维。研究PLA纤维在热轧非织造布中的应用，对于该纤维的产业化推广，促进非织造布产品的发展具有重要意义。

1 PLA纤维的特点

本研究选用日本产PLA纤维，其与PP/PE复合短纤维物理性能的比较见表1。

表1 PLA纤维与PP/PE复合短纤维物理性能比较

由表1可知:PLA纤维的熔点与PP纤维接近，适宜采用热轧工艺生产非织造布;PLA纤维的断裂强度和断裂伸长率比PP/PE复合短纤维小，而卷曲数比PP/PE复合短纤维略多。

2 PLA纤维热轧非织造布的工艺技术路线

本试验在常州某公司进行，该厂的生产设备为台湾产热轧机，其工艺流程配置如下:

两台开包机→一次开松→立箱(含回棉机构)→二次开松→风压式振动棉箱→梳理机→皮帘→热轧机→卷取机→分切验布机。

2.1 梳理

梳理工序是热轧非织造布生产的关键工序，其主要任务是:进一步开松纤维，将纤维梳理成单根纤维状态;进一步使纤维混合均匀并梳理成网;在锡林和道夫间插入高速旋转的杂乱罗拉，使纤网的纤维杂乱排列，减小产品纵横向强度差异。

2.2 热轧

热轧工艺的要素主要是热轧温度、轧辊压力和热轧线速度［3］。

有关研究表明［4］，热轧温度的选择要根据原料的熔融点来确定。当温度偏低时，纤维间不能构成一个相互熔融的网状整体，使纤网黏合不足，达不到应有的强度;当温度超过最大设定值时，纤维黏合点易发生断裂，破坏纤维原纤化结构，使非织造布强度下降。

本研究上轧辊采用花辊，下轧辊采用光辊。当纤网通过热轧辊时，花辊表面占一定比例的花纹凸点与纤网及光辊表面接触，对纤网施热和加压，使纤网在接触点形成黏结点，从而达到固结纤网的目的。为了防止纤维黏结在花辊上，因而设定花辊的温度比光辊的温度低。

热轧非织造布是靠纤维与纤维之间的热黏合来固结的，需要轧辊有适当的温度和压力，压力的大小直接影响产品的纵横向强度及柔软度。研究表明［5］:在其他条件一定时，轧辊有一个最佳线压力;当轧辊压力小于最佳线压力时，增加轧辊压力，其产品的强度和柔软度会随之提高。在PLA纤维热轧非织造布生产中，轧辊压力一般控制在3.9～4.5 MPa范围内。

热轧机的生产线速度直接影响纤网受压受热时间。当热轧线速度过慢时纤网会粘在轧辊上，当热轧线速度过快时部分纤维没有黏结或黏结不牢，从而使产品的强度降低。本试验使用的设备，其生产线速度范围为60～85 m/min。

3 试验部分

热轧工艺直接影响热轧非织造布的强度及柔软度。本研究采用传统的轧辊压力和热轧线速度，重点讨论热轧温度对非织造布强度和柔软度的影响。

3.1 性能测试

(1)拉伸性能:采用YG026M电子织物强力仪，夹持距离100 mm，拉伸速度100 mm/min，试样宽度5 cm。

(2)硬挺度:采用LLY-01电子硬挺度仪，仪器的测量角度45°，试样规格25 mm×250 mm，试样压板推速0.3～0.5 cm/s。取正反两次的平均抗弯长度作为某方向的抗弯刚度。

上述试验试样数量均为10块，其中5块试样的长边平行于非织造布的纵向，5块试样的长边平行于非织造布的横向。

3.2 试验方案与结果

在4.4 MPa的轧辊压力和65 m/min的热轧线速度条件下，改变热轧温度，生产20 g/m2的PLA热轧非织造布，并对其纵横向断裂强度和硬挺度进行测试分析，以期寻找最优的热轧温度。

PLA纤维的热熔温度范围在165～175℃之间，因而选择上下轧辊表面温度为155～165℃之间，以2℃为间隔在该温度范围内改变上下轧辊的温度。

轧辊表面温度对热轧非织造布纵横向强度的影响见图1。

轧辊表面温度对热轧非织造布柔软度的影响见表2。非织造布的抗弯长度值大，说明其比较硬挺，柔软度较差。

试样总抗弯长度VH按下式计算:

式中:Cj——纵向平均抗弯长度;

Cw——横向平均抗弯长度。

图1 轧辊表面温度与热轧非织造布纵横向强度的关系曲线

表2 不同轧辊温度条件下非织造布抗弯长度测试结果

4 结果分析

图1显示，随着轧辊温度的升高，样品的纵横向断裂强度增大，但是当轧辊温度达到161℃时再提高轧辊温度，样品的强度反而下降。主要原因是在一定的温度范围内，轧辊温度的提高使纤维表面熔融效果改善，增加了纤维间的黏结牢度;而当轧辊温度超过纤维的熔点后，纤维大分子结构遭到破坏，造成样品强度下降。

表2显示，热轧非织造布的弯曲长度随着轧辊温度的上升而增加，说明其柔软度随着轧辊温度增加而下降。这是因为轧辊温度越高，PLA纤维熔融越充分，从而使纤维之间的黏结状况变好，硬挺度增加，柔软度下降。

以最高强度80%的热轧温度区域为热轧温度黏合窗口［6］，计算得出PLA纤维的热轧温度黏合窗口为157～164℃。生产中，可以根据用户对产品强度和柔软度的要求在此窗口中进行热轧温度的选择。

5 结论

(1)PLA纤维的熔点为165～170℃，与PP/PE复合短纤维中的芯层PP纤维接近，适宜采用热轧工艺生产PLA纤维非织造布。

(2)随着轧辊温度的升高，PLA纤维热轧非织造布的纵横向断裂强度增大，但是当轧辊温度达到161℃时，再增加轧辊温度，其强度反而下降。

(3)随着轧辊温度的升高，PLA纤维热轧非织造布的弯曲长度增加，说明其柔软度随着轧辊温度增加而下降。

(4)PLA纤维的热轧温度黏合窗口为157～164℃。生产中，可以根据用户对产品强度和柔软度的要求在此窗口中进行热轧温度的选择。

［1］ 言宏元.非织造工艺学［M］.北京:中国纺织出版社，2010.

［2］ 陈宽义，沈季疆.玉米纤维水刺非织造布的研究开发［J］.产业用纺织品，2009，27(7):6-9.

［3］ 张玉庆，吴宏明，李忠明.热轧非织造布热轧黏合机理的初步探讨［J］.合成技术及应用，1994(3):20-23.

［4］ 张月庆，钱晓明.纺粘法非织造布的黏合机理及热轧工艺对产品性能的影响［J］.非织造布，2011(6):11-14.

［5］ 周宏辉，尹宝林.薄型热轧非织造布强力与柔软度平衡关系的研究［J］.产业用纺织品，2000，18(7):16-19.

［6］ 邓福元，李翠兰.卫生用薄型热轧非织造布的生产技术及其展望［J］.西北纺织工学院学报，1999(12):403-407.