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超吸水纤维非织造材料结构与性能研究

丁志荣

  超吸水纤维是一种新型的吸水倍率高、吸水速度快、保水能力强、无毒、拒油的功能性高分子材料,其吸水倍率比常规合成纤维大几十倍甚至更高。目前,在欧洲、美国、日本等发达国家,超吸水纤维已广泛用于医疗卫生、建筑防护、石油化工、日用化工、食品包装、通讯环保等多个领域,在国内,超吸水纤维生产与应用刚刚起步。预计未来用其加工医卫应用的卫生护理、医用敷料、手术洞巾等吸液保液材料,以及工业应用的酒精、饮料、燃油、燃气等吸水过滤材料,是超吸水纤维主要发展方向。 本课题将超吸水纤维与其它纤维混合使用,克服超吸水纤维力学性能差、后续难以加工的不足,开发了兼有优良吸水能力和较好力学性能的高吸水非织造材料,并采用方差分析、图像处理、数值模拟等技术手段,对超吸水纤维非织造材料的结构与性能进行了深入研究,旨在进一步拓展超吸水纤维在医用防护、卫生护理、溶液脱水、气体干燥、油水分离等领域的应用广度和深度,为继续开展非织造材料结构与性能的研究提供可以借鉴的理论与方法。本课题的主要研究内容与结论如下: 1超吸水纤维结构与性能研究 通过实验和理论研究,对超吸水纤维的结构形态、断裂强度、断裂伸长、吸水能力等基本性能进行了测试和理论分析,研究结果表明: ①超吸水纤维具有极强的吸水、保水能力,吸纯水倍率可高达180倍,采用不同温度、不同水溶液时,超吸水纤维吸水倍率从40到180不等。吸水倍率随水温升高以加速趋势逐渐降低,随溶液中Na+浓度增加以减速趋势逐渐降低。 ②超吸水纤维截面呈圆形,干燥时表面光滑、平直,几乎无卷曲,吸水后具有显著的溶胀开裂特征,纤维直径会增加80%以上 ③超吸水纤维断裂强度和断裂伸长均很小且离散性大,断裂强度<0.7cN·dtex-1,断裂伸长<2.4%,力学性能较差。 ④超吸水纤维不能承受强烈的开松、梳理,可纺性不好,难以作为单一原料开发产品,需与其它纤维混合开发高吸水材料。 2超吸水纤维非织造材料制备及性能统计分析 考虑到超吸水纤维吸水速度快、吸水后膨胀、发粘的特点,以及考虑到用超吸水纤维制备的非织造材料可作为医用敷料、手术洞巾、手术铺巾等医用材料和其它场合的吸湿脱水材料,课题采用非织造热轧工艺,制备了上下层由丙纶纤维和双组分ES纤维组成,中间层由超吸水纤维、丙纶纤维和双组分ES纤维构成的三层结构超吸水纤维非织造材料,并对其性能进行了统计分析,结果表明: ①超吸水纤维含量始终以先增后减的非线性关系显著影响着非织造材料的吸水倍率。根据方差分析所得的因子显著性效应,可以95%的信度推断:当超吸水纤维含量15%(即芯层含30%)时,非织造材料对纯水的吸水倍率最高,可达10.185~15.901倍,远高于一般非织造材料的吸水倍率。 ②吸水过程中,超吸水纤维非织造材料的吸水速度由快到慢变化。与最高吸水倍率不同的是超吸水纤维含量在7.5%-10%(即芯层含15%-20%)时超吸水纤维非织造材料具有较快的吸水速度。 ③被吸的水温对超吸水纤维非织造材料的吸水倍率和吸水速度没有太大的影响,不过,当非织造材料中超吸水纤维含量较多时,水温升高会抑制其放热而不利于非织造材料吸水。 ④超吸水纤维含量越高,非织造材料的耐温与耐压保水能力越强。含有超吸水纤维的非织造材料在受压状态下,稳定后的耐压保水率一般可达到最初吸水倍率的60%-70%。 3超吸水纤维非织造材料形态结构表征与分析 采用激光共聚焦显微镜对超吸水纤维非织造材料内部结构进行了观察,研究了超吸水纤维非织造材料的结构形态,特别是芯层结构特征,包括材料中纤维取向、孔隙率、当量孔径、孔径分布等,探讨了加工工艺、非织造材料面密度、纤维细度等因素对材料结构的影响以及结构对性能的影响,结果表明: ①超吸水纤维非织造材料的芯层孔隙率呈梯度结构,这种结构不仅表明流体在材料内外梯度压差作用下更容易由外向内流动,增强超吸水纤维非织造材料的吸液能力,而且也表明非织造材料加工过程中较粗的超吸水纤维有趋于表层的倾向,使得芯部表层孔隙多于内层;超吸水纤维非织造材料的孔径分布曲线呈单峰形态,说明加工中超吸水纤维与其它纤维混合均匀;超吸水纤维含量不同的非织造材料内部纤维取向度明显一致,表明梳理、铺网方式是决定纤维取向度的根本因素;热轧工艺对非织造材料粘结点的形成和分布影响明显。 ②随着超吸水纤维含量增加,非织造材料小孔径概率降低,平均孔径以及最大最小孔径差异增大;实测孔径分布曲线与理论孔径分布形态基本一致,但幅度对比有差异。实测孔径总体小于理论孔径,说明非织造材料的热轧加工对孔径有影响 ③由Poisson Polyhedron理论分析得到:在非织造材料厚度、纤维密度不变情况下:纤维细、材料面密度增大时,发生小孔径的概率增大。材料面密度对孔径的影响超过纤维细度的影响;在非织造材料面密度、纤维密度不变情况下:纤维粗、材料厚时,小孔径概率减小,孔径增大;材料薄,小孔径概率较大而且几乎不受纤维粗细影响;纤维细,小孔径概率较大而且几乎不受材料厚度影响。 ④应用Poisson Polyhedron理论、Hagen Poiseuille定律和Darcy定律分析发现:超吸水纤维非织造材料的渗透系数随孔隙率增大而增大,即孔隙率提高,吸水能力增强;渗透系数衰减速度快于孔径因超吸水纤维吸水膨胀而缩小的速度。因此,在超吸水纤维含量变化带来孔隙率、孔径变化时,对非织造材料的吸水性也产生显著的影响。 4超吸水纤维非织造材料中液体扩散与流动过程分析 通过理论研究提出了一种表征非织造材料中液体扩散吸收特性的方法,基于图像处理技术、扩散吸水过程试验以及流动过程数值模拟技术,研究了水溶液在超吸水纤维非织造材料中的扩散吸收特征以及超吸水纤维非织造材料内部的流动状态。研究得到: ①液体在非织造材料中的扩散吸收特性可采用扩散特征曲线、扩散不匀曲线以及通过理论推导所得的降速和饱和两个特征点的数值给予有效评价。扩散曲线高度越低、扩散饱和时间越早、扩散不匀越明显,表明水溶液在超吸水纤维非织造材料中的扩散吸收能力越弱。 ②超吸水纤维非织造材料的浅层扩散吸水具有前期扩散面积增长快、后期趋于稳定的指数函数形式增长特征。扩散吸水能力主要来自于内部多孔的扩散渗透吸收,超吸水纤维含量也有一定的影响。超吸水纤维含量与非织造材料扩散吸水能力之间的关系呈先增后减的上凸曲线关系。在扩散饱和阶段,扩散不匀明显,扩散带有明显的方向选择性,导致扩散吸收能力变弱。 ③水流进入非织造材料后,水流速度越快越容易在较粗纤维(超吸水纤维)的背水面形成水流速度接近零甚至空化的区域,这种区域也许不利于超吸水纤维持续吸收流体中的水分。所以,提高超吸水纤维细度,有利于其在非织造材料中应用时更有效地吸水。 ④水流进入纤维层前,流水速度脉动强烈,进入纤维层后,孔洞区域大的层面或粗纤维层面上流水速度脉动严重。因此,在流水脉动作用下,非织造材料结构破坏可能会先从表层、或存在较大孔洞层面、或粗纤维存在的层面开始。……   
[关键词]:超吸水纤维;非织造;结构;性能;图像处理;数值模拟
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:东华大学2011年