熔噴非織造技術的研究進展

熔噴非織造技術的研究進展

20世紀50年代初，這種法出現(xiàn)在聚合物直接成網(wǎng)制備非織布的加工方法中。其原理是利用高速高溫氣流噴吹聚合物熔體使其得到迅速拉伸并逐漸凝固成絲條,從而得到超細纖維,然后將超細纖維收集到集網(wǎng)簾上形成非織造布。比起其他單一非織造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品,由超細纖維所組成的熔噴非織造布在應用特性方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。因此,熔噴非織造技術近幾十年來發(fā)展得非常迅速。近年來,熔噴非織造技術在原料開發(fā)和產(chǎn)品應用方面越來越關注生態(tài)環(huán)保,而在技術方面則更加注重如何進一步減小纖維直徑以及各種工藝技術之間的復合。1可再生聚合物材料常規(guī)熔噴非織造布生產(chǎn)主要采用聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)等原料。近年來,越來越多的新型原料不斷地被開發(fā)出來。隨著人們環(huán)保意識的不斷提高,熔噴工藝越來越多地采用可生物降解聚合物原料,比如聚乳酸(PLA)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚碳酸亞丙酯(PPC)等。這些材料都具有良好的生物降解性、生物可容性以及原料易獲取等特點。孫暉等將PLA與PCL混合,并添加檸檬酸三丁酯(TBC)來增加兩者的可混合性,然后采用配有雙螺桿擠出機的熔噴設備制得復合熔噴非織造布,并探討了這種可降解非織造布的微結構、熱力學性能和流變行為特點。國外學者將可再生的纖維素纖維用作熔噴非織造布生產(chǎn)原料,制備出了纖維素熔噴非織造布。最近幾年,國內(nèi)研究者們也越來越關注這一方向,逐漸填補了國內(nèi)這一研究領域的空白。李順希等對Lyocell熔噴非織造布進行了一系列研究。由于纖維素/N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液(NMMO·H宋軍等將1-烯丙基-3甲基咪唑氯鹽([AMIM]Cl)與纖維素溶液共混,制得纖維素熔噴非織造布,并探討了纖維素濃度、模頭溫度、熱氣流壓力等因素對最終成形纖網(wǎng)的影響。結果顯示,在一定范圍內(nèi),隨著模頭溫度的升高和氣流壓力的增大,纖維變得越來越細,纖網(wǎng)質(zhì)量也越來越好,而增加纖維素濃度時,纖維直徑會變大。李春花等將纖維素漿粕溶解于NMMO中,采用熔噴法制備了纖維素熔噴非織造布。2提高非紡織技術2.1輔助噴嘴結構參數(shù)對纖維直徑的影響熔噴非織造布的纖維越細,產(chǎn)品的各種性能也會越好。因此,熔噴工藝中纖維細化的問題一直是國內(nèi)外研究者們研究的重點。Shambaugh等研究了熔噴工藝過程中空氣射流速度的“平臺現(xiàn)象”,并發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象有利于纖維的細化。陳廷等在雙槽形噴嘴下方加裝了一個先縮后擴的輔助噴嘴,如圖1所示,發(fā)現(xiàn)加裝輔助噴嘴能有效減小纖維直徑。這是因為輔助噴嘴能夠有效減緩氣流速度的逸散,使聚合物熔體得到更加充分的拉伸,從而減小纖維直徑。成園玲對輔助噴嘴的形狀、結構參數(shù)進行了初步設計,并建立了主、輔噴嘴組合流場的數(shù)學模型,進行了數(shù)值模擬和實驗驗證,為深入研究加裝輔助噴嘴后對最終成網(wǎng)纖維直徑的影響奠定了基礎。此后,承婷婷又對輔助噴嘴進行了優(yōu)化設計,得到了主拉伸區(qū)平均速度與喉部寬度、縮擴比、入口寬度、出口寬度等因素之間的關系,為探索輔助噴嘴結構參數(shù)對纖維直徑的影響提供了依據(jù)。辛三法等嘗試增加雙槽形熔噴工藝中的外沿長度,并用數(shù)值計算方法研究了這種改變對氣體流場特征的影響,為探索外沿長度對最終纖維直徑的影響提供了依據(jù)。此后,王玉棟等嘗試在雙槽形熔噴模頭空氣射流槽下方外沿處添加2個穩(wěn)定片附件,用以減少射流速度雙回流區(qū)的能量分散,期望借此能形成更細的纖維。2.2復合技術2.2.1靜電防護材料熔噴工藝與其它生產(chǎn)工藝之間的復合已成為熔噴技術發(fā)展的一個重要趨勢。傳統(tǒng)的復合技術有紡粘熔噴復合非織造技術,這種復合加工工藝將兩種加工工藝所生產(chǎn)產(chǎn)品的優(yōu)劣進行互補,能夠解決熔噴非織造布中纖維取向度低、強力不高等問題。近年來,熔噴工藝越來越多地與駐極工藝相結合,使熔噴非織造布具有靜電效果,能夠有效歸集和阻隔微小顆粒,從而增強其過濾效果。Brochocka等研究了一種通過把各種具有靜電能力的添加劑添加到聚丙烯中從而改善熔噴駐極非織造布過濾性能的方法。這項研究將琥珀顆粒與珍珠巖粉末加入到聚合物熔體中,采用熔噴工藝與聚合物熔體一起噴出,形成非織造布。研究表明,這種方法能夠增強靜電干擾效果,從而改善用于納米顆粒過濾的熔噴駐極非織造布的過濾效果。國內(nèi)天津泰達潔凈材料有限公司采用熔噴工藝與駐極工藝相結合生產(chǎn)的口罩材料,其過濾效率高達99.99%,據(jù)稱超過世界知名的3M公司,可應用于無菌室濾布、抗菌防塵口罩和防甲型H1N1醫(yī)用隔離服等。2.2.2碳納米管的阻燃整理傳統(tǒng)的熔噴非織造布生產(chǎn)原料的復合主要有PET/PA6、PE/PP、PE/PET、PP/PA等,且都已制備出熔噴非織造布。近幾年,國內(nèi)外研究者們越來越關注利用各種新型原料進行復合。此外,在熔噴原料中加入一些特定的添加劑,能得到獨特的應用性能,如添加氯化銀粒子,能夠提高非織造布的抗菌活性;添加碳納米管,能夠提高非織造布的導熱性等。田政將聚碳酸亞丙酯與聚丙烯切片熔融共混,制成聚碳酸亞丙酯/聚丙烯原料切片,用于制備可生物降解的熔噴非織造布。這樣既發(fā)揮了聚碳酸亞丙酯可降解和高阻隔等優(yōu)點,又利用聚丙烯良好的力學性能和熱學性能彌補了PPC熱穩(wěn)定性差的缺點,達到優(yōu)勢互補。朱裴超等研究了聚(3-羥基丁酸-co-3-羥基戊酸共聚酯)(PHBV)與聚乳酸共混體系的結構與相容性,為將這種共混溶液制成熔噴非織造布提供了參考。Krucinska等將聚丙烯與聚己內(nèi)酯混合后再加載多層碳納米管(MWCNTs),采用熔噴工藝制出了一種新型熱敏非織造布,可以作為測試人體溫度傳感器的附屬材料。在這項研究中,3種不同聚合物組分同時存在于熔噴加工過程中,使聚合物分散相的比例很大,而MWCNTs的組分比例分布范圍在1.2%~2%之間。由這些組分所構成的熔噴非織造布的熱敏性通過測試其靜電性能來表征。3熔噴非織造布由于熔噴非織造布的纖維很細,同時熔噴非織造布具有很大的比表面積和孔隙率,故其在過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性等應用特性方面具有獨特的優(yōu)勢。熔噴非織造布廣泛應用于過濾材料、吸聲材料、保暖材料、吸油材料、醫(yī)療衛(wèi)生材料等領域。目前,各種復合熔噴非織造布逐漸被應用于呼吸保護設備。Brochocka等研究了基于熔噴非織造布的能夠阻隔納米顆粒的呼吸保護裝置。他們主要是添加了一種具有靜電能力的添加劑,憑借靜電效應捕集微細顆粒并阻隔來達到呼吸保護的效果。Majchrzycka研究了將具有生物活性的非織造布用于設計防懸浮微生物的呼吸保護設備的方法。這些材料具有兩種性能:防懸浮微生物的高效過濾性能以及能夠殺滅被阻隔在非織造布中微生物的能力。研究發(fā)現(xiàn),非織造布的防懸浮微生物的過濾有效性與通過添加殺菌劑能夠達到同樣的效果。Gutarowska等將含有季銨鹽的消毒劑T99-19加入到熔噴加工過程中,研究所生產(chǎn)的非織造布的抗菌性與過濾性。結果表明,這種添加了消毒劑的熔噴非織造布可以用來生產(chǎn)半面罩式呼吸防護器,用以保護暴露在微生物環(huán)境中的工作人員。4生活可生物降解材料與技術的開發(fā)隨著人們環(huán)境保護意識的不斷加強以及工業(yè)技術的不斷發(fā)展,熔噴非織造技