Lyocell短切纤维在湿法成网水刺非织造布中的应用

S. Schlager， T. Maier， S. Jary， S. Rahbaran， S. Kulka

兰精集团(奥地利)

湿巾类非织造产品不仅在医疗、卫生和化妆品等领域的应用日益增长，同时还拓宽至工业领域。湿巾生产工艺具有多样性，从而丰富了织物面料的种类和功能，提高了不同类型产品在市场中的竞争力。利用湿法成网工艺，再分别通过水力纠缠或水刺加固处理，可生产不同种类的湿巾产品。对含有纸浆和纤维素纤维等可完全生物降解材料的非织造材料来说，湿法成网工艺是一种非常具有优势的成网方法，尤其是满足了可持续性发展的要求。纸浆和纤维素纤维(如黏胶短切纤维)的混合物，通常被用于制造高端产品。然而，这些材料的拉伸强度较低，或需要通过添加大量的黏胶短切纤维来弥补材料在性能上的不足。通过在这些非织造布的生产过程中使用Lenzing Lyocell短切纤维，在较低黏胶短切纤维添加量下即可提高产品的干、湿拉伸强度，而不需要添加任何合成纤维或化学湿强添加剂。由于在产品制造过程中只使用这类植物纤维，从而保证了产品具有生物降解性和高性能，从而扩宽了水刺非织造布产品的应用领域。

如今，非织造产品的需求量日益增加，这不仅是因为人们对更方便、更高端的身体和美容护理产品的需求量越来越大，也由于人们逐渐增强的卫生意识。非织造布产品广泛，涵盖了如婴儿湿巾、湿厕纸、洗脸湿巾、家用和工业湿巾等单一用途产品和一次性用品。在当今社会，人们在可持续发展、废弃物管理和回收利用方面的意识不断提高，使得生产商需要对非织造产品进行设计并再设计。除了要求非织造布生产线具有良好的可加工性外并满足可持续性发展的要求，还要满足客户对产品性能的要求，这使得产品设计具有了极高的难度，也是产品生产所经历最多的挑战。

高端非织造产品的一项要求是拉伸强度。为了提高纤维间的缠结从而提高织物的强度，许多产品都使用了切断长度在30 mm或更长的合成纤维和短纤维。使用如聚酯类合成纤维是当前的讨论热点。众所周知，这种纤维是不可生物降解的，若直接丢弃则不符合废弃物管理要求，且含有该短纤维的非织造织物的拉伸强度通常很高，这些纤维在产品使用后会抑制其进一步分解，因而被禁止丢弃于马桶中。合成纤维材料的处理已成为非常有争议的问题，像“海洋垃圾”和“微塑料”等已成为近年来全社会讨论最多的话题。现在，这些合成纤维也有了可替代品。

产品的生物可降解特性可通过使用具有专门成分的植物原料来获得。此外，通过将材料的拉伸强度适当降低而使用更短的短切纤维，可使材料易分解从而更利于处理。在湿法成网水刺非织造布生产过程中使用Lenzing Lyocell短切纤维，能很容易地使产品保持易降解和高强度两种特性。Lenzing Lyocell短切纤维是一种纤维素纤维，其原料来源于可再生木材材料，因此该纤维具有良好的生物降解特性。即使使用长度在12 mm以下的短切纤维也可对其进行湿法成网水刺加工，同时确保制成品的生物降解特性。

目前，湿法成网水刺非织造布的拉伸强度，尤其是湿态拉伸强度还有待提升，其在润湿状态下的产品性能，与短纤维梳理成网等其他工艺成网非织造布相比还存在差距。本文采用湿法成网水刺工艺和Lenzing Lyocell纤维，可制备具有中等到高等湿态拉伸强度，并能生物降解的高性能非织造布。探索了以Lenzing Lyocell短切纤维为原料，利用湿法成网和水刺加固处理技术，从而制备具有高拉伸强度和生物可降解性能等较多优异性能的非织造产品的技术。

湿法成网水刺非织造产品在产品的各项性能要求有矛盾时能提供折中的方案。湿厕纸就是一个例子，它的储存和使用需要高湿强度，但在冲洗后，又必须确保材料能被快速分解并生物降解。因此，必须平衡材料的拉伸强度和分解率。另一个例子则是包括一次性湿巾在内的周转率高的工业非织造布。这类产品要求价廉，同时要求对环境影响小、可生物降解。此外，这些产品还要求具有高面密度和高强度，以提高实际工业应用中的擦拭性能。

基于这些不同种类的非织造布，下面将展示如何通过改变Lenzing Lyocell纤维组合和湿法成网水刺工艺来调整材料的性能。

1 研究

在这项关于湿法成网水刺纤维素湿巾的研究中，重点研究了该湿巾在要求完全不同的两个应用领域的性能表现。研究的第一部分涉及湿厕纸或可冲洗湿巾领域。这种湿巾的使用要求是具备适度的面密度和较为均衡的湿拉伸强度，同时确保此类织物在处理和冲洗时能够被快速分解并生物降解。较高的湿拉伸强度和冲洗后的快速分解是两种相互矛盾的特性，尤其难以同时实现。可冲洗湿巾存在的另一个问题则是确保其可生物降解，因为在冲洗过程的最后一步要求湿巾材料必须能被污水处理厂污泥中的微生物降解掉。Lenzing Lyocell纤维是木质纤维素纤维，本身具备良好的生物可降解特性，因此这些纤维是制备可冲洗湿巾的理想材料。为了获得高湿强度且具有可冲洗性的高性能材料，在制备原料中加入少量这种短纤维就足以提高材料的性能。湿法成网水刺可冲洗湿巾的最佳共混材料是木浆。图1分别比较了不同共混比例的木浆与Lenzing Lyocell短切纤维和木浆与黏胶短切纤维湿巾的强度。结果表明：与黏胶纤维相比，Lenzing Lyocell纤维在纤维含量较低的情况下，可获得相同甚至更高的湿强度。与此同时，Lenzing Lyocell纤维共混物不仅具备很高的拉伸强度，还可保证实现共混物在模拟冲洗晃荡盒中30 min分解率达100%，远优于Edana GD4冲洗率指南中要求的60 min湿巾分解率达60%的标准。

图1 不同比例纤维素纤维混纺湿厕纸(MTT)的湿强度(纵向)及分解率

Lenzing Lyocell纤维除了在上述性能方面具有与黏胶等其他纤维素纤维相媲美的优良性能外，还可通过纤维切断长度和线密度对其拉伸强度进行调节。图2和图3描述了通过改变Lenzing Lyocell短切纤维长度、纤维线密度和纤维含量来控制混纺非织造材料的湿拉伸强度。从图中可知，在潮湿状态下，混纺材料的湿拉伸强度从最小值4 N/(5 cm)开始，具有非常宽的可调节范围。除了现有的线密度为1.40和1.70 dtex的短切纤维外，Lenzing Lyocell还将纤维组合拓展到线密度更低的1.15 dtex的短切纤维，从而拓宽了水刺材料的特性范围。即便通过使用1.15 dtex的纤维将材料的湿拉伸强度提高到13 N/(5 cm)，甚至更高，材料依旧可以保持其降解性和可冲洗性。

图2 Lenzing Lyocell短切纤维长度对材料的湿拉伸强度(纵向)的影响

此外，还对现有短切纤维混合湿法成网织物工艺设置进行了大量研究。下面是湿法成网水刺非织造布的全方位研究，该研究结论不仅适用于需要平衡拉伸强度和分解率的可冲洗湿巾，而且适用于韧性要求更高，可用于个人护理、家庭护理和工业领域的其他种类的湿巾。使用Lenzing Lyocell全系列短切纤维，可使湿法成网和水刺加固工艺适用性增强，从而扩大产品的应用范围。除改变材料的面密度外，还可根据所用纤维的种类和目标属性调整输入的水刺能量。水刺能量可通过输入的高压水束压力和成网传输速度来调节。对于新开发的线密度为1.15 dtex、长度为10 mm的Lenzing Lyocell短切纤维，以其质量分数为20%与木浆混合制备可冲洗湿巾，通过改变水刺能量可使其湿拉伸强度从4 N/(5 cm)逐渐提高，如图4所示。

图4 水刺能量对材料湿拉伸强度(纵向)及分解率的影响

通过将短切纤维与不同的生物可降解高性能纤维组合，同时结合湿法成网和水刺法的可调节技术，可使生产的非织造产品具有一些独特的特性，从而使非织造产品从一次性产品转向高性能产品具有可能性。

图5显示了另一种制备湿法水刺非织造产品的方法。由图可见，采用同种线密度(1.4 dtex)和长度(10 mm)的Lenzing Lyocell短切纤维与木浆的共混物所制备的材料同样具有高拉伸强度。通过调整材料面密度和水刺能量，可获得拉伸强度比标准要求还要高的可冲洗湿巾。

图5 水刺能量及材料面密度对材料干拉伸强度的影响

除了改变纤维线密度和纤维长度外，增加水流压力以增大水力纠缠能力并增加水刺能量输入，是在不添加任何化学湿强助剂的情况下提高湿法成网材料强度的关键因素。通过调整纤维类型、共混比例、材料面密度以及水刺能量等参数，可制备种类繁多并可适用于多种领域的产品。

2 结论

含Lenzing Lyocell短切纤维的湿法成网水刺材料可广泛用于各种非织造布应用领域。材料的性能既可以通过设置水刺工艺和能量输入来调整，也可以通过调整面密度、纤维线密度和切断长度等参数来进行调控。通过上述方法，可制备出具备适当拉伸强度的一次性非织造材料。一方面该材料在冲洗时能迅速分解，另一方面也具有更高拉伸强度和更坚固耐用的性能。用这些短纤维与木浆混合制备而成的材料具有生物可降解性，能满足可持续发展要求。此外，与黏胶纤维等其他有竞争力的纤维相比，在共混中使用少量的Lenzing Lyocell纤维，也可使混合材料在湿态下能够保持高拉伸强度。Lenzing Lyocell纤维具有较好的生物降解性能，可作为合成纤维的替代品，符合近年来一直讨论的“无塑料”理念。结合水刺加固技术，所制备的产品性能可以满足各种应用领域的要求。

Lenzing Lyocell为注册商标