高强度PP/PI非织造布辊用基布的制备工艺优化

徐自超，张得昆，吴江伟，赖 艳，张 星，葛化博，于希晨

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048；2.江苏丹毛纺织股份有限公司，江苏 丹阳 212300)

0 引 言

非织造布辊是一种以钢制转轴为轴心，非织造复合材料为辊套，组装而成的新型辊筒[1-2]。与工业生产中常见的钢辊和橡胶辊相比，非织造布辊具备多孔隙、可压缩的结构特征。因此，在加工过程中，当产品通过摩擦力带动非织造布辊转动时，外层复合材料受力变形，产生空隙，从而达到主动吸收产品表面残留液体的效果[3-5]。同时，非织造布辊的可压缩性能使其能够吸附加工过程中残留下的固体碎屑，防止产品表面划伤，提高产品质量。此外，非织造布辊还拥有自愈合、易拆卸、高寿命等优点，能够在吸油、挤干等方面提供良好的清洁效果，在金属板材制造加工、纺织、印刷等行业应用广泛[6-7]。

非织造布辊的性能主要取决于其辊套的性能，而非织造布辊的辊套是由非织造基布浸胶处理、切片后，层叠式组装到钢制转轴上，因此非织造复合材料的性能直接影响到非织造布辊的最终应用性能[8]。由于工业加工中对非织造布辊的耐酸碱性能、机械性能和吸液性能都有较高要求，辊用非织造复合材料基布所用的纤维原料必须要有良好的耐酸碱性能、较高的强度以及合适的吸液性能等，同时还要考虑原料的成本。

目前我国还没有非织造布辊专用材料，生产企业使用的辊用非织造材料大多依赖于进口的专用非织造布，其价格昂贵[9]。为降低生产成本，一些企业采用国产常规针刺非织造布生产非织造布辊，但在实际应用中存在着耐酸碱性能不高、清洁效果差、使用寿命低等问题。尤其是辊套材料强度低，使用过程中出现挤压开裂、永久性变形、吸液效果差、产品表面残留废液等情况，影响产品表面质量和企业的经济效益。目前，国内的相关研究主要集中在对非织造布辊体的研究，而关于其基布的非织造材料的研究较少。韩彬彬等在挤干辊中增加了抽真空装置，使清洗机出来的冲压件表面油膜厚度得到改善[10]。韦荣发等通过调节挤干辊的压力等工艺参数，优化了板材表面的油膜厚度，从而提高自动化冲压生产线的清洗质量[11]。周仿元等申请了一种非织造布挤干辊的实用新型专利，适用于金属带材加工过程中和清洁后的液体去除，使用寿命提高，吸液、排液的性能更佳[12]。詹志远等以聚酰胺66纤维和丙烯酸酯乳液黏合剂为原料，通过气流成网法和喷洒黏合法制备了一种非织造布辊用复合材料，其最大拉伸强力可达1 894.438 N，但吸油率较低，仅为45.2%[13]。张思盼等在詹志远等研究的基础上，对成网工艺进行改进，并对材料的硬度、拉伸强度和热学性能进行分析，发现材料的拉伸强力随温度升高而降低，在250 ℃以下性能稳定[14]。郭峥嵘等对机械成网、喷洒黏合制备的新型挤油辊用非织造布进行了热性能和压缩性能分析，结果显示所用材料在工作温度下属于高弹态，满足压缩性能要求[15]。然而，非织造布辊用基布材料应用在吸液挤干领域的研究鲜有报道，因此本文研究高强力和高吸水性能的非织造布辊用基布，以期提高清洗用非织造布辊的性能，提高相关产品加工质量。

1 实 验

1.1 原料与仪器

1.1.1 原料 高强度聚丙烯纤维(PP，3.34 dtex×76 mm，海仑化纤有限公司)；聚酰亚胺纤维(PI，2.2 dtex×76 mm，江苏奥神新材料股份有限公司)。

高强度聚丙烯纤维化学稳定性好，断裂强度可达5～7 cN/dtex，同时具备良好的弹性和耐磨性，价格低廉，经济实惠[16]；聚酰亚胺纤维则具有高强度、耐酸碱、阻燃、环保等优异的性能，尺寸稳定性好，在保证良好的力学、化学性能的同时，还能够为材料提供一定的耐高低温性能。选用的纤维细度较小，其相互纠缠能够产生更小的孔隙，为材料提供较强的芯吸作用[17]。此外，该聚酰亚胺纤维拥有异形截面，其纵向纤维表面存在细小的沟壑，纤维在相互缠结时能够形成更加微小的孔隙，为材料产生毛细效应提供了可能性，提升材料的吸液效果[18]。

1.1.2 仪器 WL型小型针刺生产线(太仓市双凤非织造布设备有限公司)；BG-200 A型电子天平(上海乾峰电子仪器有限公司)；YD141D型织物厚度仪(温州方圆仪器有限公司)；YG461Z型全自动透气性能测试仪(莱州市电子仪器有限公司)；YG(B)026D-1000型电子织物强力机(温州方圆仪器有限公司)；PSM-165型孔径测定仪(德国Topas公司)；ISO-9001型电子天平(北京赛多利斯天平有限公司)。

1.2 样品制备

以纤维比例、针刺密度、针刺深度为因素，设计三因素三水平正交试验。其中纤维比例为高强度聚丙烯纤维/聚酰亚胺纤维。以100%高强度聚丙烯纤维，8 mm针刺深度，针刺密度300～1 200 刺/cm2为参数做预实验，确定针刺密度在700～900 刺/cm2时样品强力较好，因此在此区间等距设置3个针刺密度水平，同时针刺深度以8 mm为基准设置3个水平，所得正交试验方案如表1所示。此外，产品面密度在150 ～250 g/m2时其综合性能较好，因此设计产品面密度为200 g/m2。

表 1 正交试验方案Tab.1 Orthogonal experiment

采用干法非织造技术，以不同比例混合高强度聚丙烯纤维和聚酰亚胺纤维，充分开松后输入梳理机梳理，梳理完成的纤网再经交叉铺网、针刺加固，制得非织造布辊用基布材料。

1.3 性能测试

1.3.1 面密度 参考GB/T 24218.1—2009《纺织品非织造布试验方法第1部分：面密度的测定》。取面积为30 cm×30 cm的试样10块，称量并计算平均值。

1.3.2 厚度 参考GB/T 24218.2—2009《纺织品非织造布试验方法第2部分：厚度的测定》。样品为常规型非织造材料，故对试样加压0.5 kPa，加压时间10 s，测试10块试样并求其平均值。

1.3.3 拉伸性能 参考GB/T 24218.3—2010《纺织品非织造布试验方法第3部分：断裂强力及断裂伸长率的测定》。裁剪为300 mm×50 mm的试样10块，其中纵横向各5块。夹持距离200 mm，拉伸速度100 mm/min。

1.3.4 撕破性能 参考GB/T 3917.3—2009《纺织品织物撕破性能第3部分：梯形试样撕破强力的测定》。纵横向各取5块规格为200 mm×50 mm的试样。夹持距离100 mm，拉伸速度100 mm/min。以试样纵、横向撕破强力的平均值作为试样的撕破强力。

1.3.5 顶破性能 参考GB/T 24218.5—2016《纺织品非织造布试验方法第5部分：耐机械穿透性的测定(钢球顶破法)》。使用弹子法，设置弹子下降速度为100 mm/min。按平行法制取直径为65 mm的圆形试样10块进行测试并计算平均值。

1.3.6 孔径 以ASTM F 316—2003(2011)《通过冒泡点和平均流动孔径实验测定膜过滤材料孔径特征的标准实验方法》为标准，取直径为4 cm的圆形试样，用孔径测试仪测试其孔径大小及其分布。

1.3.7 吸水性能 以GB/T 24218.6—2010《纺织品非织造布试验方法第6部分：吸收性的测定》为标准。取10块尺寸为100 mm×100 mm的试样分别称量记录，将单块试样浸没于盛有水的烧杯中，60 s后取出，垂直悬挂试样120 s，滴去过量液体后称量。吸水倍率Rw,a计算公式为

Rw,a=(mn-mk)/mk

(1)

式中：mk为吸液前试样质量，g；mn为吸液后试样质量，g。

2 结果与分析

2.1 面密度、厚度和孔径

表2为各组样品的面密度、厚度、孔径测试结果的平均值。9组样品的平均面密度约为201.40 g/m2，标准差约为2.33，变异系数为1.16%。可见各组样品的面密度相近，且与实验设计的200 g/m2相差很小，因此样品间性能具备可比性。

从表2可以看出，第1、6、8组试样的厚度明显较大，样品的厚度随针刺深度的加深而明显降低，可见针刺深度对试样厚度的影响较大。这是因为随着针刺深度加深，刺针对纤网穿刺作用加强，刺针上的钩刺与纤维的接触机会增加，同时纤维被钩刺携带的距离变长，使得纤维间缠结更加紧密，样品的厚度随之降低。然而厚度降低，材料中的孔隙变少，因此材料在后续的浸胶处理过程中获得的胶体含量会有所减少，从而影响到辊套复合材料的性能。

通常情况下，针刺非织造材料的孔径大小呈正态分布，因此材料平均孔径大小能够反应材料中主要孔隙直径的大小。此外，材料的孔径大小对其吸液性能有一定影响，细孔径是产生芯吸效应的重要条件，芯吸效应越强，材料的吸液效果越好[19]。而芯吸效应强度不仅受到材料孔径大小的影响，还和材料的界面张力、纤维表面润湿性有关[20]。对比表1、2可知，3种不同比例条件下的样品孔径大小区别明显，随着聚酰亚胺纤维比例的降低，样品的平均孔径呈增大趋势。这是由于实验使用的高强聚丙烯纤维比聚酰亚胺纤维更粗，在相同的工艺条件下，纤维越粗，纤维之间的空隙越大，样品的平均孔径随之增大。大孔径不利于本实验材料的吸液性能，因此，为使材料拥有较好的吸液效果，可优先考虑平均孔径较小的样品的工艺参数。

表 2 试样的面密度、厚度及孔径大小Tab.2 Fabric density,thickness and pore size of the samples

2.2 强力和吸水性能

非织造布辊在吸液挤干过程中，主要是通过挤压作用，将产品表面绝大部分的残留液体拦截、吸收、挤干。由于辊套的切片为层叠式结构，辊套材料在应用中常同时受到多个方向的力的作用，因此良好的力学性能是基布应用的基础。表3为各组样品拉伸强力、撕破强力、顶破强力和吸水倍率的测试结果，同时对测试结果进行极差分析，结果见表4。其中极差R值的大小反映因素对样品性能的作用大小，R值越大，因素对材料相应性能的影响越大。

表 3 试样的拉伸强力、撕破强力、顶破强力及吸水倍率测试结果Tab.3 Test results of tensile strength,tearing strength,bursting strength and water absorption rate of the samples

表 4 正交试验结果分析Tab.4 Analysis of orthogonal experiment results

为探究各项测试指标与实验因素的变化关系，以各个试验因素水平为横坐标，样品的拉伸、撕破、顶破强力和吸水倍率的均值k为纵坐标作图，结果如图1所示。其中，两点间线段斜率越大，两点间纵向距离越大，则因素对该指标的影响程度越大。

(a) 拉抻强力的因素影响曲线

(b) 撕破强力的正交因素影响曲线

(c) 顶破强力的正交因素影响曲线

(d) 吸水倍率的正交因素影响曲线图 1 测试结果与实验因素关系图Fig.1 Relationship between test results and experimental factors

由表3和图1可知，随着针刺密度(B)和针刺深度(C)的增加，试样的拉伸、撕破、顶破强力均呈现出先上升后下降的趋势。可能原因是随着针刺密度和针刺深度的增加，单根纤维接触刺针的几率增加，纤维被刺针抓取后运动的轨迹变长，从而使纤维之间的缠结增多。然而，由于力的相互作用，在针刺过程中也伴随着纤维损伤甚至断裂，使纤维强力降低。当针刺密度和深度的增加超过一定程度后，纤维损伤流失的强力超过纤维缠结增加的强力，样品强力随之降低。此外，随着原料中聚酰亚胺纤维比例的上升，样品强力也呈现先上升后下降趋势，这可能是因为实验使用的聚酰亚胺纤维比高强聚丙烯纤维更细，纤维越细，相同体积下纤维的根数越多，纤维之间的缠结更紧密，使得强力上升。但实验所使用的聚酰亚胺单根纤维强度低于高强聚丙烯纤维，随着聚酰胺纤维比例不断增加，材料因为纤维自身强度降低而减少的强力超过纤维缠结增加的强力，材料整体强力开始降低。由此可见，材料强力性能的最优工艺参数在预定的参数范围之间，且趋于中间水平。

图1可见各因素对试样测试指标的影响程度，结合图1中曲线的形状和表4的数据，对试样拉伸强力影响程度的因素排序为A>C>B，对撕破强力和顶破强力影响程度的因素排序为C>A>B。以RA、RB、RC分别代表A、B、C对应的极差值，在试样拉伸强力分析数据中，RA远大于RB、RC，也就是说因素A对试样拉伸强度的影响远大于因素B和C，因此纤维混合比例为影响试样拉伸强力的主要因素。同样的，试样的撕破强力极差值RC远大于RA、RB，即针刺深度为影响试样撕破强力的主要因素。而在试样的顶破强力中，RC最大，并与RA相接近，且两者都远大于RB，因此可以认为针刺深度和纤维混合比例是影响试样顶破强力的2个主要因素。

综合来看，试样拉伸、撕破、顶破强力的最优工艺组合是A2B2C2，即当高强聚丙烯/聚酰亚胺为80/20，针刺密度为800 刺/cm2，针刺深度为8 mm时，样品的力学性能最好。

为提供良好的挤干效果，辊用非织造基布材料的吸液性能是不可忽视的重要性能指标。高强聚丙烯纤维和聚酰亚胺纤维自身并不具备吸液性能，样品的吸液性能主要通过芯吸效应体现，即由于受到固体表面张力的驱动作用，液体会通过纤维集合体内部的空隙流动和传输[21]。

以样品吸水倍率为其吸液性能的表征，对比表2、3可以看出，试样的吸水倍率随厚度的增加呈上升趋势，这是因为相同面密度下，试样越厚其内部含有的空间越大，孔隙越多，从而有利于吸收、储存液体。而表3、4显示，样品的平均吸水倍率最高可达9.41，具备较强的吸液能力。样品1、6、8组的吸水倍率明显高于其他组，对比表1，可知3组样品的针刺深度皆为5 mm。结合表4中吸水倍率的均值k1>k2>k3，以及图1中吸水倍率随针刺深度变化的曲线，可以明显看出样品的吸水性能与针刺深度呈负相关。而极值RC>RA>RB，3个因素对材料的影响关系为C>A>B，且由图1可明显看出针刺深度曲线的斜率明显高于纤维比例和针刺密度，即针刺深度对样品吸水性能的影响远大于纤维比例和针刺密度。极差分析数据显示最优工艺参数组合为A2B2C1，即当高强聚丙烯/聚酰亚胺为80/20，针刺密度为800 刺/cm2，针刺深度为5 mm时，样品的吸液性能最好。

由于产品力学性能的最优工艺参数与其吸液性能的最优工艺参数存在差别，为确定最合适的针刺深度，对产品强力和吸水倍率实验结果进行方差分析，进一步了解针刺密度对纤维力学性能和吸液性能的影响，结果如表5所示。

表 5 方差分析表Tab.5 Analysis of variance

因素对相应性能指标影响的显著性可通过F值与p值的大小表现，p<0.05说明该因素的影响是显著的，而p<0.01说明该因素的影响是高度显著的。若p>0.1则该因素无显著影响。从表6可知，针刺深度对产品的吸水倍率有高度显著影响，对产品的顶破强力有显著影响而对拉伸强力和撕破强力影响并不显著。因此在选择最优针刺深度值时，应优先考虑其对产品吸液性能的影响。再结合表1、4，当针刺密度为5 mm时产品的平均吸水倍率最高，吸液效果较好，同时产品的顶破强力只有较小程度的降低。在确保产品力学性能没有明显降低的情况下，优先考虑选择有良好吸液效果的针刺工艺参数。因此，确定以高强聚丙烯/聚酰亚胺为80/20，针刺密度为800 刺/cm2，针刺深度5 mm作为产品的最优工艺参数。

3 结 论

1) 通过非织造技术能够加工出性能良好的辊用高强聚丙烯/聚酰亚胺非织造基布材料。所制备的产品可提供较高的强力，表现出优良的吸液性能，为下一阶段将基布浸胶制成非织造复合材料奠定基础。

2) 影响产品透气性、撕破强力、顶破强力、吸液性的因素依次为针刺深度>纤维比例>针刺密度，影响产品拉伸强力的因素依次为纤维比例>针刺深度>针刺密度。结合实际操作，确定最优工艺参数是高强度聚丙烯/聚酰亚胺纤维比例为80/20，针刺密度为800 刺/cm2，针刺深度5 mm。