现在通过应用不同的化学整理可以改善非织造基布最终的使用特性。通常非织造产品的最终物理性能和功能性是在纤网形成之后采取化学整理方法获得的,化学整理剂可以通过如浸润、喷涂、泡沫或印花等不同方法施加到非织造基布上,在采用这类方法之后通常要进行干燥,以去除剩余的溶剂,尤其是水。有些化学试剂提供防止细菌和病毒的抗微生物保护或者为了提高某种特定非织造布的吸水性而提供亲水特性;而另一些试剂提供抗静电性或者提高非织造布的染色性或遮光性。聚合物乳液主要增加非织造布的强度和完整性。本文将集中介绍可以提供拒水性和(或)防水性的聚合物乳液以及可以提供耐溶剂性和阻燃性的聚合物乳液。本文还提供了一种新型的Ａｉｒｆｌｅｘ乳液的数据,当该乳液应用于不同的非织造布上时,可以赋予非织造布对液体的排斥性和防水性,同时也将讨论为非织造布提供耐溶剂性和阻燃性的其他独特的Ａｉｒｆｌｅｘ乳液。

1防护材料种类

“防护材料”这一术语取决于被阻止通过材料的种类而拥有不同的含义。例如,一些防护材料被设计用于阻止如石棉纤维或颗粒状物质等细微碎片的通过;另一些防护材料已被用于防止潮湿的水蒸气的通过或者被设计用来阻止如氧气等不同气体的通过。本文中防护材料是指不允许液体浸入,尤其是不允许水性液体的通过。针对防水性而设计的材料从卫生领域到服装和包装业都有广泛而多种多样的应用。防水纤维最终产品的应用实例包括床垫、医用窗帘和手术服、室内装饰布、桌布内衬、工作服和餐巾。

这些最终产品在使用时都需要具有一定的防水性,其要求的防水程度取决于特定的使用需要以及满足最终目标功能所需求的其他特性。当然必须是相对价格便宜的材料,尤其对于用即弃的材料。

次要特性中较重要的一个性能是湿气的通透性(ＭＶＴ)。湿气的通过不仅为与皮肤接触的材料提供舒适性,而且湿气的通透对于例如室内装饰布等的保护性应用也是至关重要的。如果不允许湿气通过材料,室内装饰布将损坏作为保护目标的下层材料。因此,防护功能和湿气通透双重功能可以在大量的最终功能中进一步扩展应用。目前拥有双重功能的材料包括微孔薄膜和熔喷非织造布或纺粘/熔喷/纺粘(ＳＭＳ)非织造布。

2测量防水性和湿气通透率的测试方法

2.1防水性测试方法

对于防护特性或者阻水能力的测试可以以不同方法进行。一种常用的方法是静压头阻力。该方法是测试在渐增的静压下材料对于水通过所产生的阻抗,直到有3滴水滴穿过材料。静压头的测试单位以液体的高度(毫米或厘米)表示。ＥＤＡＮＡ测试方法有不同系列,本文以ＥＲＴ120.1-80为例。ＭａｓｏｎＪａｒ测试方法,ＩＮＤＡ测试方法ＩＳＴ80.7-70是另一种测试方法,其通透阻抗通过测量盐溶液在持续压力下将材料表面润湿所需的时间来测定;ＩＮＤＡ测试方法80.4-70则是通过测量材料对于喷水效应下液体渗透时产生阻抗的方法,这种方法指示出当水流流到或飞溅在材料上时材料的性能。

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2.2湿气通透率测试方法

湿气通透率的测量(ＭＶＴＲ)与ＡＳＴＭ方法Ｅ96、ＴＡＰＰＩ方法Ｔ448或ＩＮＤＡ方法70.2-70一致。尽管其中的每一方法都有所不同,而总体上是测量每天通过一充满水的杯子上覆盖的材料的水蒸气量[ｇ/(ｍ2?ｄ)],测试条件是相对湿度为50%,温度为21℃(70)。

湿气流量通常由于材料的“开放”或者多孔性而得到提高。多孔性的测量可以通过使用Ｆｒａｚｉｅｒ透气度测定仪确定或者采用其他方法,如ＡＳＴＭＤ737和ＩＮＤＡ测试标准70.1确定。

3通过化学整理获得防护性能

为了既获得防护性能,又可以保持可接受的湿气通透性,这对于非织造布的设计加工和改良通常是困难和(或)费用昂贵的。而将化学整理方法应用到非织造布上可以使两种性能达到平衡,这是一种独特的和性价比好的方法。为理解该化学改性方法,需要对于基本的液体排斥方程进行讨论。理想的非织造布是一种微孔材料,如图1所示。

在非织造布上覆盖一种适当的化学整理剂,但基本上不会堵塞孔隙,因此防水性能仅限于在给定的静压下。如果ｒ是孔的半径,θ是接触角,对于给定的液体表面张力是λ,则防止非织造布微孔表面被浸湿的力Ｆ是:

Ｆ=2πｒλｃｏｓθ

如果静压为Ｐ,则液体流过孔隙时:

阻止液体渗透的临界压力是:

Ｐ=2λｃｏｓθ/ｒ

通过在非织造布表面应用适当的化学整理剂,可以对特定液体产生大于90°的接触角,得到的ｃｏｓθ为负值,则阻止液体渗透的力为负值。阻力与孔径有关,孔径越小,压力梯度越大,因此阻力越大。但是,对于单独的化学溶液要求化学整理后的孔径能够使空气流和水蒸气的通过达到合适的平衡点。

为了获得防水保护和通透性双重功能需要,ＡｉｒＰｒｏｄｕｃｔｓＰｏｌｙｍｅｒｓ公司已经开发出一种新的疏水的醋酸乙烯酯―乙烯(ＶＡＥ)乳液。将其应用到非织造布上,该乳液可以通过增加所需的接触角而改变其表面能量,可以阻止水透过非织造布。取决于孔径尺寸和材料结构设计的渗透阻力可以对大量不同的应用提供仍有良好通透性的临界静压头。

4醋酸乙烯酯―乙烯乳液的防水性能与应用

aerflexep1188是新近开发的醋酸乙烯酯―乙烯共聚物乳液的商用名。该产品已被设计应用在纤维素或纤维素/合成非织造基布上,以提供表面阻水和防水特性。aerflexep1188乳液通过降低表面能或纤维表面的临界表面张力而提供防水功能。将aerflexep1188共聚物乳液以常规方式喷洒或浸透在非织造布表面上并干燥。这种共聚物含有非离子至少量阴离子电荷物质,ｐＨ值介于9.0～9.5之间,平均粘度为500ｃｐｓ。可提供各种不同最终应用特性的乳液具有以下附加的性能:(1)经核准的ＦＤＡ(176、170、176、180);(2)不含羟乙基烷基酚;(3)气味少;(4)无氟化物;(5)超低甲醛含量;(6)ＶＯＣ含量低。

由聚合物乳液所提供的表面能或临界表面张力的减少可通过水滴在被处理的非织造布上所形成的接触角来表示。如果临界表面张力低于被排斥的液体表面张力(水为72×10-5Ｎ/ｃｍ),那么接触角(θ)必须大于90°。为证明aerflexep1188共聚物的效果,必须在纤维素纤维的气流成网基布上测量接触角,乳液以喷洒方式施加,并在54℃(130)以上的温度下干燥。基布上的aerflexep1188共聚物涂层重量在15～20ｇ/ｍ2的范围内。去离子水作为接触角试验液。采用一台Ｋｒｕｓｓ液滴尺寸分析仪测量水滴的接触角。

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表1结果证明了通过aerflexep1188共聚物处理过的基布的接触角大于90°。ＳＭＳ基布证明了由于用于生产该非织造布的聚丙烯纤维固有的疏水性而导致接触角变小。

尽管接触角的测量是材料对于渗透液体阻力的一种指标,但也可以表示为材料在压力下阻止液体渗透的程度,同样指防水能力,这种阻止液体渗透的程度受如孔径和液体表面压力等其他因素的影响。aerflexep1188乳液可以通过改善纤维的表面特性以及仅稍微减少材料透气孔的尺寸来改善材料的阻力特性。测量静压头的方法(ＥＤＡＮＡ测试方法ＥＲＴ120.1-80)是测量阻力的方法之一。在非织造基布表面上施加aerflexep1188乳液后,基布可以得到与孔结构和固有的疏水性能有关的不同水平的静压头阻力。

表2所列的静压头阻力是用ＥＤＡＮＡ测试方法ＥＲＴ120.1-80测得的。在实验室研究中,在不同密度、不同孔径(由材料Ｆｒａｉｓｅｒ空气阻力决定)和疏水性能的基布的某一面上喷洒aerflexep1188乳液。该基布包括一层低密度气流成网木浆粕、一层高密度气流成网木浆粕和一层聚丙烯ＳＭＳ复合材料。表2显示了ＥＤＡＮＡ静压头、基布密度、涂层重量和每一种基布在加工前后的Ｆｒａｓｉｅｒ空气渗透性。

上述结果例举了由aerflexep1188共聚物所提供的隔水物的种类,而该类物质对非织造基布的空气流没有不利影响。尽管对液体的阻隔性增长了,而通过非织造布的ＭＶＴＲ不受影响。许多设计具有隔水性能的非织造基布是层压了一层隔离膜(如聚丙烯和聚乙烯)。如对隔膜不予改进,通常都会影响ＭＶＴＲ,且会增加最终产品的成本,影响其经济性。如果使用aerflexep1188共聚物进行加工,将会在一些应用中不需要层压隔膜,且不会影响ＭＶＴＲ。

图2例举了前面讨论过的基布在处理前后的ＭＶＴＲ。ＭＶＴＲ根据ＴＡＰＰＩ测试方法Ｔ448(稍作改进)测量得出,结果显示aerflexep1188共聚物处理后的纤网和未经处理的纤网大体相同。

表2和图2证明了通过aerflexep1188共聚物整理将具有通常的吸收性和憎水性的非织造布(如纤维素纤维气流成网)变为一种带有阻水隔层而不影响ＭＶＴＲ的基布。aerflexep1188乳液对于在设计功能上有创新以及具有独特的应用性能的非织造布也是非常有效的,并且不需要一个昂贵的涂膜转换过程。

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5由聚合物乳液整理提供的阻燃/耐溶剂性能

非织造布同样可以通过乳液的化学整理和粘结改性来提供阻燃性和(或)耐溶剂性。这些性能对于非织造布继续进入历史上由传统织物占主导地位的领域(如运输、建筑、家具和床上日用品等)至关重要。要求具有阻燃性和耐溶剂性的一些专用非织造布包括:过滤介质、材料表面涂层、防火材料、高蓬松基布、屋顶基材、卫生产品、医疗用即弃产品和壁纸。

为了满足上述需要,设计了应用于非织造布粘合、整理、粘结和渗透等方面的多用途的阴离子乙烯―氯乙烯(ＥＶＣｌ)Ａｉｒｆｌｅｘ聚合物乳液系列。ＥＶＣｌ聚合物中含有功能性基团,该聚合物具有进行交联的空间或者可以进行自交联。ＥＶＣｌ聚合物的化学性能和力学性能稳定,在乳液含固量50%时具有低的粘度。ＥＶＣｌ聚合物的玻璃化转变温度(Ｔｇ)范围是3～45℃。

5.1阻燃特性

乙烯―氯乙烯聚合物的含氯量(重量)为39%～46%。在燃烧时有效的卤素氯能够在气态下约束自由的氢原子以及清除其他自由基,从而减少可能存在的可燃气体的量,进而减缓或终止燃烧过程,因此可以认为ＥＶＣｌ聚合物涂膜是能自灭的,其最终产品是不可燃的。

ＥＶＣｌ乳液也可以与其他商业用的阻燃剂一起作用,以进一步降低产品的可燃性。例如氢氧化铝或氢氧化镁等化合物可以与ＥＶＣｌ乳液一起应用到非织造布上。这类氢氧化物含有耦合水,水在加热时释放,局部冷却时生成,这将影响能量平衡。释放的水蒸气又可以稀释可燃性气体。磷化合物同样也可以被用作有效的阻燃剂。磷化合物在燃烧时经历了脱水作用,生成磷酸或多磷酸,在非织造布表面上产生炭化物。这层炭化物可避免非织造布表面受热,阻止挥发性气体从非织造布中的聚合材料内溢出到火焰中。

5.2ＥＶＣｌ聚合物的燃烧性能测试结果

测试材料阻燃整理效果的可燃性试验根据测试方法有不同的测试结果。美国拥有数百种成文的国家、州和地方的测试方法,每一种都是针对一种专门的行业或最终应用。随着非织造布市场更加全球化,必须考虑其他国家对于燃烧性能的要求和测试方法。美国非织造行业较为广泛应用的测试方法中的四种是:垂直试验(国家防火协会,ＮＦＰＡ701);水平试验(机动车辆安全标准,ＭＶＳＳ302);两种45°角试验(美国材料试验协会,ＡＳＴＭＤ1230-61和加州117)。

为证明不同聚合物乳液粘合剂的阻燃性,评价了Ａｉｒｆｌｅｘ4530ＥＶＣｌ乳液(46%重量的氯),并与应用在非织造行业的其他典型的聚合物粘合剂进行比较,包括聚氯乙烯(ＰＶＣ)以及苯乙烯―丁二烯(ＳＢ)、丙烯酸、醋酸乙烯―乙烯(ＶＡＥ)和醋酸乙烯(ＶＡｃ)聚合物。每种聚合物被粘合在一种100%聚酯纤网上。图3汇总了每种乳液的四种阻燃试验结果的平均值,Ａｉｒｆｌｅｘ4530乳液提供了最好的阻燃性能。

该项研究的实验条件如下:(1)经检验每种乳液无添加物,尤其没有添加阻燃剂;(2)涂层涂布量35%;(3)聚酯基布定量17ｇ/ｍ2;(4)除ＶＡＥ乳液(Ｔｇ是10℃)外,乳液的Ｔｇ为30～60℃。

当这些聚合物乳液粘合剂与上述商业上可应用的阻燃剂结合使用时,结果变化显著。表3说明Ａｉｒｆｌｅｘ4530ＥＶＣｌ乳液与所述的阻燃剂相容,且其相容性优于其他类型的乳液。

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许多产品将棉纤维掺混到非织造布中。混合物基布中棉纤维与聚酯纤维或人造丝的混合比例可以从100%到各不同比率。例如,一种大比率的过滤介质由30%～80%棉和20%～70%聚酯纤维混合而成。尽管棉既具有应用上的优点也具有成本上的优势,但仍然存在缺点,就是原始纤网的易燃性增加。ＥＶＣｌ乳液通常用于粘合这些基布以增加其阻燃性。尽管在100%聚酯纤网上没有任何添加剂的ＥＶＣｌ乳液可以通过最为普通的非织造布和纺织品阻燃性测试,但是如果在纤网中加入棉成分,情况则不相同。由于棉纤维高度可燃,ＥＶＣｌ乳液应该结合其他阻燃剂以提供最大的保护。

在实验室中以含棉纤维为例,对乙烯―氯乙烯聚合物乳液的阻燃性能与主要应用在非织造布领域中典型的聚丙烯酸乳液进行了比较。阻燃性比较试验在含有50%棉和50%聚酯纤维的纤网上进行。在这些研究中,Ａｉｒｆｌｅｘ4530乳液粘合剂和一种有相似Ｔｇ的聚丙烯酸粘合剂与不同量的磷酸盐/溴化物组成阻燃剂。

表4列出了对不同阻燃剂的测试结果。表4结果再一次显示出ＥＶＣｌ可以提供最优良的阻燃性能,在添加少量阻燃剂时就可以达到目标阻燃性。阻燃剂用量的减少有利于生产更高品质、手感更柔软或者成本更低的产品。

5.3ＥＶＣｌ的张力和耐溶剂特性

一种乳液增加非织造布基布强度的能力取决于许多因素,包括粘合剂对于纤维的粘结性能和粘结膜的粘着力。当遇到水或有机溶剂时,涂有乳液的非织造布的耐溶剂性能在很大程度上取决于乳液对水和所采用的特殊溶剂的耐受性。

总之,ＥＶＣｌ聚合体对于聚酯纤维、人造丝和木浆纤维表现出非常优秀的粘着性。干燥的ＥＶＣｌ膜耐水和耐油性能也十分出色。该薄膜对于脂肪族烃类溶剂、许多醇类和醚类都具有很好的耐受性。非自交联的ＥＶＣｌ乳液通常对于酮、芳烃、酯和氯化烃类溶剂拥有优劣不同的耐受性。通过ＥＶＣｌ分散体表面交联,或者通过使用一种自行交联的ＥＶＣｌ聚合体,就可以大大改善其耐水性和耐溶剂性。

非自交联性的ＥＶＣｌ聚合体在主链结构中结合了一个官能团,这为与其他多功能反应物的缩合交联提供了空间。首选的表面交联剂是蜜胺甲醛(ＭＦ)树脂或脲醛(ＵＦ)树脂。添加1%～5%的ＭＦ树脂(相对于ＥＶＣｌ固体物质)将大大提高总体的性能,如耐水、耐油和耐溶剂性能提高,膜层强度增加,耐磨性改善和更大的抗封闭性。交联的效率随着ＥＶＣｌ固体中使用0.5%～1.0%的酸性催化剂(如氯化胺)的增加而增加。

图4示出了添加表面交联剂对改进性能的效果。Ｗｈａｔｍａｎ#4滤纸中分别浸透Ａｉｒｆｌｅｘ4530乳液和含有3%(干基)表面交联剂的Ａｉｒｆｌｅｘ4530乳液,测量对水和甲基乙基酮(ＭＥＫ)的张力。可以看出,交联显著地改善了水和ＭＥＫ的湿态张力性能。

新型自交联ＥＶＣｌ聚合物含有一个可进行自身反应的官能团,形成交联网络结构,不需要使用添加剂,但却具有与前述一样良好的抗张性能。ＡｉｒｆｌｅｘＣＥＮ203乳液是这些新型聚合物中的一例。自交联乳液不仅为非织造布提供非常好的湿抗张性能,而且耐溶剂(如异丙醇等)。图5是自交联ＶＡＥ乳液与非自交联ＥＶＣｌ的性能比较。