（纺织工程专业论文）超吸水热防护多层织物的研究.pdf

摘要 本文根据水分蒸发吸热原理，研制一种超吸水热防护多层织物，以期为高温防 护服的研发开辟一条新的途径。该织物外层采用阻燃粘胶与细旦涤纶混纺织成纬平 针织物；中间层利用超吸水纤维与粘胶纤维混纤成网制得超吸水纤维非织造布；里 层选用具有一定的防水蒸汽性能的防水涂层面料。 首先，研究了超吸水纤维的基本性能，为制备超吸水纤维非织造布做准备。实 验表明，超吸水纤维的断裂强度低、断裂伸长率小，且呈多分散性；吸水速率极快， 浸水1 5 s 几乎达到饱和吸水，吸水倍率约9 0 倍。 然后，根据热防护织物的要求及织物吸水后人体的整体负荷，筛选出多层织物 的各层面料。通过“氧指数 试验，选出混比为5 0 5 0 的纬平针织物作为外层面料； “水蒸汽”法和“水粘合 法两种成布方式经过吸水倍率比较，中间层面料选用纤 网定量8 0 9 m 2 、超吸水纤维含量1 0 的“水粘合法制成非织造布；里层面料根据 不宜透气和不宜透湿的原则筛选出锦纶单面p u 涂层面料。 最后，采用“绗缝 的方式制得超吸水热防护多层织物。超吸水热防护多层织 物的“浸水活化时间 和“高温保水能力”实验表明，本文研究的多层织物浸水活 化时间为1 5 s ，高温保水能力好，持续时间为1 5 m i n 。因此在人体感到疼痛之前，可 以将织物吸足水分，而且有足够的时间从火场逃生或进行一般救援。 关键词：超吸水纤维；热防护；多层织物；吸水倍率；保水能力 s t u d yo ns u p e r - a b s o r b e n tm u l t i l a y e rf a b r i c sf o rt h e r m a lp r o t e c t i o n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r s u p e r - a b s o r b e n tm u l t i l a y e rf a b r i c sf o rt h e r m a lp r o t e c t i o na r ed e v e l o p e d t oo p e nan e ww a yo fd e s i g n i n gh i g h t e m p e r a t u r ep r o t e c t i v ec l o t h i n g i na c c o r d a n c e 、i t h t h ep r i n c i p l eo fe n d o t h e r m i ce v a p o r a t i o n t h eo u t e rl a y e ro ft h i sf a b r i ci sp l a i nk n i t t e d 、析t l lt h ef l a m e r e t a r d a n tv i s c o s ea n df i n ed e n i e rp o l y e s t e rb l e n d e d ；t h em i d d l el a y e rri s t h en o n w o v e nf a b r i cn e t t e dw i t l lm i x e df i b e r so fs u p e r - a b s o r b e n tf i b e r sa n dv i s c o s e f i b e r s ；t h ew a t e r p r o o fc o a t e df a b r i ce q u i p p e dw i t ht h ep r o p e r t i e so fw a t e rs t e a m p r o t e c t i o ni ss e l e c t e da st h ei n n e rl a y e f f i r s to fa l l ，t h eb a s i cp r o p e r t i e so fs u p e r - a b s o r b e n tf i b e r sa r es t u d i e dt op r e p a r ef o r n o n w o v e nf a b r i c s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sf i b e rw i ml o wb r e a k i n g s t r e n g t ha n ds m a l le l o n g a t i o na tb r e a kp o s s e s s e sf a s tw a t e r a b s o r b e n tv e l o c i t y , a n dt h e r e i so n l y15 st ob es a t u r a t e da b s o r p t i o nr a t e ，a b o u t9 0t i m e s t h e n ，e a c hl a y e ro ft h em u l t i l a y e rf a b r i c si sd e c i d e da c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so f t h e r m a lp r o t e c t i o na n dt h ew h o l e1 0 a do fh u m a nb o d ya t t e rt h ef a b r i c sa r ea l lw e t t h r o u g ht h e ”o x y g e ni n d e x ”t e s t ，t h ep l a i nk n i r i n gf a b r i cw i t h5 0 5 0b l e n d i n gr a t i oi s o p t i m i z e da s t h eo u t e rl a y e r ；b yc o m p a r i s o nw i t h v a p o rb o n d ”m e t h o d ，t h e ”w a t e r a d h e s i o n ”m e t h o di so b t a i n e df o rs l i g h t l yh i g ha b s o r p t i o nr a t et om a k et h em i d d l e n o n w o v e nf a b r i cw i t hw e br a t i o no f8 0 9 m 2n e r e dw i t h10 s u p e r - a b s o r p t i o nf i b e r s ；a n d t h ei n n e rl a y e ri san y l o nf a b r i cp u - c o a t e do n o n es i d ew i t hr e l a t i v e l yp o o ra i r p e r m e a b i l i t ya n dm o i s t u r ee v a p o r a t i o n i nt h ee n d ，t h es u p e r - a b s o r b e n tm u l t i l a y e rf a b r i c sa r em a d et ol a po v e re a c ho t h e ri na m a n i l e ro fq u i l t i n g t e s t e dt h r o u g h ”w a t e ra c t i v a t i o nt i m e ”a n d ”h i g h t e m p e r a t u r e w a t e r - r e t e n t i o nc a p a c i t y ”，t h ed e v e l o p e df a b r i c sa r es h o w e dt h a ti t sw a t e r - a c t i v a t e dt i m e i s15s e c o n d sa n dt h ed u r m i o no fh i 曲t e m p e r a t u r ei s15m i n u t e s t h e r e f o r e ，t h e r ei s s u m c i e n tt i m et oe s c a p ef r o maf i r es c e n eo rp e r f o r mar e s c u eb e f o r et h eh u m a nb o d yf e e l p a i nd u r i n gt h em u l t i l a y e rf a b r i c sr e a c h e dt h es a t u r a t e da b s o r p t i o n k e y w o r d s ：s u p e r 。a b s o r b e n tf i b e r s ；t h e r m a lp r o t e c t i o n ； m u l t i l a y e rf a b r i c s ； a b s o r p t i o nr a t e ；w a t e r - r e t e n t i o nc a p a c i t y 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属卢明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：车板花 日期：砷年f 月2 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在 年解密后适用于本声明。 不保密毗 ( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：车饥l 久枕 导师签名： 日期：卅年月：2 b ， 日期： f。， o 具l 移e l ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 5 9 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，全球每年发生火灾6 0 0 - - - 7 0 0 万起，其中住宅火灾约占8 0 以上。在 受限空间的特定条件下，可燃物燃烧产生的火焰和高温烟气，使室内空间达到一定 温度，同时加热该室的各个壁面。随着温度的升高，人体在很快吸热并超过了从体 内蒸发出来附在人体表面的湿气的消耗的情况下，很容易引起虚脱，进而丧失逃生 的能力。 然而，一般的火灾防护服主要是针对扑灭建筑物火灾而设计的。如果这种防护 服用于住宅火灾的逃生或一般救援，必然会造成浪费，而且还会因“过度热防护” 现象而影响救援人员的安全与健尉1 1 。 众所周知，人们在火灾中逃生或一般救援时，习惯于将身边的衣物浸水湿透披 在身上，通过水分蒸发吸热来阻挡热量对人体的伤害。因此，根据这一原理，研制 一种适于普通家用火灾热防护织物的想法由此产生。 超吸水纤维( s u p e r a b s o r b e n tf i b e r ，s a f ) ，又称高吸水纤维或高吸收性纤维， 是能够吸收自身重量几十倍、几百倍乃至几千倍液体的高分子聚合物。其主要特点 是吸液量很大、吸液速度很快，而且保水能力强。超吸水纤维制品在热的作用下， 其中吸收的水分会变成水汽，同时吸收大量的热，从而可用于阻火方面。 另外，作为用于火灾中的热防护织物必须具有的性能是【2 】：阻燃性、完整性、 隔热性及拒液性。由此可见，热防护性能的实现需要多层织物共同来完成。 对于对流传热如火焰或热气流，从传热学的的角度来讲，这主要是在织物界面 层发生了一次或多次耗能湍流所致。双层或多层织物常用于对流热防护，对流热的 防护主要通过使热量在织物内部的纤维、纱线界面间发生一次或多次耗能湍流，从 而减小到达织物另一侧的热量来实现的【3 。5 】。因此，本文研究的超吸水热防护多层织 物由三层面料组成，在使用时要先将织物浸水活化： ( 1 ) 外层：采用具有一定阻燃作用的针织物。在高温条件下，易于水分蒸发，而 且即使没有水分，也能减少火焰的对流热对皮肤的伤害； ( 2 ) 中间层：利用拥有良好吸水保水能力的超吸水纤维非织造布。在紧急情况下， 使浸水活化时间尽可能短，高温保水持续时间尽可能长，以便于人们有时间 逃离现场或减少烧伤； ( 3 ) 里层：选择防水蒸汽的能力相对较强的防水涂层织物。在水分蒸发过程中， 避免水蒸汽对人体产生烫伤。 在火灾发生时，谁都希望在尽可能短的时间内自救或进行一般救援。因此，研 】 青岛大学硕士学位论文 究一种既有较好阻燃性，又有较高浸水活化能力的织物，从而使其具有良好的隔热 性，对提高住宅火灾的自救或应急救援有着积极的意义。 1 2 研究现状 本文研究的超吸水热防护多层织物，其创新之处在于利用水分蒸发吸热进行热 防护。因此，研究现状主要从超吸水纤维、超吸水纤维非织造布及热防护多层织物 三个方面进行概括。 1 2 1 超吸水纤维 超吸水纤维自从2 0 世纪8 0 年代中期开始研制，至1 9 9 6 年已投放市场。目前， 国外主要有3 家公司实现超吸水纤维的工业化生产。产品介绍如表1 1 所示。 表1 1 国外超吸水纤维产品 从人们对超吸水纤维的研究来看，有许多只是处于试验阶段，由于技术上还存 在一些不足，并不能投入生产。如邓新华等人利用丙烯酸与丙烯酰胺的共聚物和聚 乙烯醇共混纺丝制备超吸水纤维，该纤维最高吸水倍率达到2 4 6 倒6 1 。 因此，我国只有南通江潮纤维制品有限公司与中国纺织科学研究院共同研发的 一种超吸水纤维已于2 0 0 2 年投入生产。该纤维的商品名为“白兰，其吸水倍率达 到1 0 0 1 5 0 倍【7 10 1 。 1 2 2 超吸水纤维非织造布 国内外对超吸水纤维非织造布的研究主要是通过超吸水纤维与其它纤维混纤， 经过梳理成网或气流成网，再通过热粘合或针刺等方法加固纤网制得非织造布。 例如，美国a e r o 化学技术公司利用f i b e i s o r b 与至少一种软化点低于3 0 0 。c 热塑 性纤维在加热加压条件下，经热粘合作用使热塑性纤维包裹在超吸水纤维上，制成 无纺布【1 1 】： 2 第一章绪论 朱军、”丁志荣、辛三法以超吸水纤维、甲克素纤维和e s 纤维为原料，通过选 择合理的工艺参数，经梳理成网和热轧工艺开发了能够有效吸收伤口渗出液、明显 加速创面愈合、阻挡外来细菌侵袭、提高修复质量并为上皮生长创造良好环境的医 用非织造布敷料【1 2 】； 朱军、张瑜用棉纤维s a f 甲壳素纤维以8 5 1 0 5 的混纺比、定量为1 2 0 9 m 2 梳 理成网，该纤网与3 羟基丁酸酯( p h b ) 复合的配比采用8 ：2 ，经热轧制得透气性能、 吸液性能较佳，同时具有比较好拉伸强力的非织造布复合材料【”】； 朱军用超吸水纤维、棉纤维和甲壳素纤维为原料，通过p h b 的粘合开发了一种 手感柔和、强力高、有弹性且具有收敛、止血、杀菌、消炎的功能的“婴儿脐带结 扎保护带 【1 4 】。 另外，也有利用新的纤网加固方式或与其它复合材料进行粘合制得超吸水纤维 非织造布。 比如，钟纺合纤公司将“o a s i s 纤维与粘胶纤维混纤，通过蒸汽处理使两者之 间形成氢气结合，从而使这种无纺布具有可冲洗的特点【1 5 】； 日本东洋纺与承担建筑材料开发和建筑咨询的s p c 公司一起，利用东洋纺生产 的“l a n s a e l f 纤维制成无纺布，再粘合一层水膨胀橡胶而开发了的混凝土部件的 密封材料“m s s e a l ”【1 6 1 。 1 2 3 热防护多层织物 世界权威咨询机构d a v i dr i g b y a s s o c i a t e s ( d r a ) 市场调查数据表明，1 9 9 5 2 0 0 5 年世界各地机织物、针织物及非织造布防护服耗用量年综合增长率迅速增加，如表 1 2 所示【1 7 ，18 1 。 表1 21 9 9 5 年 2 0 0 5 年防护服织物消耗量( 按重量计) 年综合增长率 从前人的研究来看，人们对热防护多层织物的研究都集中在纺织材料自身的热 防护功能上。 最初的热防护多层织物都采用金属涂层或非金属涂层来使外层面料的获得阻燃 效果。直到上个世纪6 0 年代以来，许多新的耐高温纤维魄问世，如n o m a x ，k e v l a r ， c o n e x ，p 8 4 等，多层织物的热防护阻燃效果才大大提高，但价格昂贵。 3u 青岛大学硕士学位论文 作为起防火作用的热防护多层织物织物，不仅要求阻燃，更重要的是隔热。隔 热层则多采用香族聚酰胺的无纺絮垫、1 0 0 涤纶的树脂固定絮垫及阻燃短纤维做成 的薄型毡类无纺布。利用非织造材料结构蓬松，内部所含空气较多，从而使热防护 织物起到较好的隔热性能。 另外，在火场情况下，使用最多的灭火剂是水。在高温下会产生水蒸汽，威胁 救援人员的人身安全。所以热防护多层织物的防水透气层也很重要。最初使用的大 多是氯丁橡胶涂层，虽然防水效果很好，但穿着者容易产生闷热。新型的防水透气 层一般采用聚四氟乙烯微孔薄膜层压织物，具有良好的防水透气性【1 9 - 2 2 。 然而，人们利用水分蒸发吸收热量原理研究热防护织物的却很少。只有美国 a q u a t e x 工业公司，根据蒸发热沉降作用开发的热防护织物“h y d r o w e a v e ”是一种 通过蒸发达到冷却目的的高性能织物。该织物由三层组成： ( 1 ) 外层为具有透湿性的机织物或针织物； ( 2 )中层是有亲水性纤维和疏水性纤维混合组成的高吸水纤维垫； ( 3 ) 内层是微孔防水导热膜。 使用前，需要先活化( 即将服装浸入水中约5 r a i n ) ，吸水纤维垫中的水分蒸发， 并通过外层排出湿气，使人体冷却，从而穿着者感到凉快和干爽【2 3 】。 1 3 研究意义 前面介绍了一些国内外对超吸水纤维非织造布的研究及应用情况。总的说来， 对超吸水纤维非织造布的研究主要集中在医学和建筑等方面，而在高温阻火方面的 实际应用没有涉及；另外，国外对吸水热防护织物的研究只有“h y d r o w e a v e ”，而国 内对此的研究还是空白。 因此，本文旨在利用超吸水纤维良好的吸水、保水能力，结合“h y d r o w e a v e ” 的热防护原理，研究一种可用于住宅火灾自救或应急救援的超吸水热防护多层织物， 以期为高温防护服的研发开辟一条新的途径。 1 4 研究内容 超吸水热防护多层织物优越的吸水性能及其在高温条件下良好的保水能力是其 关键。因此，本文的研究内容如下所示： ( 1 ) 研究超吸水纤维的基本性能，为其非织造布的加工奠定基础； ( 2 ) 借鉴“蒸汽加固”及“干法造纸”技术，尝试利用“水蒸汽法及“水粘合” 法制备超吸水纤维非织造布。讨论各工艺参数对非织造布吸水倍率的影响， 并根据吸水倍率，筛选出较好的一种方法制备超吸水热防护多层织物的中间 4 第一章绪论 层； ( 3 ) 根据“h y d r o w e a v e 的热防护原理，选择并制备外层阻燃针织面料，并从现 有的几种防水涂层面料中筛选出里层面料； ( 4 ) 制备超吸水热防护多层织物，并研究其浸水活化时间、高温保水能力。 5 第二章中间层原料选择及主要性能研究 第二章中间层原料选择及主要性能研究 不同的原料适合制作不同性能的产品，能满足不同的工艺设备及工艺要求。实 际生产中，选择纤维原料主要遵循三个原则： 首先，满足非织造布使用性能的要求； 其次，满足非织造布加工工艺和设备对纤维的要求； 最后，性价比的平衡及其它环境资源方面的要求。 2 1 原料选择 超吸水纤维( s a f ) 是继高吸水树脂( s a p ) 之后，而发展起来的一种新型的功 能性高分子材料。s a f 纤维的突出特点主要有吸水量大、保水性好及赋形性好、宜 于加工【l6 1 。此外，它不仅阻燃、抗静电，而且还具有不溶于水及大部分溶剂、无毒 的功能。 在纤维素纤维中，粘胶纤维的饱和吸湿量为4 0 ，而棉纤维的为1 6 3 1 。另 外，丁海琴、汤人望对粘胶纤维和棉纤维用完全相同的工艺条件制成产品测试，结 果如表2 1 2 4 1 所示。 表2 1 粘胶纤维及棉纤维制成品吸液性对比 为此，考虑到超吸水纤维非织造布最终作为超吸水热防护多层织物的中间层， 以及适宜于服装原料的粘胶纤维比棉纤维拥有较高的吸液性能，因此本文选用超吸 水纤维和粘胶纤维作为非织造布的原料。两种纤维的规格及产地如表2 2 所示。 表2 2 原料规格及产地 2 2 主要物理性能研究 纤维是构成非织造布最基本的原料，由于非织造布不同于传统纺织品以纱线的 6 青岛人学硕+ 学位论文 排列组合形成织物，而是纤维原料直接构成集台体因此纤维原料的一些基本性能 对非织造布的性能就有着更为直接的影响。 2 2i 原料横向及纵向形态 ( 一) 试验仪器 y 1 7 2 型纤维切片器、普通显微镜。 ( 二) 试验结果 s a f 纤维和粘胶纤维纵横向形态如图21 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 所示。 c ) 粘胶纤维横截面形态( 4 0 0 倍) ( d ) 粘腔纤维纵向形态( 4 0 0 倍 图21s a f 纤维和粘胶纤维原料的纵横向形态 ( 三) 结果分析 如图2l ( a ) 、( b ) 所示，s a f 纤维的横截面近似圆形纵向光滑、平直，透明。 从围2 l ( c ) 、( d ) 中呵以看出，粘胶纤维的横截面呈锯齿形有皮芯结构，而且纵 向平直有沟横，这些结构特征有利于料胶纤维的吸湿及水分的传输。 2 22 纤维拉伸断裂性能 一鹰劈 第二章中间层原料选择及主要性能研究 ( 一) 试验仪器 l l y 0 0 6 型电子式纤维强力仪。 ( 二) 试验参数 拉伸速度为1 0 0 m m m i n ，预加张力为5 0 m g ，拉伸距离为1 0 m m ，测试次数为 3 0 次，参考标准g b t 9 9 9 7 、g b t 1 4 3 3 7 。 ( 三) 试验结果及结果分析 s a f 纤维和粘胶纤维拉伸断裂测试结果如表2 3 所示。 表2 3 两种纤维一次拉伸断裂试验测试结果( t = 2 0 c ，r h = 6 5 ) 由表2 3 可知，s a f 纤维的断裂强度低，约是粘胶纤维的l 3 ，断裂伸长率较小， 仅是粘胶纤维的约1 7 ，强度c v 值和伸长率c v 值较大，即呈多分散性。这往往会 导致s a f 纤维在梳理过程中容易被打断，并形成大量落棉。因此，这个因素对超吸 水纤维非织造布吸水规律的影响不容忽视。 2 3s a f 纤维吸水性能研究 高吸水保水材料最主要的用途是作为水溶液的吸收材料，对水溶液的吸收能力 的大小是衡量高吸水性材料性能高低的最主要的指标。因而如无特指，吸收能力一 般是指样品对水溶液的吸收能力。根据水溶液的组成情况，又可分为吸收蒸馏水、 去离子水、普通水、盐水、血液、尿液等性能。 本文涉及到的吸水、保水能力均是指对普通水溶液的吸收和保有能力。 2 3 1 吸水机理简介l 巧讲j 超吸水纤维作为一种超吸水聚合物，其吸水机理与超吸水聚合物的机理相同。 经过热交联处理的超吸水纤维在结构上具有轻度交联的空间结构，它是由化学 交联和分子键间相互缠绕的物理交联构成的。吸水前，高分子长链相互靠拢缠在一 起，彼此交联形成网状结构，整体上具有紧密的结构。当超吸水纤维置于水中，由 于混合熵、离子渗透压、d o n n a n 平衡、网络的弹性作用、溶剂与聚合物的相互作用 等因素，使得交联网络逐渐伸展，就形成了高含水的水凝胶。离子网络结构见图2 2 。 8 青岛大学硕士学位论文 图2 2 超吸水纤维的离子网络 2 3 1 1 吸水倍率 要了解超吸水纤维的吸水倍率，必须了解f l o r y 公式，即 眇丝 肛( 寿) 2 每 式中，q 为吸水倍率；i 为电荷量；为高聚物结构单元体积，s 为外部溶液的离子 强度；z 为高聚物与水的作用参数；k 为水的摩尔体积；p 2 为高聚物的密度，心；为 交联点间的平均分子量。 上式右边第一项表示离子渗透压，第二项表示纤维与水的亲和力，鲁为交联 密度。因此式2 ( 1 ) 也可简化为： 吸水倍率重童堡坐雩雾墓掣 2 ( 2 ) 从式2 ( 2 ) 中可以看出，超吸水纤维的吸水倍率与成纤时的交联密度呈反比，与 溶液的离子渗透压及水的亲和力成正比。 2 3 1 2 吸水速率 影响高聚物水凝胶溶胀速率的主要因素是聚合物网络在水溶液中的扩散而不是 水分子在向高聚物渗透。 日本田中封一等科学家在f l o r y 理论的基础上，根据f i c k 扩散第二定律，通过 推倒得到凝胶扩散方程，解此方程可得到凝胶膨胀和收缩特征时间t 与特征线性尺 第二章中间层原料选择及主要性能研究 寸l 及扩散系数d 之间的关系，即 ，2 ，o c 2 - ( 3 ) d 、7 由式2 ( 3 ) 可知，凝胶的粒径尺寸越小，膨胀、收缩的速度越快。由于超吸水纤维是 离子网络结构，凝胶颗粒非常小，故膨胀、收缩速度非常快，这就是s a f 纤维吸水 速率快的原因。 2 3 1 3 保水能力 k n a k a m u r a 等人用差式扫描量热( d s c ) 技术分析高吸水材料在凝胶状态时的 结构，发现在亲水基团的周围存在三种水，即结合水、束缚水和自由水。用核磁共 振( n m r ) 测定其松弛时间，分别为1 0 1 2 s 、1 0 一s 、1 0 6 s ，差别很大。三种水的存 在示意图如图2 3 所示。 一、，高分子骨架 仁一l 7 p 。j 、 t 、i r l 一，j7 。， 、 r b r c ，这说明影响超吸水纤维非织造 布吸水倍率最主要的因素是s a f 纤维的含量，固化温度的影响次之，而固化时间对 超吸水纤维非织造布吸水倍率的影响最小，几乎不影响。 比较各因素不同水平的平均效果值，k 3 a k 2 a k l a ，说明随着s a f 纤维含量 的增加，超吸水纤维非织造布的吸水倍率提高。 根据k 3 a k 2 a k i a ，k 2 b k 3 b k l b ，k 2 c k 3 c k l c ，可以确定最优试验方 案为a 3 8 2 c 2 。因没有这一方案，且c 因素的r 值很小，所以c 因素的三个水平均 可。根据已有的9 个正交试验设计方案，最优方案可以是a 3 8 2 c i ，即8 8 。 3 2 “水粘合 法制备 2 3 第二章超吸水纤维1 f 织造布的制备及吸水性能的研究 通过前面对“水蒸汽”法超吸水纤维非织造布制备方法的研究时发现：在纤网 固化过程中，由于固化温度最高达到1 0 0 ，根本不可能形成过热蒸汽( 如果对饱 和蒸汽继续加热，使蒸汽温度升高并超过沸点温度，此时得到的蒸汽称为过热蒸汽) ， 所以水蒸汽很容易液化形成液滴。这不利于蒸汽流刺入纤网内部，势必会影响纤维 的缠结，进而影响纤网的固结。 另外，s a f 纤维吸水后形成的凝胶自身具有一定的粘结作用，可以将纸张粘合。 鉴于这一现象，我们设想：可否通过“水粘合法对s a f 纤网进行加固，从而制成 超吸水纤维非织造布。本节从“干法造纸”技术着手，对“水粘合”法超吸水纤维 非织造布的制备方法进行研究探讨。 3 2 1 干法造纸技术简介 4 1 - 4 4 】 3 2 1 1 干法造纸技术的概念 干法造纸是前苏联造纸科技工作者在3 0 年代中期创造的一种新型造纸方法。 干法造纸技术概括的讲就是：先将成型的纤网通过均匀分布的气流在成型网上 平稳、均匀地形成所要求的层状纤维网，再经过喷胶、烘干、膨化或加热融化等处 理后，获得具有一定强度、厚度、柔软性及吸水性的纸张的技术，其产品在我国又 被称为“无尘纸”。图3 4 为干法造纸的复式粘合设备。 扮宋浆柏成埘喷粘台嗣牯合喷粘龠捌 卷绕 短纤 遐卷 图3 4 干法造纸复式粘合设备 轧光冷却 3 2 1 2 干法造纸非织造布粘合工艺 干法造纸非织造布对纤网主要通过三类不同加固法：化学粘合、热粘合、机械 加固来获得强力。各种粘合工艺的特点如表3 6 所示。 2 4 青岛大学硕士学位论文 表3 6 干法非织造布的粘合工艺 粘合方法特点 3 2 2 “水粘合法制备超吸水纤维非织造布 3 2 2 1 超吸水纤维非织造布的制备 ( 一) 纤网制备 超吸水纤维非织造布的原料依然采用s a f 纤维与粘胶纤维混纤，与前面介绍的 “水蒸汽 法超吸水纤维非织造布的制备方法一样，“水粘合 法超吸水纤维非织 造布的也采用梳棉机梳理成网。小型梳棉机的型号为a s l 8 1 ，成网方法同前。 ( 二) 纤网加固 羲 本实验对超吸水纤维非织造布采用用的加固方法如下所示： 将梳理后的纤网裁成一定规格的布样，平铺在聚乙烯膜上，然后用量筒测一定 重量的水倒入喷壶中，用喷壶在纤维网上、下表面均匀喷洒，在纤维网上覆盖一层 聚乙烯膜，然后用压力辊压纵横向轻压相同次数( 一般为2 0 - - 3 0 次) ，将上层聚乙 烯膜轻轻揭开，放置1 2 小时晾干。 3 2 2 2 粘合机理的研究 ( 一) 化学粘合非织造布的结构【4 5 】 化学粘合非织造布的形成过程，是将纤维用一定的技术形成纤网即成网，然后 借粘合剂在纤维网中构成无数独立的粘合点，把纤维粘合到一起。根据粘合剂不同 的类型，不同的施加方法，这种结构的非织造布结构尚可分成点粘合结构、片膜状 粘合结构、团块状粘合结构及局部粘合结构等。粘合结构示意图如图3 5 、3 6 、3 7 、 3 8 所示。 图3 5 点粘合结构示意图图3 6 片膜状粘合结构示意图 2 5 第三章超吸水纤维非织造布的制备及吸水性能的研究 繁蒸 图3 7 两种团块状粘合结构示意图 图3 8 两种局部粘合结构的不意图 ( b ) ( 二) “水粘舍”法超吸水纤维非织造布的结构 目前，关于粘合理论主要由表面能为基础的吸附理论，弱界层理论，以分子运 动为基础的扩散理论与扩散作用，静电理论，分子理论，流变理论等。 根据上述理论，我们在显微镜下观察“水粘合法”非织造布纤网表面喷水后的 结构，见图3 9 。从图中可以观察到s a f 纤维和粘胶纤维相互在非织造布中相互交 叉、纠缠，通过纤维彼此之间的纠缠和摩擦连接在一起，这不同于化学粘台的点粘 合结构、片膜状枯台结构、团块状粘舍结构及局部粘台结构。 图3 9 。水粘台“法非织遣布结构( 1 0 0 倍) 青岛大学硕士学位论文 在显微镜下观察纤网加固前后状态的变化发现，粘胶纤维吸水后直径变化不大， 而s a f 纤维吸水前后直径会迅速增大，且吸水后纤维呈凝胶状，并保持纤维形态。 两种纤维之间没有明显的粘结点。所以，初步认为两种纤维之间的粘结作用主要是 氢键结合。同时，超吸水纤维吸水后产生的粘性物质对纤网的固结也起一定作用。 根据机械粘合理论，粘合剂通过流动对被粘体简单地相互穿透，形成机械联结 钩锁f 4 6 1 。当s a f 纤维吸水后直径增大，因其保持纤维状而在纤网中蠕动，与粘胶纤 维相互穿套；同时因压力作用会使其部分碎断，进一步增加与粘胶纤维的缠结。 另外，不同的粘合工艺制成的干法造纸非织造布产品具有截然不同的性能，见 表3 7 【4 4 1 。因此，氢键结合的超吸水纤维非织造布拉伸强力较低，但吸水性能良好。 表3 7 干法造纸粘合工艺与产品性能 注：非织造布定量均为8 0 9 m 2 ，由少至多表示其性能由差到好。 3 2 3 吸水性能主要因素的探讨 3 2 3 1 吸水性能试验 表3 8 试验方案及试验结果 注：1 纤网喷水量的单位为g r e 。 2 方案1 为纯粘胶纤维，是相对较紧密的纤网。 ( 一) 试验方法 2 7 第三章超吸水纤维非织造布的制备及吸水性能的研究 为了与“水蒸汽 法所得非织造布的吸水性能进行比较，本试验也采用标准定 量为8 0 9 m 2 的纤网为例。“水粘合法非织造布的吸水性能测试方法同3 1 3 2 所示。 ( 二) 试验方案及试验结果 在纤网定量一定的情况下，本试验从s a f 纤维含量和纤网喷水量两个方面对影 响超吸水纤维非织造布吸水性能主要因素进行探讨，试验方案及试验结果见表3 8 。 3 2 3 2 吸水性能主要影响因素的探讨 ( 一) s a f 纤维含量对超吸水纤维非织造布吸水倍率的影响 图3 1 0 给出了s a f 纤维含量与吸水倍率的关系曲线。 逛 篓 r r 05 3 5r 3 0r 逛2 5 锝2 0 逛，! * l br 蝥1 0l a o 1 01 52 0 s a f 纤维含量 ( a ) y 2 1 1 0 7 e o 0 4 8 2 。 r 2 = 0 9 9 7 8 2 5 o 51 01 5 2 02 5 s a y 纤维含量 ( b ) 图3 1 0s a f 纤维含量与吸水倍率的关系 时 从图3 1 0 ( a ) 可以看出，当s a f 纤维含量由o 增加到5 时，非织造布吸水 2 8 5 o 5 o 5 o 5 o 3 3 2 2 1 1 青岛大学硕士学位论文 倍率的增加速率不明显。由于s a f 纤维断裂强度低、比较脆、强度和伸长呈多分散 性、表面光滑、基本上没有卷曲等特点，导致在其在梳理过程中容易被打断，并形 成大量落棉。所以在s a f 纤维含量小于5 时，较低的制成率使得超吸水纤维非织 造布与不含超吸水纤维相对比较密实纤网的吸水倍率相差不大。当s a f 含量大于5 时，由于其自身极强的吸水能力，非织造布吸水倍率的加大速率随其含量的增加而 越来越快。 为了进一步探讨s a f 纤维含量与超吸水纤维非织造布之间的定量关系，我们讨 论s a f 纤维含量从5 到2 0 的非织造布吸水规律，如图3 1 0 ( b ) 所示。从图中可 以看出，随着s a f 纤维的含量的增加，超吸水纤维非织造布的吸水倍率按公式为 y = 11 0 7 e o m 眦的呈指数规律增加。 ( 二) 纤网喷水量对超吸水纤维非织造布吸水倍率的影响 图3 1 1 给出了纤网喷水量与吸水倍率的关系曲线。 逛 褂 逛 * 签 012345 喷水量与定量之比 图3 1 1 纤网喷水量与吸水倍率的关系 从图3 1 1 可以看出，对同一定量的纤维网，当喷水量与纤网定量之比小于2 ：1 时，喷水量对非织造布吸水倍率没有太明显的影响；当纤网喷水量与纤网定量之比 大于2 ：1 时，非织造布的吸水倍率随之增大而减小，且比值越大，减小的速率越快。 这是因为当纤网喷水较少时，水分子与s a f 纤维及粘胶纤维表面以氢键的形式结合。 另外，s a f 纤维吸水后产生粘性物质，这样纤网喷水量越多，产生的粘性物质越多， 纤网干燥后粘结越紧密，非织造布吸水越困难。因此纤网喷水量与纤网定量之比宜 采用1 ：1 。 从以上两个方面来看，s a f 纤维的含量对“水粘合 法超吸水纤维非织造布吸 水性能影响较大，这一点与“水蒸汽 法所制得非织造布相同。从而进一步说明了 影响超吸水纤维非织造布吸水性能的主要因素为s a f 纤维的含量。这也说明，s a f 纤维约9 0 倍的吸水倍率注定了在超吸水纤维非织造布吸水性能方面的主导作用。 2 9 第三章超吸水纤维非织造布的制备及吸水性能的研究 3 3 两种制备方法吸水性能比较 3 1 和3 2 分别从“水蒸汽”加固纤网和“水粘合加固纤网这两个方面制备非 织造布。吸水倍率是超吸水纤维非织造布最重要的一个指标。因此，我们通过比较 超吸水纤维非织造布吸水倍率来优选一种较好的纤网加固方法。 通过3 1 3 3 正交试验结果分析知，固化温度为8 5 ，固化时间为7 5 m i n 时，“水 蒸汽法超吸水纤维非织造布的吸水倍率较高；从3 2 3 2 吸水性能主要影响因素的 探讨可以看出，当纤网喷水量与纤网克重之比为1 ：1 时，“水粘合”法超吸水纤维非 织造布吸水倍率较高。因此，在这些条件下对两种方法制得的非织造布的吸水倍率 进行比较。 ( 一) 试验方案及试验结果 以8 0 9 m 2 纤网为例进行比较。超吸水纤维非织造布吸水倍率的测试方法同 3 1 3 2 所示，试验方案及试验结果见表3 9 。 表3 9 试验方案及试验结果 ( 二) 结果分析： 对“水蒸汽法和“水粘合”法两种制备方式所成非织造布吸水倍率进行比较， 如图3 1 2 所示。从图中可以看出，无论s a f 纤维含量是5 ，1 0 ，还是1 5 ，2 0 ， “水蒸汽”法非织造布的吸水倍率都比“水粘合”法非织造布的吸水倍率小。 在“水蒸汽”法制备超吸水纤维非织造布试验过程中，发现s a f 纤维遇到热湿 蒸汽会迅速收缩，而“水粘合”法制备的超吸水纤维非织造布只是纤网表面的s a f 纤维吸收少量水产生自身粘结。这一点，从图3 1 3 中可以看出。 因此，当纤网用“水蒸汽 加固时，较大的热蒸汽收缩率使s a f 纤维的表面积 迅速缩小，纤维聚合物形成的三维网络结构因变得较紧密而遭到一定破坏，这降低 3 0 青岛大学硕十学位论文 了s a f 纤维在水中的溶胀性，进而导致s a f 纤维的吸水倍率降低 3 j 3 0 睾2 5 社2 0 羹1 5 蓉1 0 5 ( a ) 纤维网 阏凰糜 日“水蒸汽”法 目“水粘合”法 2 0 ( b ) “水蒸汽”法( c ) 。水粘合”法 图31 3 纤阿及菲织造布表面形态 另外，在“水蒸汽”法加固纤网成怖的过程中，很容易出现“液滴”，使模拟“蒸 汽加固”失去了意义，有些类似于“水粘合”法。因此，我们优选“水粘台”法制 各超吸水热防护多层织物的中间层。 3 4 本章小结 受“蒸汽加固”技术及“干法造纸”技术的启发，本章尝试在实验室条件下采 用“水蒸汽”法和“水粘合”法对含s a f 纤维的纤网进行加固。通过对影响超吸水 纤维非织造布吸水性能的主要因素加以探讨及两种制备方法吸水性能的比较，筛选 出“水粘合”法制各超吸水纤维非织造布。本章主要结论如下所示： ( 1 ) 通过正交试验设计，对利用“水蒸汽法”制得的超吸水纤维非织造布进行吸 脾 第三章超吸水纤维非织造布的制备及吸水性能的研究 水倍率测试得出：s a f 纤维含量是影响吸水倍率的最主要因素，固化时间次 之，而固化温度的影响最小。 ( 2 )“水粘合 法制备超吸水纤维非织造布的纤网固结主要是靠s a f 纤维与粘胶 纤维之间通过氢键结合，可以用机械粘合作用解释。同时，s a f 纤维吸水后 产生的粘性物质也对纤网的固结起一定作用。 ( 3 ) 通过对“水粘合法超吸水纤维非织造布吸水性能影响因素的探讨可知： a ) s a f 纤维的含量对非织造布吸水倍率的影响较大。在s a f 含量少于5 时， 影响不是很明显；当含量由5 增加到2 0 时，非织造布吸水倍率按公式 y = 1 1 0 7 e o m 8 2 。呈指数规律增加。 b ) 与s a f 纤维含量对非织造布吸水倍率的影响相比，纤网喷水量对吸水倍率 的影响较小。纤网喷水量与纤网定量之比小于2 ：1 时，其对非织造布的吸水 性能没有明显的影响。故纤网喷水量与纤网定量之比宜采用1 ：1 。 ( 4 ) 在纤网定量及s a f 纤维含量一定的情况下，“水蒸汽”法超吸水纤维非织造 布因s a f 纤维遇热湿蒸汽产生收缩而导致三维网络结构遭到一定破坏，故其 吸水倍率低于“水粘合”法超吸水纤维非织造布。因此超吸水热防护多层织 物的中间层选用“水粘合”法制备。 3 2 第四章超吸水热防护多层织物各层面料的选择 第四章超吸水热防护多层织物各层面料的选择 4 1 外层面料的选择 4 1 1 外层面料的原料 从超吸水热防护多层织物的整体性能来考虑，外层除了需要具有良好的透湿性 能之外，还需具有一定的阻燃性。这样在超吸水热防护多层织物中的水分蒸发完之 后，仍然能在一定程度上使身体免受伤害。因此，外层面料要具有一定的阻燃性。 4 1 1 1 原料选择依据 在制备阻燃织物时，纺纱材料选择的依据剐4 - 4 9 】： ( 1 ) 没有阻燃要求的织物，可用易燃纤维； ( 2 ) 有阻燃要求，但要求不高的织物，可用难燃纤维与易燃纤维混纺； ( 3 ) 阻燃要求较高的织物，应用难燃纤维； ( 4 ) 有特殊阻燃要求的织物，在采用难燃纤维的同时，还要进行织物的后整理以 再提高其阻燃性能。 另外，难燃纤维与易燃纤维混纺，以及难燃纤维与难燃纤维混纺，可能出现三 种类型的阻燃曲线：直线型、上凸型和下凹型。混纺比的选择依据是： ( 2 ) 任何混纺都要做阻燃曲线试验。 ( 3 ) 应该扬长避短。 a ) 利用上凸型可以生产高阻燃织物以达到高阻燃要求； b ) 利用直线型可以产生一般阻燃织物以降低成本； c ) 注意下凹型以避免意外损失。 本文研究的热防护超吸水热防护多层织物，主要利用水分蒸发带走热量的原理 来防热，对外层面料的阻燃要求不高。另外，涤纶纤维强度大，弹性好，作为外层 材料可使织物挺括不皱。 综合以上所述，我们采用阻燃粘胶纤维和细旦涤纶纤维的混纺纱制成针织物作 为超吸水热防护多层织物的外层。阻燃粘胶和细旦涤纶纤维混纺比为5 0 5 0 、6 0 4 0 、 7 0 3 0 和8 0 2 0 四个比例。 4 1 1 2 原料特性 本文选用的阻燃粘胶纤维，即a n t i f c e l l 纤维，是采用新一代纤维阻燃技术一 溶胶凝胶技术，使无机高分子阻燃剂在粘胶纤维有机大分子中以纳米状态或以互穿 青岛大学硕士学位论文 网络状态存在，既保证了纤维优良的物理性能，又实现了低烟、无毒、无异味、不 熔融滴落等特性。该纤维