聚乳酸纤维的多功能非织造布制作方法及应用

（一）非织造布的定义及分类

1.非织造布的定义及特点

非织造布又称无纺布，是通过定向或随机排列的纤维通过摩擦、抱合或黏合，或者上述方法的组合，互相结合制成的薄片、纤网或絮垫，不包括纸，机织物、簇绒织物、带有缝编纱线的缝编织物以及湿法缩绒的毡制品。所用纤维可以是天然纤维或化学纤维；纤维形态可以是短纤维、长丝或直接形成的纤维状物[143]。

2.非织造布的分类

非织造布可按照纤网成形及加固的方法、用途和使用次数进行分类。

按照纤网成形及加固的方法可以分为：干法成网、湿法成网和聚合物纺丝成网法。干法成网根据其加固的方法又可细分为机械加固法，包括针刺法、缝编法、水刺法；化学黏合法根据黏合剂施加形式的不同，可分为浸渍法、喷洒法、泡沫法、印花法、溶剂黏合法；热黏合法根据热源施加形式的不同，可分为热熔法、热轧法和超声波法三种方法。湿法成网法可分为圆网法和斜网法两种。聚合物纺丝成网法可分为熔喷法、纺黏法、闪纺法和膜裂法。

非织造布根据用途的不同可分为：家用装饰非织造布、医用卫生及保健用非织造布、服装与制鞋、皮革用非织造布、过滤材料、绝缘等工业用非织造布；建筑、土木工程、水利用非织造布、包装材料、农业及园艺用非织造布、汽车工业用非织造布以及军工国防用非织造布等。

非织造布按照使用次数可分为即弃型和耐用型产品两种。

聚乳酸纤维可纺性好，具备了良好的可机械加工性和缠结性能，特别地可以按照最终需要切成任意长度或以长丝的形式使用，因而可以采用多种方法加工成不同种类的非织造布，同时还能赋予聚乳酸纤维非织造布多种功能性以满足不同用途的需求。

（二）聚乳酸纤维干法成网非织造布

聚乳酸纤维干法成网非织造布是采用聚乳酸短纤维，通过采用梳理成网（图1-23）[1]或气流成网（图1-24）的方法首先形成纤维网，然后经加固制得，产品包括聚乳酸纤维水刺非织造布、聚乳酸纤维针刺非织造布、聚乳酸纤维热黏合非织造布以及聚乳酸纤维化学黏合非织造布等。聚乳酸纤维干法成网非织造布主要工艺流程为：

图1-23　聚乳酸纤维机械梳理系统[143]

1—梳理机　2—杂乱辊　3—道夫　4—凝聚辊

图1-24　非织造布气流成网示意图

梳理成网：聚乳酸短纤维一开松—混合—梳理—铺网（气流成网）—加固（机械加固、热加固或化学黏合加固）—分切—卷取—成品

气流成网：聚乳酸短纤维—粗开松—精开松—气流成网—加固（机械加固、热加固或化学黏合加固）—分切—卷取—成品

1.聚乳酸纤维水刺非织造布

水刺非织造布是利用高速、高压的水流射击经过梳理后的纤维网，使纤网中的纤维互相抱合缠绕，变成结构完整，具有一定强力的非织造布（图1-25）。由于聚乳酸纤维强力介于天然和合成纤维之间，完全能够适应高压机械射流的加固作用。陈宽义等[144]探讨了聚乳酸纤维水刺非织造布的加工可行性，表明通过合理控制开松、混合、梳理、水刺加固和烘干工艺，批量化生产能够完全顺利进行，制成品满足行业标准FZ/T64012.2—2001的要求。德国Trevira公司[145]专门针对PLA纤维开发了水刺非织造布，用于湿巾和卫生材料。钱程[146]首先制备了100%聚乳酸水刺非织造材料，并以此为基础，以100%聚乳酸纤维、纯黏胶纤维、纯涤纶和涤黏混纺纤维制成了四种不同的非织造材料，对其强力、吸湿透湿性、透气性、保温性、芯吸高度及可降解性等性能进行测试，结果表明，聚乳酸非织造材料具有优良的透气透湿性，良好的保暖性以及优异的生物可降解性能，在床上用品以及家纺领域具有巨大的应用前景。Sheng等[147]对聚乳酸水刺非织造布的三抗性能进行了研究，采用含有机氟基FG-910拒水剂进行处理，并测试了聚乳酸水刺非织造布的拒水性、抗酒精性以及耐血液性能，结果表明，处理后的产品在具有良好三抗（拒水、抗酒精和耐血液）性能的同时，在强度、透气和透湿性能并没有降低。

图1-25　聚乳酸水刺非织造布加固示意图[1]

上述大量实验表明了聚乳酸纤维水刺非织造布具有强度高、悬垂性好、透气性好、不含有黏合剂，是所有非织造布生产方法中手感和外观最接近传统纺织品的加工方法，因此逐渐成为加工聚乳酸纤维非织造布的主流生产技术。

2.聚乳酸纤维针刺非织造布

聚乳酸纤维针刺非织造布是利用截面为三角形且棱边带有钩刺的针，对蓬松的纤网进行上下反复针刺，使纤网中纤维之间相互缠结而产生抱合，形成具有一定厚度、一定强度的产品（图1-26）。中国专利ZL20009100451931[148]公开了一种绿色可完全降解型保暖材料，主要采用聚乳酸纤维原料，经抓棉、混棉、称重、开松、机械梳理、杂乱成具有一定密度、蓬松度和压缩弹性的三维立体网状结构后，经过针刺、热熔定型、冷却、卷绕等工序制成，该保暖材料所用原料完全可降解，整个生产过程无污染，产品具有良好的强度、蓬松、保暖和抑菌等多种功效。Jia等[149]采用天丝纤维、PLA纤维和高吸收纤维SAF，利用针刺加固的方法制备了Tencel/PLA/SAF三种纤维混合非织造布，平均克重为100g/m2，针刺密度为300刺/cm2，经过测试结果表明，混合非织造布垂直机器方向（CD）的吸水高度为5.0cm，透气性为164.4mL（cm2·s），是一次性卫生用品吸收芯体的理想材料。王思思等[150]采用聚乳酸纤维和苎麻落麻纤维制成了针刺非织造布，探讨了两种纤维原料的不同混合比对非织造布的拉伸断裂强力、透气性、保暖性、芯吸效应和含液率等性能的影响，并将聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布作为无土栽培基质进行草坪种植试验，种植出的小麦草生长状况良好，发芽率高达97.7%，表明聚乳酸/苎麻落麻是一种良好的无土栽培基质。文献[151]也报道了比利时Sommer Needlepunch公司采用聚乳酸纤维生产针刺毡，用于铺设足球场地面，进而达到低碳环保的目的。

图1-26　聚乳酸针刺非织造布加固示意图

聚乳酸水刺非织造布和针刺非织造布均具有较好的透气性、悬垂性、手感柔软、外观光滑、芯吸性、亲肤性、良好的可降解性及生物相容性等特点，其中水刺非织造布的抗起毛性更好，可用于制作一次性卫生材料的表层、吸收芯体、医用幕帘、医用包扎材料、纱布、手术服、手术罩布、伤口敷料、擦布、湿巾、化妆棉、窗帘、土工布及合成革基布等。

图1-27　聚乳酸热轧黏合非织造布加工原理图

3.热黏合加固聚乳酸纤维非织造布

聚乳酸纤维是一种热塑性纤维，通过采用热源加热的方法，使得经过开松梳理后的聚乳酸纤网中的纤维达到一定温度后，聚乳酸纤维会软化熔融，变成具有一定流动性的黏流体使纤维间产生粘连，冷却后纤维之间重新固化黏结在一起而制成有良好使用强度的聚乳酸非织造布。根据热源施加方式的不同，又分为聚乳酸热轧加固非织造布（图1-27）和聚乳酸热熔黏合非织造布（图1-28）。

图1-28　聚乳酸热风黏合加固非织造布生产原理图

由聚乳酸纤维的DSC分析可知，PLA纤维的玻璃化温度为71.30℃，在161.21℃与168.68℃处分别存在较大的吸收峰，可推断温度低于69℃纤维不会产生软化，而温度高于158℃时会发生熔融，因此热轧加固时的温度小于158℃比较合适。Bhat等[152]研究了热轧加固过程中聚乳酸短纤维网结构和性能的变化，发现热轧时的最佳温度为145℃，温度过高，轧点处破坏形成孔洞（图1-29），可能的原因是随热轧温度的提高，聚乳酸大分子的取向结构遭到破坏，结晶动力学过程减缓，从而导致结晶度的下降，因为轧点破洞的出现，纤网的透气性和强力都将受到影响。

图1-29　聚乳酸热轧加固非织造布电镜图[153]

由此，在聚乳酸短纤维热熔非织造布生产实际操作时，要充分考虑聚乳酸纤维热加工窗口很窄的问题，通过精确控制温度，能够生产出具有良好使用强度的聚乳酸短纤维热轧非织造布。

如果将梳理后的聚乳酸纤维网经过烘箱设备，利用热风穿透纤网，使纤维受热而得以黏合加固，即可以制成蓬松保暖的纤维絮片，用于棉服和被褥的填料。

聚乳酸热黏合非织造布可广泛用做尿裤、卫生巾等一次性卫生材料、绝缘材料、服用保暖材料、家具填充材料、过滤材料、隔音和减震材料等。聚乳酸热黏合非织造布用于制作一次性卫生材料时可以充分发挥其良好的生物相容性和可降解性，在减轻大量不能降解的“白色垃圾”对环境污染的同时，为人们带来健康和舒适。

4.聚乳酸化学黏合非织造布

利用化学黏合剂使干法成网后的聚乳酸纤维互相黏合而形成非织造布。根据黏合工艺的不同，主要分为喷洒法和浸渍法，加工原理见图1-30。聚乳酸纤维黏合剂喷洒加固是采用黏合剂喷洒梳理后的聚乳酸纤网，黏合剂被均匀施加在纤网上，然后被送入烘箱中进行烘干，黏合剂产生固化而成；聚乳酸纤维泡沫浸渍加固是利用发泡剂和发泡装置将黏合剂涂覆于梳理成网后的聚乳酸纤网上，待泡沫破裂释放出黏合剂，经烘干后黏合剂在纤维交叉点沉积而制成。

图1-30　聚乳酸纤维非织造布黏合剂加固黏合工艺图(www.xing528.com)

由喷洒法制得的聚乳酸非织造布蓬松度较好，可广泛用作保暖絮片、装饰织物、防水材料基布和用即弃型过滤材料；泡沫浸渍加固中黏合剂均匀分布在聚乳酸纤维表面和内部，能制成硬挺手感的聚乳酸非织造布，可用做一次性医疗卫生材料、厨师帽、擦布、过滤材料和即弃型鲜花包布等。

（三）聚乳酸纺丝成网非织造布

充分利用聚乳酸切片具有良好纺丝成型性的原理，将聚乳酸树脂进行熔融纺丝和直接成网，纤网再经机械和热黏合加固后制成，属于从聚乳酸切片直接到聚乳酸非织造布的一步法生产工艺，具有流程短、高效和低成本的优势，其中聚乳酸纺粘非织造布和熔喷非织造布是近年来研究最多的技术[154-158]。美国田纳西大学非织造布研究中心在1993年就对PLA纺粘和熔喷进行过研究性开发，但最终受市场容量的限制而没有得出产业化的结果。日本NKK公司曾经开发出15g/m2的PLA纺粘布，但最终并未形成产业化。日本中纺Kanebo研制出LACTRON®（poly L-Lactide）纤维，并在1994年开发出PLA纺粘非织造布，声称纺粘布的产能可达2000吨/年，主要针对农业市场。日本Shinwa公司在2000年以商品名Haibon®推出PLA纺粘非织造布，并宣称是一种天然的可降解非织造布。此外，可乐丽公司也对PLA的可降解性能进行了详细研究。法国Fiberweb公司（现在的BBA）在1997年开发出100%PLA纺粘布，商品名称为DeposaTM，所用切片由Neste Oy公司提供，德国奥斯龙公司[159]成功开发出聚乳酸长丝非织造布茶叶袋，既健康又环保，现在已经正式商品化。国内对PLA纺粘布的生产从2008年开始，由于受设备生产条件限制，国内仅有三四家企业具有能力生产，并且已经从研发阶段完全达到产业化的水平，并进入市场销售。

1.聚乳酸纺粘非织造布

聚乳酸纺粘非织造布是由连续的聚乳酸长丝组成的纤维集合体，其加固方式可选择热轧、针刺或水刺，其中以热轧方法使用最为广泛，其主要工艺流程见图1-31。

图1-31　聚乳酸纺粘非织造布加工示意图

图1-32　单孔挤出量和纺丝速度对PLA纺粘长丝线密度的影响[162]

在生产工艺控制方面，首先将切片进行干燥，选用真空度为30Pa，干燥温度为100℃，干燥时间为4h时，控制聚乳酸切片含水率达到50mg/kg；纺丝温度不宜太高，一般控制不要超过230℃，牵伸速度一般达到3500m/min以上[160]，牵伸速度越快，纤维中大分子的取向越完全，制得的非织造布的强度越高，长丝纤维越细，越容易进行后续的热轧加固（图1-32、图1-33）[168]。聚乳酸在纺黏法工艺中采用空气冷却并通过开纤装置将纺出的丝条杂乱散落堆积在网帘上铺置成网，铺网时，网面速度2～3m/min可得到均匀纤网。在熔体泵供量恒定的情况下，调节网帘的移动速度可获得不同的纤网定重，一般为20～150g/m2，然后再使用热轧辊加压热黏合，为避免聚乳酸纤维产生脆断，使纤网获得良好的力学性能及柔软手感，根据不同克重的产品，热轧温度掌握在100～130℃，热轧压力在50～70kg范围内变化，即可得到各项指标满足使用要求的聚乳酸纺黏法非织造布[162]。聚乳酸纺粘非织造布的性能见表1-30。

图1-33　单孔挤出量和纺丝速度对PLA纺粘长丝强度的影响[162]

表1-30　聚乳酸纺粘非织造布Haibon性能[163]

聚乳酸纺粘长丝非织造布除了采用热轧法进行加固外，还可以采用机械针刺的方法加固，其加工工艺为：聚乳酸切片—螺杆挤出机—熔融纺丝—空气冷却—牵伸（真空牵伸或正压拉伸）—铺网—针刺加固—卷取—成品。相比PLA纺粘热轧非织造布，针刺加固法可制成具有更好的亲水性、可染色、手感柔软、抗皱耐用且具有良好光泽和悬垂性的产品。表1-31为聚乳酸长丝纺粘针刺非织造布的力学性能。

表1-31　聚乳酸长丝纺粘针刺非织造布的力学性能[164]

从表1-31可以看出，聚乳酸长丝纺粘非织造布通过热轧或针刺加固均可以获得较好拉伸强度、撕强和顶破强度，完全能够满足医疗卫生、过滤土工布及农用种子培植、育秧、防霜及除草用布等的要求。

2.聚乳酸熔喷非织造布

聚乳酸熔喷非织造布是利用高速热空气对模头喷丝孔中挤出的聚合物熔体细流进行一定的牵伸，并形成超细纤维凝聚在滚筒或网帘上，依靠自身的黏合最终形成非织造布，其加工原理见图1-34。

图1-34　聚乳酸熔喷非织造布加工示意图

由于受聚乳酸流变性能的影响，目前聚乳酸熔喷非织造布尚处于实验阶段，其原料和工艺都需要进一步的研究。Dieter等[165]对聚乳酸熔喷非织造布进行了试验性研究，发现聚乳酸可以在较宽的温度范围内进行熔喷成型，但与普通PP熔喷布相比，得到的聚乳酸熔喷非织造布表面较粗糙，而且强度很低。2001年美国田纳西大学进行的熔喷实验也证明了聚乳酸在熔喷工艺上应用的可行性[166]，随后经过多年研制，Nature Works公司在2009年召开的国际非织造布技术会议（INTC）上宣布两种新型的IngeoTM生物基PLA切片（6252D和6201D）正式商业化面市，它们能够提供较宽的加工窗口，从而制造出满足不同用途要求的熔喷产品[154]。公司下游合作伙伴熔喷设备制造商——Biax—Fiberfilm在2010年年初对IngeoTM材料进行了熔喷试险，美国田纳西大学非织造布中心研究人员的研究结果也验证了IngeoTM适用于传统的熔喷设备，可用来生产熔喷非织造产品。日本的钟纺、尤尼吉卡等公司也相继进行开发，并拥有可生物降解PLA非织造布的专利技术。Kerem Durdag[167]也报道了国际上非织造布40强企业，如Fitesa、Ahlstrom以及Fiberweb/PGI开发聚乳酸熔喷非织造布，并进一步拓展其工业用途。

刘亚等[168]对聚乳酸熔喷非织造布进行了研究性试纺，发现PLA在220℃时出丝效果最佳，随热空气温度的增加，纤维直径略微增加，随热空气压力（速度）的增大，纤维卷曲度下降，纤维直径随狭缝宽度的增大而增加，卷曲度下降，热空气参数对PLA熔喷布的过滤性能和透气性有较大影响。渠叶红等[158]试制了PLA熔喷非织造材料，试制品除强度外性能基本上达到了工业生产的聚丙烯熔喷非织造材料的标准，具有良好的均匀性，纤维平均细度可达2.6μm，驻极后的粉尘过滤效率达到99.95%。张琦等[169]研究了添加不同含量电气石的聚乳酸切片的性能，结果表明：改性切片中电气石颗粒的分散较为均匀，切片的结晶度从27%提高到36%，熔点基本不变；随温度的升高，熔体的表观黏度降低，非牛顿指数增大，并且在同一温度下，流体的表观黏度随电气石含量的增加呈现先减小后增大的趋势。针对聚乳酸熔喷非织造布中添加驻极体存在的纺丝不稳定以及驻极体易团聚等缺点，于斌等[170]对加入驻极体制备PLA熔喷非织造布的热性能进行了研究，发现少量驻极体的添加有利于PLA材料结晶，在通过熔融结晶峰、过冷度和结晶温度区间表征PLA熔喷非织造布的可纺性时，得到了纯聚乳酸和含5%驻极体聚乳酸复合材料都能够良好成型的结论。陈宁[171]利用低温等离子体处理技术使聚乳酸非织造布表面首先产生一定程度的刻蚀，并将处理3min后的聚乳酸非织造布浸渍不同浓度的壳聚糖溶液制成抗菌材料，对抗菌性能测试的结果表明，经洗涤20次后，其抗菌耐久性能仍然良好。针对聚乳酸熔喷非织造布的性能，魏建斐等[173]认为，PLA和聚丙烯纤维断裂强度和断裂伸长率相近（表1-32），因而，PLA完全可以替代聚丙烯作为熔喷非织造布原料，且不会影响熔喷非织造布的力学性能。

表1-32　PLA纤维与聚丙烯纤维的性能比较[172]

虽然聚乳酸熔喷非织造布具有与丙纶熔喷非织造布相比拟的特点，但截至目前为止国内外还没有企业规模化的生产聚乳酸熔喷非织造布，只有科研院所相关的研究性报道，距离产业化生产还有一定的距离。由于聚乳酸熔喷非织造布是SMS（纺粘+熔喷+纺粘非织造布）以及过滤用品的必需材料，而这些材料又是对环境危害较大的一次性医疗和卫生用品的主要组成部分。因而在未来，聚乳酸熔喷非织造布完全有可能替代传统聚丙烯熔喷非织造布用于过滤、医疗卫生、环境保护、服装保暖材料、吸声隔音以及电池隔膜材料领域。