第六章 水刺法非织造布

第六章水刺法非织造布第一节水刺技术与发展水刺法又称水力缠结法、水力喷射法、射流喷网法，它是一种独特的、新型的非织造布加工技术，它是利用高速高压的水流对纤网冲击，促使纤维相互缠结抱合，而达到加固纤网的目的。

水刺技术的加工特点是无环境污染，不损伤纤维;产品无粘合剂，不起毛、不掉毛、不含其他杂质;产品具有吸湿、柔软、强度高、表观及手感好等特点。

因此水刺技术虽起步较晚，但发展极其迅速，被称为第三代非织造布加工工艺。

有人将其喻为21世纪非织造布工业的一颗明星。

水刺技术是20世纪70年代中期由美国Dupont公司和Chicopee公司开发成功的。

随着这一技术的不断成熟，杜邦公司到80年代实现了水刺非织造布的工业化生产。

到1996年，全球范围内有61条水刺生产线，水刺产品的产量在以惊人的速度增长。

在美国、西欧市场，水刺非织造布销售的年增长率为21%，在其他国家和地区，水刺非织造布的增长率也高于其他非织造布。

我国从1994年开发至今已从零发展到拥有2万多吨的水刺法生产能力，在不断提高对引进设备消化能力的基础上，产品开发不断深入，医用纱布、手术罩布、揩布、合成革基布等主要产品已被国内市场所认识和应用。

水刺产品的原料范围很广，大致有下列3类:1.纤维素纤维:粘胶纤维、Lyocell、棉，这些纤维具有良好的吸湿性，手感柔软，对人体无过敏反应，具有天然的生物降解等特性，适用于医用卫生材料及用即弃材料。

2.合成纤维:涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶，这些纤维强力高，弹性好，常被用来为水刺非织造布提供强伸度，如合成革基布、服装粘合衬、各种包覆材料等，可以独立或与其他纤维混合使用。

3.特殊纤维:木浆纤维、超细纤维、高强度高性能的芳香族聚酰胺纤维、玻璃纤维、真丝纤维以及聚乳酸纤维、甲壳素纤维等绿色纤维。

木浆纤维是近年来在水刺上开发的新原料，它具有的高吸收性能使它可以与其他纤维混合，开辟水刺非织造布应用的新领域，成为妇女卫生巾、护垫、尿片、尿裤的主要原料。

超细纤维与水刺技术结合，真可谓珠联璧合，它可采用常规的梳理、铺网工艺，对分裂型纤维进行成网，再利用水刺时高压水流对纤维的冲击，使纤维裂解，形成超细纤维水刺非织造布。

这样既解决了超细纤维在梳理机上的加工之难，又免除了专门用于纤维分裂的加工工序。

真丝含有人体所需的18种氨基酸，甚至更多，通过水刺法加工，非织造布具有柔软、轻薄的风格，被称为人的第二皮肤，多用于纱布、敷料、妇女卫生巾、护垫、美容面膜等方面，具有保健、抗菌、有效抑制皮肤黑色素形成等功效。

水刺产品的特点是具有优良的悬垂性和极柔软的手感，蓬松透气性好，强力高，吸湿性好，不易起毛，不含化学粘合剂（除特殊用途外），卫生、可靠。

由于水刺布具有上述诸多优点而被广泛应用于卫生材料、家庭生活用品、服装、装饰布、合成革基布、过滤材料、建筑补强防漏材料、农业园艺、蔬菜种植材料等领域。

1.医用卫生用品:这是水刺布最主要的应用领域，其用途有数百种，大致分为手术用品、医护用品。

具体品种有:伤口敷料、外科用罩布、灭菌包布、绷带、纱布球、药膏布、手术衣帽、手术口罩、手术鞋罩、手术垫、手术巾、吸液垫、病员及手术用床罩、枕套、褥子、病员服等。

2.家庭生活用品:揩布在家庭生活中用量很大，有婴儿揩布，美容揩布，家具、餐具、炊具揩布，卫生揩布，汽车揩布。

用细旦纤维做的擦拭布柔软吸电，不伤物体表面，不留纤维屑，可用于擦拭精密仪器、眼镜、相机镜头、玻璃制品、工艺品等。

此外还有台布、湿面巾、擦手巾，魔术毛巾体积小，易收藏，便于携带，适合外出旅行使用。

3.服装、装饰布:服装方面有高档服装衬布，免洗内衣、内裤，袖套，围裙等，水刺布经后整理或印花可做台布、窗帘布、汽车内饰、床罩等。

近年来，水刺技术有很大进步，但尚存在生产线投资大，工艺复杂，产品能耗高，生产成本高，难以生产25g/m 2 以下产品等不足。

作为非织造布的一种年轻的加工技术，水刺工艺设备会更加成熟，产品应用范围会更广、更宽。

第二节水刺机理水刺工艺原理与针刺法很相似，水刺中由高压水流形成“水针”，其作用似针刺中的刺针。

水刺工艺原理见图1-6-1。

纤网由托网帘送入水刺区，高压水流经水刺头、水针板（图中未画出）垂直射向纤网，形成连续不断的呈圆柱状的“水针”，在水针冲击纤网的过程中，纤维在水力作用下从表面被带入网底，造成纤维之间的缠结。

当水针穿过纤网射到托网帘后，形成不同方向的反射作用，水柱反弹到纤网反面时，纤网又受到多方位水柱的穿刺，故在整个水刺过程中，纤网中的纤维在水针从正面直接冲击和从反面托网帘水柱的反弹穿插的双重作用下，形成不同方向的无规则的缠结，从而达到加固作用，形成水刺非织造布。

以下从几个方面对水刺原理作进一步探讨。

一、水刺工艺中对水流的要求首先，作为水刺的基本条件就是水流必须具有足够大的能量，由流体动力学可知，在水针板图1-6-1 水刺原理示意图距纤网10mm的范围内，水针是以自由流线为界的射流形式喷出的。

根据伯努力定理可得到流体沿喷射方向各流动量之间的关系:P v+12g 2 +gh=C（常数）式中:P———水压;g———重力加速度;v———水流平均速度;h———某固定水准面上的高度。

由上式可知，只要提高水泵的压力，即加大水循环系统中的能量和功率，就能得到合适的水针速度。

具体的水针压力大小，应根据产品要求来确定。

一般来说，产品克重大，所采用的水针压力就大。

其次，还要求水质良好，水中应无杂质，以免其堵塞水循环通道而导致生产不能正常进行。

二、在水针作用下纤维的缠结分析经对水刺样品电镜图的微观观察和分析可发现:当一直径适宜的高能水柱冲向纤网时，水柱连续冲击纤维，最终使得一根纤维或一束纤维的一部分具有足够的能量，而从纤网的正面向反面运动，在这一过程中，这根纤维或这束纤维与其所接触的纤维产生穿插、纠缠，同时，从反面穿出的纤维或纤维末端在水柱的反弹散射作用下，又随机地再从反面向正面运动（如图1-6-2所示），并且再次与所接触纤维产生穿插纠缠。

同时，这根纤维的另一部分被另一高能水柱作用，也产生同样的过程。

这样，在水针作用下，纤维之间、纤维束之间或纤维与纤维束之间不断地互相穿插、纠缠，在水柱冲击力和反弹力作用下，纤维在其交接处逐渐收缩而形成结，从而使这些结之间的纤维形成一种立体的包覆网，而把纤网固定。

在这种固定体中，纤维具有双重“身份”，即是被固定物主体，也是固定物的主体。

另外，从微观角度发现，如果水柱的直径比纤维直径小，则不论水柱的能量有多高，大部分水只能使得大部分纤维在一定的自由体积内产生扭转，而不能有效地令纤维从纤网的正面向反面运动，并产生较多的穿插和纠缠，形成足够多的结而促使纤网被固定并具有足够的强力（只有那些运动方向通过纤维几何中心的水柱才能促使纤网产生穿插和纠缠）。

相反，如果水柱直径过大，一根纤维或一束纤维的大部分都处在同一水柱作用之中，且其运动方向也一致，它就不能产生有效的“结”，从而不能加固纤网，仅能使得纤网产生破洞。

只有当水柱与纤维直径符合工艺要求时，如图1-6-3所示，即水柱冲向纤网，水柱单元d x所携带的能量被吸收后，纤维才能产生一定的位移。

随着纤维所获得能量的不断增加，纤维将克服阻碍其运动的“堡垒能”而产生最大位移形成结而被固定。

图1-6-2 水刺中纤维的缠结图1-6-3 水柱单元dx作用于纤网如果水柱能量过低，则因纤维没有足够的能量越过“空间位能”而无法形成较多的、有效的纠缠，纤维本身强力得不到充分地利用，故导致纤网结构松散，强力低，无法达到使用要求。

如果水柱能量过高，则会导致纤维所获得的能量值大于其断裂功，使得纤维断裂，最终使纤网强力下降。

在水刺法中，纤网接受水的注射能量由水刺遍数、水流量、水压、喷水孔径、水针排列密度、纤网运行速度等因素决定。

根据实际生产中测得的数值，做出如图1-6-4、图1-6-5所示的曲线图。

图1-6-4 纤网帘速度与强度和纤维损失率的关系图1-6-5 注射能量与强度和纤维损失率的关系在理论上，有人已得出上述几因素之间的经验关系式:E=3.65×10 -4 ［y×p×q/（s×b）］/n式中:E———水注射能量，也叫单位能量（kW·h/kg）;y———水刺头1cm长度上喷水孔数;p———水刺头内水压（Pa）;q———每个喷水孔水流量（m 3 /min）;s———输送帘的纤网速度（m/min）;b———水刺后纤网重量（g/m 2 ）;n———水刺头数。

综上所述，水针加固纤网的实质是纤网在具有足够大能量的水针冲击下，纤维和纤维束克服空间位能和扭矩，产生扭曲、弯曲、旋转和拉伸，并伴随着这种变化同其他纤维产生穿插和纠缠，进而形成结，从而使得纤网形成一种空间的网络结构，具有较高的强力。

三、纤维性能对水刺效果的影响纤维的性能和形态结构对水刺效果有重要的影响。

1.纤维抗弯刚度与水刺效果的关系纤维的抗弯性能将影响水针加固纤维的缠结度、生产效率与成品特性。

一般具有较低抗弯刚度的纤维比高抗弯刚度的纤维更易缠结。

由纤维力学而知，纤维的抗弯刚度可用下式计算:R f =EI=π4·η f ·E·r 4 （1）式中:R f ———纤维抗弯刚度（cN·cm 2 ）;E———纤维抗弯模量（cN/cm 2 ）;I———纤维断面惯性矩（cm 4 ），对于半径为r的圆形截面纤维，其断面惯性矩I o 为:I o =π4×r 4 但实际上，一般纤维截面都不是正圆形，因此简化计算为:I=η f ·I o 即 I=π4·η f ·r4图1-6-6 纤维受力分析式中:r———纤维截面按等面积折合成正圆形时的半径（cm）;η f ———截面形状折合系数。

另外，从材料力学角度分析，假设水刺力F为集中性力;纤维受力状态为简支梁（如图1-6-6所示），则纤维在F力作用下的弯曲挠度Y为:Y=F·f（l）a·R f （2）式中:F ———水刺力;f（l）———跨度l的函数; a———常数; R f ———抗弯刚度。

即纤维抗弯刚度与纤维挠度成反比。

将（1）式代入（2）式即可得出:Y=4·F·f （l）a·π·η f ·E·r 4 （3）由（1）式可知，纤维的抗弯刚度与纤维半径的4次方成正比。

也就是说，纤维粗细的微小变化将导致纤维抗弯刚度的显著变化。

（3）式表明，纤维在水刺力的作用下，其弯曲挠度与纤维半径的4次方成反比，而与水刺力F的1次方成正比。

考虑到射流的“能量供给水平正比于压力的1.5次幂”，故可认为纤维细度对水刺效果的影响远大于水压对水刺效果的影响。

例如，纤维的半径增加1倍，则水刺力需增加16倍，才能达到相同的弯曲挠度，故水刺法以加工较细的纤维为适宜。