超吸水纖維非織造材料結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、超吸水纖維是一種新型的吸水倍率高、吸水速度快、保水能力強(qiáng)、無(wú)毒、拒油的功能性高分子材料，其吸水倍率比常規(guī)合成纖維大幾十倍甚至更高。目前，在歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，超吸水纖維已廣泛用于醫(yī)療衛(wèi)生、建筑防護(hù)、石油化工、日用化工、食品包裝、通訊環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)，超吸水纖維生產(chǎn)與應(yīng)用剛剛起步。預(yù)計(jì)未來(lái)用其加工醫(yī)衛(wèi)應(yīng)用的衛(wèi)生護(hù)理、醫(yī)用敷料、手術(shù)洞巾等吸液保液材料，以及工業(yè)應(yīng)用的酒精、飲料、燃油、燃?xì)獾任^(guò)濾材料，是超吸水纖維主要發(fā)展方向

2、。
　　 本課題將超吸水纖維與其它纖維混合使用，克服超吸水纖維力學(xué)性能差、后續(xù)難以加工的不足，開(kāi)發(fā)了兼有優(yōu)良吸水能力和較好力學(xué)性能的高吸水非織造材料，并采用方差分析、圖像處理、數(shù)值模擬等技術(shù)手段，對(duì)超吸水纖維非織造材料的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了深入研究，旨在進(jìn)一步拓展超吸水纖維在醫(yī)用防護(hù)、衛(wèi)生護(hù)理、溶液脫水、氣體干燥、油水分離等領(lǐng)域的應(yīng)用廣度和深度，為繼續(xù)開(kāi)展非織造材料結(jié)構(gòu)與性能的研究提供可以借鑒的理論與方法。本課題的主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論

3、如下：
　　 1超吸水纖維結(jié)構(gòu)與性能研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究，對(duì)超吸水纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)、吸水能力等基本性能進(jìn)行了測(cè)試和理論分析，研究結(jié)果表明：
　　 ①超吸水纖維具有極強(qiáng)的吸水、保水能力，吸純水倍率可高達(dá)180倍，采用不同溫度、不同水溶液時(shí)，超吸水纖維吸水倍率從40到180不等。吸水倍率隨水溫升高以加速趨勢(shì)逐漸降低，隨溶液中Na+濃度增加以減速趨勢(shì)逐漸降低。
　　 ②超吸水纖維截面呈圓形，干燥時(shí)表

4、面光滑、平直，幾乎無(wú)卷曲，吸水后具有顯著的溶脹開(kāi)裂特征，纖維直徑會(huì)增加80％以上。
　　 ⑧超吸水纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)均很小且離散性大，斷裂強(qiáng)度<0.7cN·dtex-1，斷裂伸長(zhǎng)<2.4％，力學(xué)性能較差。
　　 ④超吸水纖維不能承受強(qiáng)烈的開(kāi)松、梳理，可紡性不好，難以作為單一原料開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，需與其它纖維混合開(kāi)發(fā)高吸水材料。
　　 2超吸水纖維非織造材料制備及性能統(tǒng)計(jì)分析考慮到超吸水纖維吸水速度快、吸水后膨脹、發(fā)粘

5、的特點(diǎn)，以及考慮到用超吸水纖維制備的非織造材料可作為醫(yī)用敷料、手術(shù)洞巾、手術(shù)鋪巾等醫(yī)用材料和其它場(chǎng)合的吸濕脫水材料，課題采用非織造熱軋工藝，制備了上下層由丙綸纖維和雙組分ES纖維組成，中間層由超吸水纖維、丙綸纖維和雙組分ES纖維構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)超吸水纖維非織造材料，并對(duì)其性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：
　　 ①超吸水纖維含量始終以先增后減的非線性關(guān)系顯著影響著非織造材料的吸水倍率。根據(jù)方差分析所得的因子顯著性效應(yīng)，可以95％的信度

6、推斷：當(dāng)超吸水纖維含量15％(即芯層含30％)時(shí)，非織造材料對(duì)純水的吸水倍率最高，可達(dá)10.185～15.901倍，遠(yuǎn)高于一般非織造材料的吸水倍率。
　　 ②吸水過(guò)程中，超吸水纖維非織造材料的吸水速度由快到慢變化。與最高吸水倍率不同的是超吸水纖維含量在7.5％～10％(即芯層含15％～20％)時(shí)超吸水纖維非織造材料具有較快的吸水速度。
　　 ③被吸的水溫對(duì)超吸水纖維非織造材料的吸水倍率和吸水速度沒(méi)有太大的影響，不過(guò)，當(dāng)非

7、織造材料中超吸水纖維含量較多時(shí)，水溫升高會(huì)抑制其放熱而不利于非織造材料吸水。
　　 ④超吸水纖維含量越高，非織造材料的耐溫與耐壓保水能力越強(qiáng)。含有超吸水纖維的非織造材料在受壓狀態(tài)下，穩(wěn)定后的耐壓保水率一般可達(dá)到最初吸水倍率的60％～70％。
　　 3超吸水纖維非織造材料形態(tài)結(jié)構(gòu)表征與分析采用激光共聚焦顯微鏡對(duì)超吸水纖維非織造材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，研究了超吸水纖維非織造材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)，特別是芯層結(jié)構(gòu)特征，包括材料中纖維取

8、向、孔隙率、當(dāng)量孔徑、孔徑分布等，探討了加工工藝、非織造材料面密度、纖維細(xì)度等因素對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響以及結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響，結(jié)果表明：
　　 ①超吸水纖維非織造材料的芯層孔隙率呈梯度結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅表明流體在材料內(nèi)外梯度壓差作用下更容易由外向內(nèi)流動(dòng)，增強(qiáng)超吸水纖維非織造材料的吸液能力，而且也表明非織造材料加工過(guò)程中較粗的超吸水纖維有趨于表層的傾向，使得芯部表層孔隙多于內(nèi)層；超吸水纖維非織造材料的孔徑分布曲線呈單峰形態(tài)，說(shuō)明加工中超

9、吸水纖維與其它纖維混合均勻：超吸水纖維含量不同的非織造材料內(nèi)部纖維取向度明顯一致，表明梳理、鋪網(wǎng)方式是決定纖維取向度的根本因素；熱軋工藝對(duì)非織造材料粘結(jié)點(diǎn)的形成和分布影響明顯。
　　 ②隨著超吸水纖維含量增加，非織造材料小孔徑概率降低，平均孔徑以及最大最小孔徑差異增大；實(shí)測(cè)孔徑分布曲線與理論孔徑分布形態(tài)基本一致，但幅度對(duì)比有差異。實(shí)測(cè)孔徑總體小于理論孔徑，說(shuō)明非織造材料的熱軋加工對(duì)孔徑有影響。
　　 ③由Poisson

10、Polyhedron理論分析得到：在非織造材料厚度、纖維密度不變情況下：纖維細(xì)、材料面密度增大時(shí)，發(fā)生小孔徑的概率增大。材料面密度對(duì)孔徑的影響超過(guò)纖維細(xì)度的影響；在非織造材料面密度、纖維密度不變情況下：纖維粗、材料厚時(shí)，小孔徑概率減小，孔徑增大；材料薄，小孔徑概率較大而且?guī)缀醪皇芾w維粗細(xì)影響；纖維細(xì)，小孔徑概率較大而且?guī)缀醪皇懿牧虾穸扔绊憽?br>　　 ④應(yīng)用Poisson Polyhedron理論、Hagen Poiseuille定

11、律和Darcy定律分析發(fā)現(xiàn)：超吸水纖維非織造材料的滲透系數(shù)隨孔隙率增大而增大，即孔隙率提高，吸水能力增強(qiáng)；滲透系數(shù)衰減速度快于孔徑因超吸水纖維吸水膨脹而縮小的速度。因此，在超吸水纖維含量變化帶來(lái)孔隙率、孔徑變化時(shí)，對(duì)非織造材料的吸水性也產(chǎn)生顯著的影響。
　　 4超吸水纖維非織造材料中液體擴(kuò)散與流動(dòng)過(guò)程分析通過(guò)理論研究提出了一種表征非織造材料中液體擴(kuò)散吸收特性的方法，基于圖像處理技術(shù)、擴(kuò)散吸水過(guò)程試驗(yàn)以及流動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)，研究

12、了水溶液在超吸水纖維非織造材料中的擴(kuò)散吸收特征以及超吸水纖維非織造材料內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)。研究得到：
　　 ①液體在非織造材料中的擴(kuò)散吸收特性可采用擴(kuò)散特征曲線、擴(kuò)散不勻曲線以及通過(guò)理論推導(dǎo)所得的降速和飽和兩個(gè)特征點(diǎn)的數(shù)值給予有效評(píng)價(jià)。擴(kuò)散曲線高度越低、擴(kuò)散飽和時(shí)間越早、擴(kuò)散不勻越明顯，表明水溶液在超吸水纖維非織造材料中的擴(kuò)散吸收能力越弱。
　　 ②超吸水纖維非織造材料的淺層擴(kuò)散吸水具有前期擴(kuò)散面積增長(zhǎng)快、后期趨于穩(wěn)定的指數(shù)

13、函數(shù)形式增長(zhǎng)特征。擴(kuò)散吸水能力主要來(lái)自于內(nèi)部多孔的擴(kuò)散滲透吸收，超吸水纖維含量也有一定的影響。超吸水纖維含量與非織造材料擴(kuò)散吸水能力之間的關(guān)系呈先增后減的上凸曲線關(guān)系。在擴(kuò)散飽和階段，擴(kuò)散不勻明顯，擴(kuò)散帶有明顯的方向選擇性，導(dǎo)致擴(kuò)散吸收能力變?nèi)酢?br>　　 ③水流進(jìn)入非織造材料后，水流速度越快越容易在較粗纖維(超吸水纖維)的背水面形成水流速度接近零甚至空化的區(qū)域，這種區(qū)域也許不利于超吸水纖維持續(xù)吸收流體中的水分。所以，提高超吸水纖維