第六章 水刺法非织造布

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1、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

2、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

3、。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

4、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:

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、10 -4 ypq/（sb）/n式中:E水注射能量，也叫单位能量（kWh/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

13、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=4 f Er 4 （1）式中:R f 纤维抗弯刚度（cNcm 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 =4r 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= f I o 即 I=4 f r 4 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）; f 截面形状折合系数。另外，从材料力学

14、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=Ff（l）aR 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=4Ff（l）a f Er 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

15、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。由（1）式可知，纤维抗弯刚度还与纤维的抗弯模量E有关，即与纤维材料的品种有关。为了便于比较，常用相对抗弯刚度，即纤度为1tex时的抗弯刚度表示。几种常用纤维的抗弯刚度及抗弯性能如表1-6-1所示。 表1-6-1 纤维的抗弯刚度及抗弯性能 纤维种类截面形状系数f密度/gcm-3初始模量EL/cNtex-1相对抗弯刚度Rf/cNcm-2涤纶0.911.3811075.82粘胶纤维0.751.525162.03锦纶60.921.142061.32维纶0.7

16、81.285972.94桑蚕丝0.591.327422.65 2.纤维截面形状与水刺效果的关系 纤维截面形状对水刺效果的影响，主要体现在以下两方面。（1）纤维截面形状对水刺阻力的影响:毫无疑问，纤维截面形状越圆滑，迎水面积越小，表面越光滑，对水刺的阻力越小，水刺效果也越差。因此，圆截面纤维，如常规的涤纶、锦纶、丙纶的水刺效果不如棉、粘胶纤维（截面为不规则圆形、锯齿状边缘）、维纶（截面为腰圆形）。 （2）不同截面形状具有不同的断面惯性矩:由材料力学可知，纤维的截面形状不同，其断面惯性矩也不同，表1-6-2列出了常见截面图形的惯性矩。 表1-6-2 几种截面图形的惯性矩 截面形状 对y轴断面惯性矩

17、l y 相对断面惯性矩I yr I y =BH 3 12 若B 0 =2H 0 I yr =0.50I y =r 04 4 I yr =1I y =R 4 4（1- 4 ）=r R 若r=r 0 4，I yr =1.12若r=r 0 2，I yr =1.50I y =BH 3 36 设三角形为等边三角形I yr =1.56 如果将其他截面形状的惯性矩除以同面积圆形截面的惯性矩，便可比较不同截面形状的惯性矩，我们将其称为相对断面惯性矩，用I yr 表示（见表1-6-2）。几种常见图形的相对断面惯性矩依次为:扁平形圆形空心圆形三角形。实践中所得的结论也是如此。对于某种具体的纤维需结合以上两点全面分

18、析。例如三角形截面的纤维，先从三角形对射流的阻力来看，由于多数纤维是“以棱迎水”，即棱边朝上，很少“以面迎水”如图1-6-7（a）所示，这是一种不稳定平衡。因棱边具有分水作用，所以三角形截面对水的阻力较小;从三角形的惯性矩来看，其惯性矩为同面积圆形纤维的1.5倍。结合以上两点，可以认为三角形的水刺效果不会太好。棉纤维的情况有所不同如图1-6-7（b）所示，尽管其截面形状是中空的，相对惯性矩应较大，但因其中空的折合直径很小，而且是压扁的，所以其实际的相对惯性矩并不大。从截面形状对射流的阻力来看，多数棉纤维处于“平卧”状态，因为这样才是稳定性平衡，这就加大了纤维对水射流的阻力。因此有理由认为，棉纤

19、维的水刺效果较好。 图1-6-7 纤维接受水刺的状态 3.吸湿性与水刺效果的关系 纤维的吸湿性对水刺效果既有有利的方面，也有不利的影响。有利的方面是:（1）纤维因吸湿膨胀增加了迎水面积，也提高了水针带动纤维的效率。如果纤维的截面积膨胀A%，则迎水面积增加（1+A%-1）倍。（2）纤维吸湿后，其抗弯模量和弹性恢复率下降，伸长率上升，这些变化对水刺都是有帮助的。不利的方面是:纤维因吸湿膨胀而导致断面惯性矩增加。如果截面积增长A%，则断面惯性矩将是原来的（1+A%） 2 倍（对圆截面纤维而言）。目前常见纤维的吸湿性对水刺是有帮助的。 第三节 水刺设备与生产线 一、水刺工艺过程 水刺的加工流程为:纤网

20、成网预湿正反面多道水刺加固花纹水刺脱水（预烘干）后整理（印花、浸胶、上色、上浆等）干燥定型分切卷绕包装。纤网成网可通过多种途径获得，如梳理成网、气流成网、湿法成网、纺丝成网、熔喷法成网等，其中以干法梳理成网应用最多、最普遍，其次为气流成网和湿法成网，纺丝成网和熔喷法成网应用最少。纤维网在进行水刺处理之前，有预湿处理过程，即让纤维预先吸收部分水分，然后再接受水刺处理，这样能更好地发挥水刺功能。也就是说，经预湿的纤维网能更多地吸收水刺能量，使水刺效果更好。在水刺处理之后还需一套效率较高的吸水系统，以及时地把纤维网内积存的大量水分尽快抽走，从而提高产品的生产效率。水刺产品根据需要常常要经过一定的后整

21、理加工，有些加工在预烘干后即可进行，如印花、浸胶、上色等，有些产品则需在干燥定型后进行加工。 二、水刺生产线的配置 几种有代表性的水刺生产线配置如图1-6-8所示。图1-6-8中（a）为Perfojet公司的水刺法工艺流程;（b）为Honeycomb公司水刺法工艺流程;（c）是在经过水刺的纤网上施加木浆，再经过水刺复合的产品生产线;（d）是在一层纤网上铺置木浆网，再覆盖一层纤维网，经过水刺复合形成两层纤网夹木浆的复合产品生产线。 三、水刺加固设备 水刺加固设备主要由水力喷射器、托网帘、水处理及水循环系统组成。 （一）水力喷射器 水力喷射器又称水刺头，由内部带有通水孔道的集流腔体与喷水板构成，是

22、产生高压高速 图1-6-8 水刺生产线配置方法 柱状喷刺水针的关键部件。Perfojet公司的一种水刺头结构如图1-6-9所示，高压水通过喷头腔体的孔道被输送到水针板（也叫喷水板）上，并通过水针板上的孔喷出。水针板由不锈钢片制成，其上针孔的排列通常可分为单排式和双排式，见图1-6-10。水刺生产中“水针”的直径和排列密度由水针板上针孔的孔径及排列密度决定。目前现行的生产线中常用的针孔孔径为0.080.18mm，孔密度为1624孔/cm，安装不同规格的水针板，就可以调节水刺工艺中的“水针”直径及“水针”密度。水针头的排列方式分为平板式和转鼓式两种。平板式排列中水针头在一个平面，下面的托持网帘也是

23、平面运动，如图1-6-8（a）中的水 图1-6-9 Perfojet公司的一种水刺头结构 1活塞 2支架座 3紧固杆 4上水腔 5水针板 6下水腔 图1-6-10 水针板针孔排列形式 刺、水刺。一环状金属丝编织网即托持网帘，被支撑在带脱水孔的平板上，以此输送纤维网。工作时，该平板是固定不动的，被加工纤维网由金属输送网托带着向前运动并接受水刺处理，见图1-6-11。当一面水刺处理完毕后，由专用于翻转的输送带使其另一面朝上接受下一次水刺处理。这种设计的特点是结构简单，便于维修，制造成本低。其不足之处是容易造成纤维的损伤，影响产品的强力、均匀性及表面质量。转鼓式水刺装置的工作原理与平板式相似，区别在

24、于其支撑金属输送网的“平板”换成了“转鼓”。水针头按圆周排列，见图1-6-8（b）中的水刺、水刺。由美国Honeycomb公司发明的一种转鼓式水刺技术专利见图1-6-12所示。这种转鼓的表面是由薄钢板制成的蜂窝状结构组成，金属输送网包覆在外面。在工作时，被加工的纤维网、金属输送网及转鼓三者之间以同一角速度同步旋转，在整个水刺过程中没有相对位移，消除了平板式水刺装置中纤维被“剪切”的现象。由于专利设计的蜂窝式结构使其与金属输送网相接触的外表面的面积大大减少，从而削弱了由底面向金属输送网的反射强度，也就是说在很大程度上减少了被刺纤维向金属输送网上缠绕的可能性。这样就使得水刺产品的质量明显提高，扩大

25、了产品的应用范围。同时，由于表面积的减少，水刺废水的抽吸效果更好，而且因被“剪”、“扯”断的纤维也比较少，从而既节省了原材料，减轻了对循环水的污染，又减少了设备的维修量，增加了设备的使用周期，达到了降低成本、节省能源的目的。 图1-6-11 平板式水针头排列 图1-6-12 转鼓式水针头排列 法国Perfojet公司设计了一种立式结构的转鼓式水刺设备（见图1-6-13），该设备的特点是结构简单，操作方便，占地面积小。但由于结构紧凑，限制了水刺头的数量，而且也给维修带来了一定的困难。 图1-6-13 立式转鼓式水刺设备结构 图1-6-14 平板与转鼓相结合的水刺设备结构 由于平板式和转鼓式两种排

26、列方式各具特点，现在这两种水针头排列方式都在采用，图1-6-14所示为平板式和转鼓式相结合的水刺设备结构。 （二）托网帘 托网帘多由不锈钢丝编织而成，故称金属网帘，也可用聚酰胺、聚酯单丝制成。托网帘除了前面介绍的能输送纤网以外，还有一个重要的功能，即通过该网的结构、目数形成水刺产品不同的花纹结构。例如，采用的网是比较疏松的平纹结构，且网线较粗，则生产出的产品就稀疏类似于纱布，纱布网眼的大小完全取决于金属输送网的目数。应该注意的是当目数下降，即网眼增大时，会大大降低产品的强力，而且易造成短纤维的损失;如果输送网结构非常紧密，则产品表面相对比较光整。这时，若网的线径较细，产品的纹路也就较细;如网的

27、线径较粗，则产品纹路也较粗。因此，为了加工有花纹外观结构的产品，一定要注意选用纹路特征与产品外观要求相一致的输送网帘。图1-6-15是托网结构与产品外观结构的对照关系。从图中可以看出，托网帘凸起的地方，即经纬丝相交的交织点，正好对应着水刺产品布面无纤维的地方。这是因为:高压水流穿过纤网，射到托网帘的凸起处时，水针受到阻碍，水流向上和四周分溅，水流的偏移将纤维推向托网帘的空隙处（即凹处），迫使交织点上纤维向四周运动并相互集结缠绕，造成托网帘交织点的突出部无纤维分布，而在纤网中形成网孔，孔的边界清晰度则由网帘凸起的程度与形状、纤维的性能、水刺压力等参数决定。相反在托网帘的有孔部位，由于水针直接穿透

28、，纤网纤维主要是向下运动，同时接受交织点处纤维挤压而形成纤维的集合区域，即纤网的无孔区域。 图1-6-15 托网帘结构与产品外观结构的对照关系 花刺产品常常是在经过几道平刺的产品上，再由凹凸结构明显的、目数较少的网帘托持再行花刺而得到的。图1-6-16所示是法国Perfojet公司研制出的一种能产生花纹图案的水刺设备组件。该设备应用圆网印花原理，在其镍质圆网上加工出所要求的图案。其水刺头安装在圆网内部，高压水刺通过圆网上组成特定图案的小孔刺在产品上，使其产生与圆网图案一致的花纹结构。 图1-6-16 花纹水刺设备组件 1预刺纤网 2水力喷射器 3镍质圆网 4花刺产品 （三）水处理及水循环系统

29、水刺生产工艺所需的用水量很大，一般为100200m 3 /h，为节约水资源，必须实现水的循环使用（补充水量仅为5%15%）。另外水源中会含有一定杂质，生产过程中水质还会受到各种因素的污染，如纤维屑、纤维素胶状体、微生物、纤维整理油剂、水垢、腐蚀产物和沙土、尘埃等，因为高压极细的水针在高压泵的作用下通过孔径为0.080.18mm的水针片产生的。而上述杂质很容易将水针片微小的针孔堵塞，造成堵针现象，影响产品的质量和生产效率。因此，必须对水进行过滤处理，故而水处理及水循环系统就成为水刺设备的一个重要组成部分。它不仅能实现水的循环使用，节约用水量，而且能对循环水进行相应处理，以满足水刺工艺对水质的要求

30、。不同的水刺生产线或加工不同纤维时往往采用不同的过滤处理方式，图1-6-17是ICBT公司采用平网平网式水针缠结的水循环过滤系统示意图。该系统共有8个水刺头，见图1-6-18。循环水经过带式袋式芯式安全过滤网4级过滤，配以软化水处理和杀菌处理。ICBT公司的另一条生产线用以加工特殊的水刺非织造布木浆复合水刺布，也可以不 图1-6-17 ICBT生产线水循环过滤系统示意图 图1-6-18 ICBT生产线水针缠结示意图 经过木浆复合，生产常规产品，采用圆网平网式水针缠结，如图1-6-19，共有7个高压水刺头。木浆复合水刺布在防止细菌穿透、减少尘屑和脱绒、穿着舒适性等方面有显著的优越性。但由于木浆纤

31、维很短（14mm），在水刺过程中流失严重，而且木浆纤维的吸湿性极好，所以会对水系统造成很大负担，需要专门设计水系统。循环水的处理有两部分，见图1-6-20，由3个抽吸泵控制回水流向，一部分经过带式过滤自清洗二级过滤，配有软化水处理、杀菌处理和絮凝处理;另一部分经过动态过滤砂式过滤带式过滤自清洗四级过滤，配有软化水处理、杀菌处理和絮凝处理。在加工常规产品时，用二级过滤模式就可以满足水质要求;加工木浆复 图1-6-19 ICBT公司木浆复合水针缠结示意图 合水刺产品时，未复合木浆纸的回收水可以只经二级过滤，复合后的回收水必须经过四级过滤。在水质较差时，回收水要全部经过四级过滤。 图1-6-20 I

32、CBT公司木浆复合生产线水循环过滤系统示意图 加工真丝纤维时，因真丝中含有大量蛋白质成为水刺循环中细菌滋生的营养源，促使细菌呈几何级数上升，对水刺系统和产品品质造成影响。要采用多种灭菌药物，有效地控制细菌总数在规定值以下，同时要增加新鲜水补充量，这更有助于产品品质的提高。值得一提的是，尽管水刺后的回收水及补充的新鲜水经过多级过滤，但由于加工纤维所带油剂的不同及水循环过滤系统的不同，仍有以胶体为主的杂质进入水针板的针孔或有油剂等液体附着在水针片表面，造成水针片针孔的局部堵塞，因此生产中要不断清洗水针片。有研究表明，在现有水循环过滤系统的基础上，再配以其他手段，如采用静电水处理器、安全过滤网、化学

33、杀菌、絮凝处理等，或将末道水刺头完全采用新鲜水均可有效地改善水质，防止针孔堵塞。 四、烘燥 经过正反两面水刺加固后的纤维网，虽然经过真空吸水，但仍含有大量水分，因此烘燥工序是水刺生产中必不可少的步骤。烘燥不仅可除去纤网中的水分，还可使产品尺寸稳定。从原理上讲，水刺纤网可采用多种烘燥方式，但应用较为普遍的是热风穿透式，它采用空气对流原理，让热空气经风机的抽吸作用把热量传递给水刺纤维网，以蒸发水分，保证了高效的热质交换。这种烘燥过程比较缓和，烘燥后的产品手感柔软，表面无极光。美国Honeycomb公司开发的一套热效率较高的烘干设备就是采用上述原理。该设备的主 图1-6-21 热风穿透式烘燥机 要部

34、件烘燥滚筒的表面采用了该公司专利设计的蜂窝式结构，滚筒的最大直径可达3m。鼓内装有真空抽吸系统，鼓外包覆一定容积的空间（见图1-6-21）。工作时欲烘干的纤维网覆在滚筒的表面上。当经过热交换装置的空气上升到一定的温度后被注入到鼓外的空间热风室，鼓内的真空抽吸系统使其热空气穿过纤维网进入鼓内并被抽走，而纤维网上的水分受热蒸发并随抽入到鼓内的热空气（热风）一同被带走，抽出的空气经去湿后重新送回热交换系统。特殊的蜂窝结构使得空气流动状态均匀、稳定、顺畅，既能使滚筒表面的温度均匀一致（气温差可控制在1之内），又能使纤维网尽快烘干，从而大大提高了产品的质量。 五、水刺新技术 目前世界上有许多公司生产水刺

35、设备，其性能各异。表1-6-3是各主要公司水刺设备的主要技术参数。 表1-6-3 世界各主要公司水刺设备的主要技术参数 项目厂商DuPont（美国）Chicopee（美国）Unicharm（日本）Honeycomb（美国）Perfojet（法国）Courtaulds（英国）Fleissner（德国）育豪（中国台湾）水压力系统高水压高水压中低水压低水压高水压高水压高水压高水压高水压机器速度/mmin-110010070455010030100100最大25030100产品最大门幅/mm3700300021002500300030003200350042002500水针板孔径/mm0.1270.1

36、270.1270.10.130.10.80.10.180.10.150.10.12水针排列密度/个cm-124202010161616循环水量/m3h-110020010020010020050150100200100200100200100120工作压力/Pa10010510010530105（3040）105（100150）105（100140）105200105180105或（250300）105（100140）105纤网支持体滚筒式、水平式水平式水平式实壁滚筒滚筒式水平式滚筒式滚筒式 水刺设备自问世以来，经过多年来的不断改进，在各方面均有较大突破。最近Perfojet公司与Honeyc

37、omb公司合作研制出最新型的Jetlace2000节能型水刺生产系统（如图1-6-22所示）。该生产线采用了滚筒式与平网式结合的方式，烘燥系统采用Honeycomb公司的滚筒式热风穿透烘箱和内部调控系统。系统中有3个接受射流的滚筒，分别对纤网的2面进行水刺，其后紧接一平网式水刺区。在全过程中，纤网的2面分别经受了2次水刺处理，因此对纤网有充分的缠结作用。这种新型生产系统不仅生产效率和产品质量有了很大提高，而且比原来的设备节省了70%的能源。 图1-6-22 Jetlace2000节能型水刺生产系统 1第I水刺滚筒 2第水刺滚筒 3第水刺滚筒4平网式水刺区 5吸液装置 6滚筒式烘箱 水刺技术还被

38、广泛用于其他生产方法和复合加工中。 （一）在湿法成网和纺丝成网方面的应用 水刺法除用于加固干法成网的纤网外，现在还可用于对湿法纤网和纺粘纤网的固结。例如意大利NWT公司近期已将水刺技术引入到纺粘法生产线上，利用水刺作用来固结长丝纤网，改善了纺粘法非织造布的外观质量和手感;美国DuPont公司将水刺技术用于湿法成网过程中，用以生产芳香族聚酰胺耐高温滤料，也取得了良好的效果。 （二）在非织造布组合工艺方面的应用 利用高压水流的喷射作用可以使不同原料纤网中的纤维相互缠结，形成多组分的复合材料。例如，在梳理或气流成网/纺丝成网组合工艺中，把短纤维或木浆纤维引入纺粘纤网中，采用水刺法固结纤网，使短纤维在

39、高压水流的冲击下嵌入长丝纤网的空隙中，实现长短纤维的均匀混合。这样的非织造布兼具纺粘布强度高的特点和短纤维良好的吸收性能。也可以把熔喷纤网与纺粘纤网通过水刺复合在一起，其原理与复合短纤维基本相同。 （三）在复合工艺方面的应用 利用水刺工艺，还可以把非织造布纤网与其他材料复合起来，形成高性能的复合材料。例如，把稀疏机织网布铺于两层纤网之间，经高压水流穿刺纤网，使上面一层纤网的纤维穿过机织网布的网孔与下层纤网的纤维缠结在一起，形成“三明治”式的三层复合结构。这种复合型非织造布的强度得到很大增强，从而扩大了产品的应用领域。 （四）在超细纤维产品方面的应用 对于纤度小于0.011tex（0.1旦）的超

40、细纤维，利用非织造布的成网方法难以形成纤网。将橘瓣形复合纤维通过梳理机和铺网机形成纤网，经过水刺加固，利用高压水流的作用使复合纤维分裂开，形成无数超细纤维，并使之缠结，从而形成超细纤维结构的非织造布。 第四节 水刺工艺 水刺非织造布的质量和性能，与加工过程中水针压力、水针直径、水针排列密度、输网速度、水刺区数量、托网帘结构等有直接的关系。因此，上述参数构成了水刺加工中的重要工艺参数。 一、水针压力 水针压力分为低压、中压和高压，低压一般小于7010 5 Pa，中压为（70150）10 5 Pa，高压大于15010 5 Pa。当前，采用高压水刺工艺的公司愈来愈多，而且各公司都在不断地努力提高水压

41、。目前开发的新型水刺设备的水针压力最大可达25010 5 Pa，有的甚至达到30010 5 Pa。我们知道，非织造布的纤维交缠效果与非织造布的稳定性、强力、表面质量等物理指标有着密切的关系。交缠效果越好，其产品的强力和稳定性愈高。而交缠效果的好坏与单位纤维网吸收的能量有关。单位纤维网吸收能量的多少，除受生产速度、水的流量等因素影响外，最主要的因素是水的压力，水的压力愈高，产生的水刺能量也就愈高。所以，采用高压力的水刺工艺是当今发展的主要趋势。但随着水压的提高，生产成本亦会随之增加，因此在实际生产工艺中，要按水刺头在生产线方向排列顺序的不同而采用不同的压力。第一个水刺头采用较低的压力（如3010

42、 5 Pa），以后压力逐级增加（如5010 5 Pa、7010 5 Pa、9010 5 Pa等）。因为初始状态下的纤维网比较疏松且无强力，过高的能量并不能被完全吸收，故采用较低的压力（能量）;随着纤维不断的交缠，纤维结构愈来愈紧密，强力不断增加，再逐渐提高水压。水的压力也依据产品克重的不同而有相应的变化。每平方米的克重数越大，压力就越高，反之则相应降低。当每平方米克重数较低时（如低于30g/m 2 ），则选用较多的水刺头来降低水的压力，以保证所吸收的总能量不变。这样可以做到在保证产品质量的前提下，充分、合理地利用能源，降低生产成本。据报导，水刺设备的能耗已从过去的1.25kWh/kg降至0.3

43、kWh/kg。水刺压力的具体应用见表1-6-4和表1-6-5。 表1-6-4 水刺压力的应用 定量水针压力/kPa水针头序号第一道第二道第三道123 45678945g/m210001500150050005000450050005000450060g/m2150025002500600060005500650065006000 注 1、2、3为一组，对正面刺;4、5、6为一组，对反面刺;7、8、9为一组，对正面刺。60g/m 2 产品用100m的水针板。 表1-6-5 水刺压力的应用 定量水针压力/kPa水针头序号123456740g/m215003500500035004000750055

44、g/m22500400065003500550070008000 注 1、2、3为一组，对正面水刺;4、5、6为一组，对反面水刺。使用120m的水针板。 二、水针直径 水针的直径范围为80180m，生产中选用多大数值，要根据所用纤维性能、纤网的克重以及产品性能来决定。克重较轻时，直径要小;克重较大时，直径要大。加工粘胶纤维和棉纤维时，水针直径要小些;加工涤纶、锦纶纤维时水针直径要大些，前道水刺直径要大些，后道水刺直径要小些，生产中常用的是100m、120m。 三、水针排列密度 水针排列密度即水针板上的打孔密度，各公司生产的有所不同，分为1024个/cm，其中16个/cm为最常见。 四、输网速度

45、 输网速度接近生产线速度，一般来讲，在其他工艺参数不变的情况下，生产速度越高，纤维所获得的水刺能量越小，纤维缠结效果越差，反之亦然。生产线速还要依据纤维定量来确定。上述工艺中，综合表现出来的是单位能量这一参数，它直接影响产品的各项指标，它与水刺喷头数量及水压大小直接相关，也与纤维单位面积重量和生产速度有关。要在高压下获得较低单位能量的生产，必须通过高速来实现。产品的各项强度及伸长等性能都与单位能量有关，当然也受到产品克重、成网方式等条件的影响。同时，由于在纤网受刺的能量比值（能量比值指第一面纤网所受到的单位能量占总单位能量的比值）相近的时候其产品抗拉强度较低，因而在第一面水刺时往往采取较小的水

46、刺压力，而后道进行反面水刺时水压逐步增大，这不仅有利于强度的提高，也有利于纤维和能量消耗的降低。产品的伸长性能与成网方式、纤网克重和单位能量有关。试验表明，当压力提高、克重增加、单位能量较大时，产品的抗拉强度随之增加，而产品的伸长率则随之降低，如图1-6-23和图1-6-24所示。横向也有相似的影响，但影响较小。从图1-6-23可看出，当单位能量超过一定值时，单位能量增加，产品强度增加的效果大为减弱。通过进一步的实验得知，当水刺压力与生产速度和产品强度较为匹配时，再提高水刺压力，则产品强力的提高较为困难，而且还会造成产品不匀率的增加;同时提高水刺压力及生产速度，对产品强力仍无明显影响，这说明小

47、范围内提高生产速度，不需要调整水刺压力;提高生产速度，产品强力无明显变化，说明在一定范围内产品强力不因生产速度的改变而改变。 图1-6-23 单位能量与纵向抗拉强度的关系 纵向抗拉强度指水刺纤网单位定量的克力 图1-6-24 单位能量与纵向伸长率的关系 纵向伸长率指水刺纤网单位定量的伸长率 第五节 水刺产品 水刺法工艺的特点决定了其所加工的产品具有其他种类的非织造布所不具有的优越性。例如热粘合工艺必须采用热塑性低熔点纤维来生产，而水刺工艺不仅可以加工各种合成纤维，还可以加工非热塑性的纤维素纤维及其混合纤维，化学粘合法必须使用粘合剂来粘结纤维，而水刺法仅用很少量的粘合剂或根本不用粘合剂就可以固结

48、出手感柔软、强度很高的产品，而且排除了环保问题;针刺法与水刺法同属机械固结的方式，但针刺法只适合加工80g/m 2 以上较厚型的产品，加工较薄型的产品时其强度难以保证，而且加工期间产品本身的拉伸和伸长较大，布面会留有针孔和针痕，而水刺法可以加工2040g/m 2 的产品，尤其较薄型的产品强度比同等规格的针刺产品高出数倍，拉伸和伸长较小，不掉毛，布面外观效果优于任何一种非织造布，而且具有优良的柔软性和悬垂性。此外，水刺法工艺除用于自身的非织造布生产外，还可作为一种手段来完成两种以上材料的复合加工，例如对木浆/短纤网或长丝网、熔喷纤网/梳理纤网的复合加工等。基于这些特点，水刺法工艺可以加工出很多性

49、能优越、应用广泛的产品来。 一、医疗用品 医疗卫生用品是水刺法非织造布产品最主要的应用领域，其中最常规的产品有手术衣、手术罩、绷带及医疗敷料等。手术衣的基本要求是防菌性、安全性和舒适性。在发达国家较多采用了具有拒水性的木浆/聚酯纤维水刺布，但由于其价格相对较高，因此仍有一定的市场由价格相对较低的SMS以及由纺粘法、湿法成网等非织造布拼接和复合的材料所占据。手术罩布的基本要求是要有较好的柔软性、悬垂性、吸水性/防水性和拒水性。目前国外多采用以木浆纤维与聚酯纤维经水刺复合的产品或在开口周边附加高吸水材料。我国近年来对该类产品也有应用，但鉴于价格因素，多以经拒水处理的粘胶/聚酯水刺布来取代。伤口敷料

50、在传统上是采用机织的脱水纱布，原料以纤维素纤维为主，柔软而不存在化学污染，而普通非织造布产品无法做到这一点，因此难以满足对伤口的防护要求。水刺法非织造布产品因其所具有的独特优点，不仅能满足对伤口防护的要求，而且在某些技术指标上优于脱脂纱布，因此目前国外的医疗卫生行业已广泛代替了脱脂纱布。纱布、绷带和医用敷料一般是3060g/m 2 ，以70/30的粘胶纤维和聚酯混纤经水刺加固制成，这种配比的材料被认为是最接近棉质纱布的特性。目前，医疗用品在国际上取得很多新发展，例如采用抗菌性甲壳质纤维制成的水刺布，不仅具有杀菌能力，而且能够促进伤口的愈合;用水溶性纤维经水刺处理加工而成的水刺布，用来制成手术医

51、帽、口罩等，用后可在热水中处理掉，迎合了环保的要求。此外，医用床单、口罩、过滤及开口内裤（用于需插排液管的患者）等护理用品也都开始普及使用了水刺布。 二、揩拭卫生材料 揩布的用量很大，主要应用在三个领域:个人护理揩布、工业用揩布和家庭用揩布，而在揩布市场上销售潜力最大的是非织造布，目前已占整个市场的45%。在非织造布揩布市场中水刺揩布以最快的速度得以增长，其原因也是因为这种工艺原料的可选择性和工艺技术的可扩展性较大，可以满足各种揩布的特殊要求。卫生领域对水刺布的应用也在不断扩大，国际上婴儿揩布、湿面巾、家用清洁用品等已大量采用了水刺产品;尿布和妇女卫生巾在过去几乎均采用热粘合和纺粘法非织造布，

52、而今水刺布也已得到一定开发。除采用尼龙纺粘纤网或短纤网经水刺处理生产用于尿布、卫生巾的覆面材料;用聚丙烯纺粘布、氨纶弹力线和木浆/短纤水刺布制成的妇女卫生短裤外，还有下列应用: 1.选用100%的涤纶短纤或以涤纶短纤为主，混配少量粘胶短纤维，经严格控制成网均匀度和水刺压力制成3580g/m 2 的底布均匀、强力适当的水刺布，再经丙烯酸酯压敏胶涂层，可用于自粘敷料、创可贴、药物硬膏等膏贴材料，这种材料充分利用了水刺布柔软透气、不掉毛、有较好抗拉强度等特性，又结合了丙烯酸酯压敏胶含固量高，流平性好，干燥迅速，适合高速涂布，成膜后透明度高，转移性能好等特点，形成了对人体无过敏和刺激反应，无毒，无环境

53、污染，成本低的新一代膏贴材料，是传统压敏胶材料理想的升级换代产品。2.真丝是天然蛋白质纤维，是高级的纺织材料，有较好的强伸度，纤维细而柔软、平滑，富有弹性，光泽好，吸湿性好。经现代科学研究检测，组成真丝的重要成分为丝多缩氨酸（Silk Polypeptide），又名丝肽，其分子量高，为水溶性物质，丝肽的组成中含有18种对人体有益的氨基酸。长期以来真丝主要用于制作服装面料，20世纪70年代后期才开始对蚕丝在食品、化妆品、医药及生物传感器等领域的用途进行研究开发。近几年日本开始采用水刺技术生产真丝医卫材料，用于纱布、创可贴、妇女卫生巾、护垫、美容护肤品等方面。由于真丝含有18种氨基酸，人体所需的氨

54、基酸几乎都具备，配之以水刺非织造布柔软、轻薄的风格，因此真丝水刺非织造布堪称人的第二皮肤。我国已成功地研制开发出真丝非织造布，定量为2060g/m 2 。用于水刺工艺的真丝是绢纺原料的副产品，经进一步脱胶、梳理、牵伸而形成细度为1.672.77dtex、长度3050mm的纤维再在水刺生产线上加工。水刺真丝非织造布在功能性医卫材料方面的应用有:（1）纱布、敷料、创可贴:用于皮肤伤口的纱布、敷料、创可贴等的水刺真丝非织造布的定量一般为2535g/m 2 ，为网孔型。真丝中所含的丝多缩氨酸组分中的亮氨酸与组氨酸是皮肤伤口愈合所必须的氨基酸，系水溶性物质，真丝纱布敷于伤口上直接为皮肤吸收，既促进了皮肤

55、伤口的愈合，又可抑制细菌感染。特别对烧、烫伤等皮肤表皮组织的再生有令人满意的促进作用。（2）妇女卫生巾、护垫:用于妇女卫生巾和护垫的真丝水刺非织造布的定量为3040g/m 2 ，一般为网孔型。由于真丝中水溶性的丝多缩氨酸直接与皮肤接触，极易被吸收而作用于人体，因此真丝水刺布作为卫生巾的覆面层同护垫一样，有很强的保健、抗菌作用。（3）美容面膜:美容面膜用的真丝水刺非织造布的定量一般为5060g/m 2 ，以平布型居多。经有关专家测定，皮肤角质层中的天然调湿因素由氨基酸类、吡咯烷酮羧酸、乳酸盐等物质组成。而真丝中的丝多缩氨酸含有可溶性蛋白，其分子构象为无规卷曲，多肽链上的许多极性亲水集团使皮肤中的

56、水分含量适中，使皮肤有弹性、光滑而柔软。丝多缩氨酸还可以抑止酪氨酸的活性而有效抑制皮肤黑色素的生成。3.一种新型的环保纤维素纤维Lyocell纤维也被广泛用于水刺布生产中。Lyocell纤维是用木浆粕通过新的溶剂纺丝工艺制成的，使用的溶剂NMMO（N-甲基吗啉氧化物）无毒，并可回收再利用，纤维本身可被自然界完全分解，是一种有利于生态环境的新纤维，被称为21世纪的绿色纤维。由于Lyocell纤维具有高强度、高吸水性，加工中可原纤化，因此用于非织造布具有优异的特性。该纤维比其他人造纤维素纤维强度高，湿态强度能保持干强的85%，纤维伸长较小，具有较高的初始湿模量。水刺过程中、水刺后及后整理中产品的变

57、形较小，使布具有良好的尺寸稳定性。原纤化成微纤维是Lyocell纤维的重要特性。尤其是纤维在湿膨胀受到机械作用（水刺）时更易发生，并随机械作用或水刺压力的加强，原纤化速度提高。原纤化可极大地提高非织造布的布面丰满度、吸水性和外观质量。Lyocell水刺布被用于用即弃的揩拭物品、医用纱布及药签、妇女卫生巾、防护服、过滤材料及涂层基布、电池隔板、生态复合材料。 三、粘合衬基布 由于水刺布手感柔软，外观及性能更接近机织物，又由于在水刺加固过程中，纤维中的纤屑（绒毛）被冲走，相同、定量的产品显得蓬松厚实，增加了透气性和弹性。还由于它不含化学物质，产品稳定性高，无脱层现象，是高档服装理想的粘合衬基布。水

58、刺粘合衬基布多以粘胶纤维/涤纶或纯涤纶纤维制成，厚度为中厚型，产品定量为3050g/m 2 。涂层工艺以浆点涂层为主，其特点有:浆点涂层在常温下进行，不像雕刻辊粉点法涂层基布必须加热，由于纤维没受到温度影响，涂层后的产品仍能保持原手感;由于水刺时纤屑被冲走，纤网得以净化，防止了在浆点涂层过程中因为纤屑的存在而粘在涂层用圆网上，造成堵塞网孔，影响涂层质量和生产正常进行。最近有报道说，采用水刺固结方法将熔喷纤网与短纤网复合在一起制成服装衬布。 四、合成革基布 合成革用的非织造布必须具有致密的三维结构，且密度均匀一致，无过密、过松现象;表面平滑，无刺痕和明显孔痕存在。合成革基布可通过针刺、水刺两种方

59、法生产。对针刺非织造布的要求相当严格，除要求通过针刺达到一定密度外，还要求针刺后不得有纵向或斜向的针迹和针孔现象存在，纵向断面处于立向的纤维密度也应均匀一致，因此要求配备高性能的针刺机。水刺布则较容易满足上述要求，水刺条纹一般较浅，水刺布表面均匀度较好，所以较适于用作合成革基布。同时，一些水刺布生产厂家采用两道铺网设备进行交叉铺网，可以降低水刺布的纵横强力比，满足合成革基布的要求。水刺合成革基布选用聚酯、聚酰胺等纤维生产，定量范围很大，一般为40150g/m 2 。为了满足合成革基布对强力、弹性、抗皱性、抗收缩性的要求，水刺布还要经过涂层整理。表1-6-6所示是水刺法合成革基布机械性能指标。

60、五、其他方面 水刺非织造布还被用作一次性服装，如内衣、内裤、套袖、围裙、鞋套等;土木工程和屋顶防水材料;蓄电池隔板;屋内装饰材料，屋顶吸音材料;用粗旦纤维与超细纤维通过水刺复合而成高效空气滤材;与熔喷法配合生产新型絮填材料。 表1-6-6 水刺法合成革基布（PVC、PU干法）机械性能指标 产品成分厚度/mm定量/gm-2断裂强度/N撕裂强度/N伸长率/%顶破强度/MPa MD CDMD CDMD CDPET0.304598.154.020.118.130600.64PA0.304598.154.019.617.730600.640.3550107.958.918.614.740800.67Rayon0.3555147.178.534.324.5301100.670.4065147.183.434.324.530650.690.5080137.3142.244.131.445600.980.55100147.1157.054.042.245651.080.70150235.4294.358.944.148501.47PA、PET双组分超细纤维0.4580147.1137.334.325.535500.930.60100166.8147.139.234.337370.980.70150245.2176.654.047.136361.37注 允许按表中的参考指标有5%的浮动。 21