无纺布及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种无纺布及其生产方法，特别涉及一种防水透气的无纺布及其生产方法。
背景技术
防水透气材料目前出现四代产品：第一代产品为表面覆盖有防水胶的纺织材料；第二代产品为聚氨酯薄膜与基底材料复合形成的防水透气材料；第三代产品为热塑性聚氨酯弹性体薄膜，如CN108556438A公开的防水游戏服装面料；第四代产品为将热膨体聚四氟乙烯经过双向拉伸而形成的聚四氟乙烯防水透气薄膜，如CN208211551U公开的防水透气服装面料。第一代至第三代防水透气材料均存在着透气性差的问题，第四代防水透气材料目前被广泛应用，但是聚四氟乙烯防水透气材料机械强度较弱，不能单独使用，因此，面料克重较高，工序繁琐，造价昂贵。
无纺布又称不织布，是由定向或随机的纤维构成，具有防潮透气、柔韧、质轻、不助燃、容易分解、无毒无刺激性、色彩丰富、价格低廉、可循环再用等特点。无纺布制备工艺简单，适合工业化生产。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种无纺布，该无纺布能够防水且透气性好。进一步地，本发明的无纺布具有较高的机械强度。本发明的另一个目的在于提供了上述无纺布的生产方法，其工艺简单，适于工业化生产。采用如下技术方案实现上述目的。
本发明提供一种无纺布，其具有相互叠加的缎带式纤维，这些缎带式纤维在无纺布的厚度方向上蓬松分布，在所述无纺布的截面上具有由孔径分布为0.1～2.5μm的孔洞形成气流通道。
根据本发明的无纺布，优选地，所述缎带式纤维的厚度为0.2～3μm，且宽度为2～25μm；且宽度与厚度的比例大于2。
根据本发明的无纺布，优选地，所述无纺布的克重为30～90g/m2。
根据本发明的无纺布，优选地，所述无纺布的孔隙率为68～80％。
根据本发明的无纺布，优选地，所述的缎带式纤维选自聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维中的一种或多种。
本发明还提供上述无纺布的生产方法，包括如下步骤：
(1)将纺丝液形成初生纤维；
(2)将含有颗粒物和表面活性剂的改性溶液喷洒在初生纤维上，得到改性初生纤维；所述颗粒物的D90为0.1～3μm；
(3)将改性初生纤维沉积在铺网转移系统上，形成含有颗粒物和缎带式纤维的沉积物；其中，颗粒物与缎带式纤维交错排布，使缎带式纤维在无纺布厚度方向上蓬松分布，颗粒物的存在使得缎带式纤维之间形成大量孔洞；
(4)将沉积物中的颗粒物除去，得到无纺布。
根据本发明生产方法，优选地，步骤(2)中，改性溶液以气溶胶的形式喷洒；改性溶液的溶剂为乙醇和水的混合液，且乙醇和水的体积比为1～0.01:100。
根据本发明生产方法，优选地，步骤(2)中，所述的颗粒物选自二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、硅酸盐、碳酸盐、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚二甲基硅氧烷、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、壳聚糖中的一种或多种；改性溶液中颗粒物的含量为0.1～20wt％。
根据本发明生产方法，优选地，步骤(2)中，所述表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、十二烷基苯磺酸钠、肝胆酸钠、十八烷基硫酸钠、硬脂酸钠、季铵盐中的一种或多种。
根据本发明生产方法，优选地，步骤(4)，采用无机酸水溶液清洗沉积物以除去颗粒物。
本发明的无纺布具有相互叠加的缎带式纤维，在无纺布厚度方向这些纤维上蓬松分布，且纤维之间形成孔洞，这些孔洞不会使水通过，但可以使气体通过，从而具有良好的防水透气性。根据本发明优选的技术方案，本发明的无纺布具有良好的机械性能。
附图说明
图1为一种含有颗粒物的无纺布的结构示意图；
图2为本发明的不含颗粒物的无纺布的结构示意图。
附图标记说明如下：
1-缎带式纤维；2-颗粒物；3-气流通道。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
<无纺布>
本发明的无纺布具有相互叠加的缎带式纤维，这些缎带式纤维在无纺布的厚度方向上蓬松分布，在所述无纺布的截面上具有由孔洞形成气流通道。实际上，缎带式纤维相互叠加的过程会产生一些空隙。颗粒物的存在也会产生更多的孔洞。尽管将颗粒物去除，依然会保留一些孔洞。这些孔洞相互贯通形成气流通道。这样就可以改善无纺布的透气性。
在本发明中，孔洞的孔径分布可以为0.1～2.5μm，优选为0.1～2.0μm，更优选为0.5～2.0μm。孔径分布是指无纺布中存在的各级孔径按数量或体积计算的百分率。本发明并未严格限定孔洞的孔径分布，只要大部分孔洞的孔径在上述范围即可。举例来说，至少50vol％的孔洞的孔径处于上述范围；优选地，至少70vol％的孔洞的孔径处于上述范围；更优选地，至少90vol％的孔洞的孔径处于上述范围。这样可以兼顾无纺布的透气性和机械性能。将孔洞的孔径分布控制在上述范围，从而使得它们比轻雾直径(20μm)小得多，但远大于水蒸气的直径(0.0004μm)。因此，水蒸气可透过，但水不能通过。这样就理想的服装用防水透气无纺布。
在本发明中，缎带表示宽度显著大于厚度的物体，因而缎带式纤维不同于通常的横截面为圆形的纤维。缎带式纤维的横截面的宽度显著大于厚度。具体地，宽度与厚度的比例大于2，优选大于3，更优选大于5。缎带式纤维可以通过闪蒸法，纺粘法等工艺获得。缎带式纤维的厚度可以为0.2～3μm，优选为0.5～2μm，更优选为1～2μm。缎带式纤维的宽度可以为2～25μm，优选为5～20μm，更优选为15～20μm。这样可以在缎带式纤维之间形成适量的孔洞，保证无纺布的透气性和机械强度。
根据本发明的一个实施方式，所述缎带式纤维的厚度为0.2～3μm，且宽度为2～25μm；且宽度与厚度的比例大于2。根据本发明优选的实施方式，所述的缎带式纤维的厚度为1.25～1.5μm，宽度为12～15μm，且宽度与厚度的比例大于5。
本发明的缎带式纤维可以选自聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维中的一种或多种。优选地，缎带式纤维选自聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维中的一种或多种。更优选地，缎带式纤维为聚乙烯纤维。这些纤维材料可以保证无纺布的透气性和机械性能。
本发明的无纺布的克重为30～90g/m2，优选为50～72g/m2，更优选为55～65g/m2。本发明的无纺布的厚度为0.2～0.5μm，优选为0.2～0.4μm，更优选为0.2～0.3μm。本发明的无纺布的孔隙率为68～80％，优选为68～72％，更优选为70～72％。这样可以保证无纺布的透气性和机械性能。孔隙率是指缎带式纤维蓬松分布所形成的孔洞的体积与无纺布体积的比值。
<生产方法>
本发明的无纺布的生产方法包括如下步骤：(1)将纺丝液形成初生纤维；(2)将含有颗粒物和表面活性剂的改性溶液喷洒在初生纤维上，得到改性初生纤维；(3)将改性初生纤维沉积在铺网转移系统上，形成含有颗粒物和缎带式纤维的沉积物；(4)将沉积物中的颗粒物除去，得到无纺布。
步骤(1)中，将纺丝液形成初生纤维。本发明的“初生纤维”表示纺丝液从喷丝孔喷出之后，尚未凝固为成型纤维的一种纤维状态。优选地，将纺丝液通过闪蒸法或纺粘法形成初生纤维。更优选地，本发明的初生纤维由闪蒸法制备得到。纺丝液由成纤聚合物和溶剂形成。纺丝液中的成纤聚合物可以选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯硫醚中的一种或多种。优选地，成纤聚合物为聚苯硫醚或聚乙烯。更优选地，成纤聚合物为聚乙烯。这些聚合物特别适合形成缎带式纤维，且容易形成孔洞。根据本发明一个具体的实施方式，成纤聚合物为线性聚乙烯。纺丝液中的成纤聚合物浓度可以为5～25wt％，优选为8～20wt％，更优选为10～15wt％。这样有利于颗粒物附着在初生纤维的表面上。“附着”表示二者之间具有较大的结合力，颗粒物不会容易地从缎带式纤维的表面脱落。
步骤(1)中，纺丝液中的溶剂可以为二氯甲烷、二氯乙烷、正戊烷、氟二氯甲烷、氟三氯甲烷或正己烷中的一种或多种；优选为二氯甲烷或二氯乙烷。根据本发明的一个实施方式，纺丝液为线性聚乙烯浓度为5～25wt％的二氯甲烷溶液。这样有利于颗粒物的附着于初生纤维的表面上。
步骤(2)中，将含有颗粒物和表面活性剂的改性溶液喷洒在初生纤维上，得到改性初生纤维。改性溶液可以以气溶胶的形式喷洒在初生纤维上。根据本发明的一个实施方式，利用雾化装置将改性溶液雾化，并在载气的作用下喷出，得到分散较好的气溶胶。将气溶胶的喷口置于冷却纺丝区，在初生纤维冷却的过程中，颗粒物附着在初生纤维上，得到改性初生纤维。
改性溶液的配制方法不做特殊的限制。改性溶液包含有颗粒物、溶剂和表面活性剂。将颗粒物、溶剂和表面活性剂混合均匀，得到改性溶液。颗粒物、溶剂和表面活性剂的混合顺序并没有特殊的限制。
步骤(2)中，改性溶液中的颗粒物的D90可以为0.1～3μm。优选地，颗粒物的D90为0.5～2μm。更优选地，颗粒物的D90为1～2μm。D90表示样品的累计粒度分布数达到90％时所对应的粒径。这样获得的无纺布具有良好的透气性和机械性能。本发明中的颗粒物可以通过旋风离子分离装置或筛网筛选。
本发明的颗粒物可以选自有机颗粒物或无机颗粒物。无机颗粒物的实例包括但不限于二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、硅酸盐、碳酸盐。硅酸盐可以为硅酸钙、硅酸镁、硅酸钾或硅酸钠。碳酸盐可以为碳酸钙或碳酸镁。有机颗粒物的实例包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚二甲基硅氧烷、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、壳聚糖。优选地，颗粒物为硅酸盐或碳酸盐中的至少一种。更优选地，所述的颗粒物为碳酸钙。这样颗粒物既能够很好地附着在初生纤维上，又可以通过特定的处理去除。
改性溶液中的颗粒物的含量可以为0.1～20wt％。优选地，颗粒物的含量为0.5～10wt％。更优选地，颗粒物的含量为0.5～1.5wt％。这样既可以增强无纺布的透气性，又保证无纺布的机械强度。
改性溶液中的溶剂可以为醇和/或水。醇可以选自甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇中的一种或多种；优选为乙醇、水、或乙醇和水的混合液；更优选为乙醇和水的混合液。乙醇和水的混合液中，乙醇和水的体积比可以为1～0.01:100，优选为1～0.1:10，更优选为1～1:5。这样有利于颗粒物的分散及其在初生纤维上的附着。
改性溶液中的表面活性剂的实例包括但不限于自聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、十二烷基苯磺酸钠、肝胆酸钠、十八烷基硫酸钠、硬脂酸钠、季铵盐中的一种或多种。季铵盐可以选自烷基三甲基铵盐、二烷基二甲基铵盐、吡啶鎓盐中的一种或多种。优选地，表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种。更优选地，表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。表面活性剂的用量为常规用量，在此不再赘述。这样有利于颗粒物的分散及其在初生纤维上的附着。
根据本发明的一个实施方式，步骤(2)中，改性溶液以气溶胶的形式喷洒；改性溶液的溶剂为乙醇和水的混合液，且乙醇和水的体积比为1～0.01:100。
根据本发明的一个具体实施方式，步骤(2)中，所述的颗粒物选自二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、硅酸盐、碳酸盐、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚二甲基硅氧烷、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、壳聚糖中的一种或多种；在本发明的含有颗粒物的溶液中，改性溶液中颗粒物的含量为0.1～20wt％。
步骤(3)中，将改性初生纤维沉积在铺网转移系统上，形成含有颗粒物和缎带式纤维的沉积物。改性初生纤维在纺丝气流的引导下沉积在铺网转移系统上。在铺网转移系统上，初生纤维形成缎带式纤维，且相互叠加。颗粒物与缎带式纤维交错排布，使缎带式纤维在无纺布厚度方向上蓬松分布，颗粒物的存在使得缎带式纤维之间形成大量孔洞。
步骤(4)中，将沉积物中的颗粒物除去，得到无纺布。具体地，采用水或无机酸水溶液清洗沉积物以除去颗粒物。无机酸水溶液的无机酸可以为盐酸、硫酸、硝酸。优选地，无机酸水溶液为盐酸。盐酸的pH值可以为1～3；优选为1～2；更优选为1。这样有利于将颗粒物去除，且保证无纺布的机械性能。将颗粒物从缎带式纤维中去除后，缎带式纤维之间依然会保留部分孔洞，同时颗粒物去除后还会形成新的孔洞。经过清洗，无纺布更加柔软，更适合作为服装面料。
本发明的生产方法还可以包含将水洗和烘干步骤。水洗采用常规操作，以除去残留的清洗液。烘干温度可以为60～95℃，优选为70～90℃，更优选为75～85℃。
以下实施例和比较例的测试方法说明如下：
克重：采用GB/T 24218.1-2009进行测定。
径向拉伸强度：采用GB/T 24218.3-2010进行测定。
纬向拉伸强度：采用GB/T 24218.3-2010进行测试。
撕裂强度：采用GB/T 3917.3-2009进行测试。
厚度：采用EN 20534进行测定。
密度：根据无纺布的克重和厚度数据计算得出，密度＝克重/厚度。
孔隙率：根据无纺布的密度与纤维原料的密度计算得出，孔隙率＝(纤维原料密度-无纺布密度)/纤维原料密度。
水蒸气透过量：采用ASTM F 1249进行测试。
可承受的最大静水压：根据AATCC TM 127进行测试实施例1
将碳酸钙颗粒物(D90＝2μm)分散在乙醇和水形成的混合溶液中(乙醇和水的体积比为1:3)，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，超声分散，得到碳酸钙颗粒溶液(碳酸钙的含量为2wt％，聚乙烯吡咯烷酮的含量为0.1wt％)。
将线性聚乙烯与二氯甲烷形成聚乙烯纺丝液(线性聚乙烯浓度为10wt％)。采用闪蒸法将聚乙烯纺丝液形成初生纤维，将碳酸钙颗粒溶液形成气溶胶，喷洒在初生纤维的表面，冷却过程形成附着有碳酸钙颗粒的初生纤维。
将附着有碳酸钙颗粒的初生纤维沉积在铺网转移系统上，形成含有碳酸钙颗粒的缎带式纤维(厚度为1.5μm，宽度为15μm)。如图1所示，缎带式纤维1相互叠加，颗粒物2与缎带式纤维1交错排布，使缎带式纤维1在无纺布厚度方向上蓬松分布，从而在缎带式纤维1叠加的截面上形成孔洞。
将含有碳酸钙颗粒的缎带式纤维在pH值为1的盐酸中清洗，去除碳酸钙颗粒，然后经过水洗去残留的盐酸，在80℃下烘干，得到无纺布。碳酸钙颗粒被去除后，留下部分孔洞和产生新的孔洞，这些孔洞的孔径分布为0.1～2.5μm。无纺布的各项性能如表4和表5所示。
图2为本发明的无纺布的结构示意图。缎带式纤维1相互叠加，缎带式纤维1在无纺布厚度方向上蓬松分布，从而在缎带式纤维1叠加的截面上形成孔洞，这些孔洞形成气流通道3。
实施例2～4
除了碳酸钙颗粒D90和孔洞的孔径分布如表1所示，其余参数同实施例1。无纺布的各项性能如表4和表5所示。
表1
实施例5～7
除了缎带式纤维的厚度和宽度如表2所示，其余参数同实施例1。无纺布的各项性能如表4和表5所示。
表2
实施例8～10
除了碳酸钙颗粒溶液中碳酸钙的含量如表3所示，其余参数同实施例1。无纺布的各项性能如表4和表5所示。
表3
比较例
将线性聚乙烯与二氯甲烷形成线性聚乙烯浓度为10wt％的聚乙烯纺丝液。采用闪蒸法将聚乙烯纺丝液形成初生纤维，将初生纤维沉积在铺网转移系统上，得到聚乙烯无纺布。聚乙烯无纺布中缎带式纤维相互叠加，缎带式纤维的厚度为2μm，宽度为9μm。聚乙烯无纺布的各项性能如表4和表5所示。
表4
表5
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。
