（纺织工程专业论文）聚乳酸熔喷非织造布的纺制及其结构与性能的研究.pdf

摘要 近年来，聚乳酸熔喷非织造布生产技术已成为非织造布领域中研究的热点。 本课题将系统研究聚乳酸熔喷非织造布的生产工艺条件、非织造布的结构与性 能。 论文首先对美国n a t u r ew o r k s 公司提供的聚乳酸切片的热性能和流变性能 进行了研究，并由此确定了熔喷纺丝的工艺条件，即确定了嫘杆挤出机各区段的 温度，并探讨了熔喷纺丝和成形的工艺条件，主要包括热空气的温度、热空气的 压力、狭缝宽度、接收距离和熔喷模头的温度等工艺参数，并且对在不同工艺参 数条件下所纺制的聚乳酸熔喷非织造布的结构与性能进行了研究。研究表明：熔 喷模头的温度设定为2 2 0 时，聚乳酸熔喷非织造布的强度和纤网均匀性都较 好；随热空气压力的提高，纤维直径逐渐减小，卷曲度越来越小，纤网较均匀； 随热空气温度的升高，纤维的直径逐渐增大，粘结点增多，从而产品的过滤效率 降低，而透气量增大；随热空气狭缝宽度的增大，卷曲度逐渐降低，纤网表面变 得光滑，纤维直径逐渐增大，产品的过滤效率降低，而透气量增大；随接收距离 的增加，纤维的直径减小，纤网的孔隙增多，纤网中纤维的粘结点减少，纤网结 构蓬松，气流通过的曲径系统增加，使产品的过滤效率增大，而透气量也增大， 基本上与接收距离成正比。 本课题利用s p s s 和m a t l a b 软件建立了聚乳酸熔喷非织造布的过滤效率 和透气量分别与接收距离、热空气温度和定量的数学关系模型，从而找到了生产 聚乳酸熔喷非织造布的最佳工艺参数。实验证明数学模型能够模拟生产实际，对 纺制聚乳酸熔喷非织造布的生产实践具有很好的指导意义。 关键词：聚乳酸：聚乳酸熔喷非织造布；工艺参数；结构；性能；s p s s ，m a t l a b 软件 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，p o l y l a c t i ca c i d ( p e a ) n o n w o v e n sh a v e b e e nt h eh o ts p o ti n n o n w o v e n sa r e a t h i ss u b j e c th a sr e s e a r c h e d p r o c e s sc o n d i t i o n s ，s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fp l an o n w o v e n ss y s t e m a t i c a l l y f i r s t ，i th a sr e s e a r c h e dh e a t i n gp e r f o r m a n c ea n dr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fp l a a c c o r d i n g l y ，p r o c e s sc o n d i t i o n s ( t e m p e r a t u r eo fe x t r u s e r ) h a v eb e e nf i x e d p r o c e s s c o n d i t i o n so fs p i n n i n ga n df o r m a t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e d ，w h i c h m a i n l yi n c l u d e s p i n e tt e m p e r a t u r e ，h o ta i rt e m p e r a t u r ea n dp r e s s ，t h ew i d t ho fa i rg a p ，d i s t a n c ef r o m d i et o c o l l e c t o r ( d c d ) a n ds p i n n e r e tt e m p e r a t u r e w h a t sm o r e ，i th a sr e s e a r c h e d s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fp l a n o n w o v e n sp r o d u c e di nd i f f e r e n tp r o c e s sc o n d i t i o n s i ts h o w st h a tw h e nt h es p i n e tt e m p e r a t u r ei sc o n t r o l l e da t2 2 0 c ，t h e s t r e n g t ho fp l a n o n w o v e n sa n de v e n n e s so fw e ba r eb e t t e r ；w i t hh o ta i rp r e s si n c r e a s i n g , f i b e r d i a m e t e rg r a d u a l l yd e c r e a s e s ，c r i m pd e c r e a s e sa n d w e bb e c o m e sm o r ee v e n ；w i t hh o t a i rt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g , f i b e rd i a m e t e ri n c r e a s e s ，f e l t i n gp o i n ti n c r e a s e s ，f i l t r a t i o n e f f i c i e n c yd e c r e a s e sw h i l eb r e a t h a b i l i t y c r i m pd e c r e a s e s ，w e bb e c o m e sm o r e i n c r e a s e ；w i t ht h ew i d t ho fa i rg a pi n c r e a s i n g ， s m o o t h ，f i b e rd i a m e t e ri n c r e a s e s ，f i l t r a t i o n e f f i c i e n c yd e c r e a s e sw h i l eb r e a t h a b i l i t yi n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n go fd c d ，f i b e r d i a m e t e rd e c r e a s e s ，w e bh o l e si n c r e a s e s ，f e l t i n g p o i n td e c r e a s e s ，w e bt u r n sf l u f f y , m a z es y s t e mo fa i rp a s s i n gi n c r e a s e s f i l t r a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e sa n db r e a t h a b i l i t y i n c r e a s e s s p s sa n dm a t l a b s o f t w a r eh a v eb e e nu s e dt oe s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e la m o n g f i l t r a t i o n e f f i c i e n c y , b r e a t h a b i l i t y a n dd c d ，h o ta i r t e m p e r a t u r e a n dg s m r e s p e c t i v e l y ，t of i n do u tb e s tp r o c e s sc o n d i t i o n so fp r o d u c i n gp l an o n w o v e n s i th a s b e e nt e s t i f i e dt h a tm a t h e m a t i c a lm o d e lc a ns i m u l a t ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，s oi t w i l l t a k ea l li m p o r t a n tr o l ei np l a n o n w o v e n sp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：p o l y l a c t i ca c i d ( p l a ) ；p l am e l t b l o w n n o n w o v e n s ，；p r o c e s sp a r a m e t e r s ； s t r u c t u r e ；p r o p e r t i e s ：s p s s ，m a t l a bs o f t w a r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些盔堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：奎玉梅签字日期。掰年3 月文日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 李五梅 签字日期：跏f 年3 月ae t 导师签名： 签字日期： 学位论文的主要创新点 一、利用s p s s ，m a t l a b 软件建立了过滤效率和透气量分别与接收距离、热空 气温度和定量的数学关系模型，找到了生产聚乳酸熔喷非织造布的最佳工艺 参数。实验证明数学模型能够模拟生产实际，对纺制聚乳酸熔喷非织造布的 生产实践具有很好的指导意义。 二、系统地探讨了熔喷模头温度、热空气温度、热空气压力、狭缝宽度和接收距 离对聚乳酸熔喷非织造布结构与性能的影响。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 熔喷非织造布生产技术的发展概况 1 1 1 熔喷非织造布生产技术的简介 熔喷法非织造布是聚合物一步法成布技术中的一种。该技术的主要工艺环节 是：聚合物切片经挤压熔融后，通过计量泵的精确计量送入一特殊的熔体分配腔， 再通过整流后进入纺丝熔体池，经纺丝微孔喷出成丝，在高速、高温气流的牵伸 下得到超细纤维，其单纤直径能达到1 私m 。熔体分配腔能保证熔体沿幅宽方 向分布均匀( 流速一致、流量相等、压力分布均匀) ，加上沿幅宽方向的气流喷 射速度一致，从而能保证丝束沿幅宽方向分布均匀，丝径沿幅宽方向一致n 吲。 如图1 1 所示，喷丝组件中纺丝熔体池下有一排纺丝微孔，微孔直径一般为0 3 0 4 r a m ，为了更加有利于纺丝成型，其长径比远大于常规的熔融纺丝，一般为1 0 1 5 ：1 。同时喷丝组件与气刀之间形成一特殊的气腔，高压热风气流通过气腔狭 缝以近似于音速的速度喷射，气刀刃部与喷丝组件尖端形成一纺丝锥。熔体从纺 丝微孔中喷出，在纺丝锥处被高速气流夹持牵伸拉细，经冷却后形成超细纤维。 经过牵伸的超细纤维，随着喷射气流的体积膨胀而扩散，同时在抽吸风的引导下， 均匀地铺在接收装置上，再利用自身的余热相互粘和1 ，调节各工艺参数可以得 到各种不同规格的熔喷非织造布。 热 图1 - 1 熔融纺丝的原理示意图 第一章绪论 1 1 2 熔喷非织造布生产技术的发展简史 熔喷非织造技术起始于2 0 世纪5 0 年代，当时美国海军研究所在研究气流喷射 法纺丝时，纺得了极细的纤维，其直径在5 t m 以下，并制得由这种超细纤维组成 的非织造布喇。在美国海军研究所取得熔喷法成果后的较长一段时期，该法并未 在实际中得到应用。直n 2 0 世纪6 0 年代中期，美国e x x o n 公司也开始对熔喷非织 造技术进行研究，5 年后研制的样机成功的生产出了超细纤维，并申请了专利订1 。 随后又出现了一些相关的专利。2 0 世纪7 0 年代后期，美国e x x o n 公司将此技术转 为民用，使得熔喷法非织造布技术得到迅速发展。 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，由于熔喷设备的需求和非织造布市场的开发，世 界上一些中小型非织造布生产厂商提出了对熔喷设备的需求，因此又有机械制造 商参与了熔喷设备的制造，其中有德国的莱芬豪斯公司、美国的j & m 公司和 a c c u r a t e 公司等( 除j & m 公司外，另两家公司都采用了美国e x x o n 公司的专利技 术) ，成为目前世界上熔喷法非织造设备的主要供应商嘲。从2 0 世纪9 0 年代后期 至l j 2 1 世纪初期，熔喷纺丝成网过程的研究又取得了一些成就，不仅解决了熔喷非 织造布强力较低的缺点，而且充分发挥了其超细纤维的特性和功能，在复合、涂 层和化学处理等深加工技术上也取得了某些重大突破，使熔喷非织造产品的应用 领域得到了更进一步的拓展。 我国对熔喷技术的研究也较早，2 0 世纪5 0 年代末，中国核工业二院北京化 工研究院等机构也开始了这方面的研究；2 0 世纪8 0 年代，中国纺织大学研制出 了间隙式熔喷法非织造布生产线。1 9 8 8 年广州第二合成纤维厂谢明、冯烁辉等 人赴美参观了美国田纳西大学熔喷试验室、e x x o n 公司的研究院、a c c u r a t e 公 司、a n g e l 公司，并将考察的熔喷技术介绍给国内同行。2 0 世纪9 0 年代初，北 京化工研究院、中国纺织大学、北京超纶公司等单位设计出的熔喷设备，在国内 投产了近百台。当时熔喷非织造布主要用于电池隔板、过滤材料、吸油材料等领 域，由于国内市场的局限，熔喷布的市场开发在较长时问内一直发展较慢。随后 安徽奥宏超细滤材有限公司、江阴金凤非织造布制品有限公司、天津泰达股份有 限公司和山东俊富无纺布有限公司等陆续投产了5 条引进的连续式熔喷生产线， 使我国熔喷法非织造布生产技术上了一个新的台阶嘲。近几年，熔喷非织造生产 技术的发展更是十分迅速。到目前为止，估计全国仍有3 0 0 台以上的间歇式熔喷 设备正在运转。但是连续式熔喷设备目前在国内已占绝对优势，2 0 0 6 年全国熔 喷非织造布的产量已超过2 0 0 0 0 吨，其中7 0 左右都是连续式熔喷设备生产的。 随着各种非织造布加工技术的成熟，各工艺之间相互渗透，向混杂化、复合 化方向发展是当前非织造布发展的趋势，尤其是各工艺之间的复合愈来愈受到大 家的重视。今后非织造布工业的发展将围绕熔喷、纺粘两种技术的融合而展开。 第一章绪论 r e i f c n h a u s c r 公司和e x x o n 公司通过进行技术合作，使熔喷纺粘复合( s m s ) 得以 商业化生产，极大地推动了熔喷技术的发展n 0 1 。目前r e i f e n h a u s e r 、k i m b e d y c l a r k 和n o r d s o n 等公司的设备均可生产s m s 非织造布，s m s 复合技术中的熔喷技术 代表了熔喷法非织造布中的先进技术，并成为了先进的发展趋势。 1 1 3 熔喷非织造布生产技术的发展趋势 最近十几年，尤其是进入2 1 世纪以来，国际上熔喷非织造布技术有着突飞 猛进的进展，主要包括以下几方面： ( 1 ) 双组分熔喷非织造布生产技术。 美国h i l l s 公司和n o r d s o n 公司较早地开发了双组分熔喷技术，包括皮芯型、 并列型、三角形等多种，通常纤维纤度接近2 m ，熔喷喷丝组件的孔数可以达到 每寸1 0 0 孔，每孔的挤出量可达到0 5 9 r a i n 。其中h i l l s 公司提供的双组分技术 主要包括u “： 皮芯型可做成5 0 5 0 ，2 0 8 0 ， 偏心型，同心圆形，三角形等多种； 并列型可做成5 0 5 0 ，2 0 8 0 ，a b 型，a b a 型，三角形等多种； 橘瓣型：1 6 瓣、中空1 6 瓣、3 6 瓣等多种； 海岛型：6 4 岛，最多可达6 0 0 岛。 皮芯型可使非织造布手感更加柔软，并列型可使非织造布具有良好的弹性，橘瓣 型及海岛型可加工成超细纤维，使非织造布具有更优异的性能。 h i l l s 公司还开发了多组分熔喷纺丝技术。该技术的关键在于n 2 。1 引：采用衣架 式分配熔体的方法，采用新的薄板型分配板，采用多路隙缝设计，对不同聚合物 流量进行精确分配，按要求通过不同管道把不同聚合物送到喷丝孔。双组分熔喷 纤维纺丝时，两种聚合物熔融温度有相当的差别。在纺丝过程中，占量较少的聚 合物其降解温度比占量多的聚合物凝固点低3 0 c 左右，因此，过去不同的聚合 物难于共同纺丝。h i l l s 公司开发的薄型板工艺以及纺丝箱体完全可以解决此难 题，它采用多泵式系统，两种组分分别加热，相互隔离，保证温度可以满足工艺 要求。 美国诺信公司推出“生产纳米双组分纤维熔喷非织造布的设备n a n o p h a s e 。 n a n o p h a s e 设备能稳定地生产含有7 0 以上纤径在1 肛m 以下且纤维分布平均在 o 鲰m 的纤网m 1 。由于纤维线密度比常规熔喷设备所生产的产品低，因此在同单 位质量下对液体的屏蔽性和过滤性就有较大的提升。该公司称将一个n a n o p h a s e 装置配置到莱芬熔纺生产线上，完全可以取代两个常规的熔喷模头。 而我国在双组分熔喷非织造布技术方面还是空白。不过，天津泰达已经与美 国n o r d s o n 公司签约引进一条幅宽2 4 m 的双组分熔喷法非织造布生产线n 司。该生 第一章绪论 产线年生产能力为2 0 0 0 吨，可用涤纶、尼龙与丙纶切片为原料生产双组分熔喷非 织造布。其纤维最细可达0 私m 。 ( 2 ) 熔喷纳米级纤维非织造布生产技术 过去开发熔喷纤维都基于e x x o n 的专利技术，但最近几年国际上多家公司 已突破e x x o n 技术向更细的纳米级纤维发展。h i l l s 公司对纳米熔喷纤维作过很 深入的研究，据称已可达到产业化的阶段。其它一些企业例如n o n w o v e n t e c h n o l o g i e s ( n t i ) 公司也开发了可生产的纳米熔喷纤维的工艺、技术，并已取得 了专利n 引。为了纺制纳米纤维，喷丝孔比普通的熔喷设备上的喷丝孔要细得多， n t i 可采用细到0 0 6 3 5 m m ( 即6 3 跏m ) 或o 0 0 2 5 i n c h ，模块结构的喷丝板可组合 成3 m 以上的总宽度，这样纺出的熔喷纤维直径大约为5 0 0 h m ，最细的单纤直径 可达2 0 0 n m 。纺制纳米纤维的熔喷设备由于喷丝孔小，如不采取措施，产量必然 大大降低，因此n t i 采取加大喷丝孔的孔数，每个喷丝板有3 排甚至更多排的喷 丝孔。将很多单元组件( 根据幅宽而定) 组合在一起，在纺丝时产量便可大幅提高。 实际情况是当采用直径为6 3 5 , m 的孔眼时，单排每米喷丝板的孔眼数为2 8 8 0 个，如采用三排，则每米喷丝板的孔眼数可达到8 6 4 0 孔，这样其产量就可与纺 制普通熔喷纤维相当。由于高密度孔的薄型喷丝板价格昂贵，且很易碎裂( 在高 压强下受热裂开) ，因此各公司都开发了粘结新技术以增强喷丝板的牢度，使之 不在高压强的情况下发生渗漏。 1 1 4 熔喷非织造布的应用 由于熔喷非织造布的纤维线密度很小，同时熔喷布具有很大的比表面积、空 隙小而孔隙率大，故其过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性等应用特性是用其它单 独工艺生产的非织造布所难以具备的。因此，熔喷非织造布可广泛应用于以下领 域引： ( 1 ) 医疗卫生 用熔喷法非织造布代替传统纺织产品与纺粘法非织造布复合，应用于口罩 布。其特点是强度高、手感好、有效地屏障细菌的穿透、不透血但可以透气；能 够防止交叉感染、减少尘屑和毛羽的脱落，提供最佳的手术环境：减少护理人员 的劳动量、方便储藏、供应和更换；穿戴及使用方便、价格低。由于其有上述特 点，在国外已大量做成绷带、急救包、开刀布、接生包等应用于医疗行业，以及 妇女卫生巾、尿布等卫生领域。 ( 2 ) 保暖材料 熔喷法非织造布由于其纤维直径小、孔径小、孔隙率高，手感柔软，具有非 常好的抗风能力，透气性能良好，且重量非常轻，是做保温服装的最佳材料。目 第一章绪论 前国内外已大量使用，市场增长速度也较快。经过国家级检测单位测定，相同重 量的服装保温材料中，熔喷布保温效果最好。天津泰达率先开发出了用熔喷布做 的保暖材料，从而带来了中国熔喷法非织造布发展的高潮。熔喷法非织造布与三 维卷曲纤维共纺制出的保暖絮片，不仅具有很好的保温效果，同时还具有非常好 的弹性和蓬松性能。 ( 3 ) 过滤材料 熔喷非织造布的纤维直径能达到m m 犁m ，且排列是随机分布的，具有一 定的杂乱性，这种结构使其具有更大的比表面积、更小的孔径，可以制作质量非 常好的过滤材料。主要应用于空气过滤、水过滤、油过滤、油水分离等诸多领域。 如果通过静电驻极处理后，作为过滤材料其效果更好。 ( 4 ) 吸油材料 目前，熔喷非织造布主要以p p 为原料。由于熔喷布具有孔隙率高、比表面 积大的特点，而且p p 几乎不吸水却有很好的亲油性，所以熔喷布具有很好的吸 油性能。经过实验测得，它可以吸收比自身重量大1 7 , - - 一2 0 倍的油。根据它的这 些特点可做成吸油毡、吸油滤芯等，应用在油水分离、环境保护、港口环保以及 海洋轮船事故处理中。 ( 5 ) 工业及家庭用揩布 工业及家庭用揩布市场是目前发展最为迅速的市场，由于熔喷非织造布去污 能力强、手感柔软、不损坏被擦拭的表面，因此很有发展前景。国外的企业用熔 喷非织造布制作婴儿揩擦布、家庭用揩布、个人擦拭布都很受欢迎，熔喷揩擦布 也可用作汽车揩擦布、精密机床、精密仪器擦布等。 ( 6 ) 铅酸蓄电池隔板 p p 熔喷非织造布经处理后可用作铅酸蓄电池隔板，我国年用量大约在6 0 0 0 吨以上。由于熔喷非织造布具有孔径小，开孔率高、电阻小、质量轻、可封袋使 用等特点，且材料相对便宜可以替代p v c 隔板。 ( 7 ) 隔音产品 熔喷非织造布可以吸收声波的传递。因此，它可用于汽车、住宅以及超静音 室的隔音材料，如：汽车内电脑盒、高级音响外层等必需采用熔喷层来隔离，据 称：这方面的应用才刚刚开始，存在很大的发展空间。 1 1 5 熔喷非织造布新型原料的开发、 鉴于熔喷法非织造布的应用领域十分广泛及其良好的发展前景，开发新型的 熔喷非织造布原料具有很重要的意义。目前生产熔喷法非织造布的聚合物主要有 聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚氨酯等，其中聚丙烯的使用最广泛。近年来，随着人 5 第一章绪论 们环保意识的提高，天然可生物降解高分子材料的研究越来越受到重视。在众多 的可生物降解材料中，聚乳酸纤维异军突起，成为继l y o c e l l 纤维之后的又一迅速 发展的环境友好纤维。聚乳酸既可从石油合成得到，也可由植物资源( 玉米、小 麦、谷物、甜菜等) 为起始原料制成，然后经纺丝制成的聚乳酸纤维。由于聚乳 酸的特殊结构使得聚乳酸纤维制成品废弃后可在自然条件下被微生物分解成水 和二氧化碳，不会对环境造成污染他0 。因此，聚乳酸成为人们研究的焦点，其物理 化学特征如表1 1 所示。 表1 1聚乳酸的物理化学特征 项目p l a 项目 p l a 相对分子质量 1 0 ( ) 0 0 0 3 0 0 0 0 0 表面能n m 13 8 1 0 4 玻璃化转变温度 c 5 5 7 0 结晶度 1 0 _ 4 0 熔融温度 1 3 0 - 2 1 5 结晶密度g m l 。1 1 2 9 0 熔融热j 岔1 8 1 9 3 7 非晶密度g m 1 1 1 2 4 8 熔体流动指数g 1 0 m i n 。1 0 2 2 0 溶解度参数( j c r n - 3 ) 帕 1 9 m 2 0 5 1 1 5 1 聚乳酸的研究进展 早在2 0 世纪3 0 年代，著名美国科学家c a t o t h e r swh 就对聚乳酸进行过研究， 证明它是一种性能优良、具有生物相容性和生物可降解性的聚合物口u 。2 0 世纪5 0 年代，由丙交酯( l a ) 和乙交酯( g a ) 开环聚合分别制得的高分子量聚乳酸和聚乙 醇酸( p g a ) ，因对热和水的敏感性，长期以来未被引起足够的重视。2 0 世纪6 0 年代，重新审视聚乙醇酸对水敏感问题时，这一特性却成了其优点，因此被用于 手术缝线材料并取代了胶原。随后报道的高分子量聚乳酸也能在人体内降解，引 发了这类材料作为医用材料的开端乜羽。2 0 世纪9 0 年代，美国卡吉尔( c a r g i l l ) 公司 开发了以玉米淀粉为基本原料的乳酸、聚乳酸，并生产出了聚乳酸纤维及聚乳酸 包装材料等最终产品，从此聚乳酸纤维开始应用在传统纺织领域嘲。 1 1 5 2 聚乳酸和聚乳酸纤维的优点 聚乳酸之所以受到人们的广泛关注，主要是因为聚乳酸及其纤维具有以下优 占【2 卜2 7 ，、 ( 1 ) 优良的制造和加工性能 聚乳酸的生产过程并不十分复杂，纺丝工艺适应性很好，目前工业化生产 聚乳酸纤维主要采用熔融纺丝方法。聚乳酸纤维的加工适应性能也很好，它可适 第一章绪论 应机织、针织、簇绒和非织造布如气流成网、湿法成网、水刺法、热粘合、针刺 等加工工艺，可以适应现有绝大多数加工设备，这为它的推广应用提供了极大的 便利。 ( 2 ) 优良的物理机械性能 聚乳酸的物理性能介于涤纶( p e t ) 和锦纶( p a 6 ) 之间，但聚乳酸的熔点 最低，其强度与涤纶接近，但模量较低，故其纤维和面料具有很好的加工性能、 手感和悬垂性。它的弹性回复率高、玻璃化温度适宜，这充分体现了它的定型和 抗皱性能都很好，宜作为服用面料。 ( 3 ) 聚乳酸的降解性能和抑菌性 聚乳酸以其生物降解性而广为人知。与可降解性紧密相连的是抑菌性问题， 这与聚乳酸能否用作包装材料有极大关系。研究表明聚乳酸能够用作纤维和食品 包装，事实上也已经通过了美国食品药物管理局( f i 埴) 的认可。 ( 4 ) 聚乳酸的人体可吸收生态性 聚乳酸在人体内可以经过降解而被吸收，为此从上世纪7 0 年代起便将其用 作外科手术中的特殊器材、移植物与整形材料，如手术缝合线、骨夹、骨钉等以 及作为缓释药物的包囊材料等。 ( 5 ) 聚乳酸的舒适性 衣着的舒适性是纺织产品追求的重要目标之一。影响舒适性的因素很多，仅 从纤维性能对纺织产品的影响而言，我们可以通过面料的隔热能力、水汽阻隔能 力、水汽渗透性能及透湿性能、吸汗和透汗能力、面料挺括度来进行考察。聚乳 酸织物面料与相同规格的p e t 棉混纺织物相比，聚乳酸织物面料有更大的舒适 感。 ( 6 ) 聚乳酸的燃烧性能 聚乳酸的极限氧指数是常用纤维中最高的，在燃烧中只有轻微的烟雾释出。 聚乳酸虽然不属于非燃烧性聚合物，但与涤纶和棉相比，更易自熄，而且燃烧时 放出热量少，因此火灾危险性小。这对于将其用在装饰面料等方面尤为重要。 ( 7 ) 聚乳酸的耐紫外线性能 聚乳酸纤维还具有耐紫外线的性能。和p e t 相比，它在紫外线下吸收值较 低，能保持不受侵害，适合于室外应用领域和室内装饰物。 ( 8 ) 可供利用的特殊加工性能 1 1 5 3 聚乳酸纤维的开发应用 聚乳酸纤维由于强度高、伸度好，有极好的悬垂性、回弹性和手感，良好的 芯吸性、抗皱性及抗紫外线等功能，可用作服装面料、装饰材料、医疗卫生材料、 非织造布材料、农膜材料、包装材料等，广泛用于纺织、服装、装饰、农林、食 第一章绪论 品、卫生和土建等行业糊1 。 ( 1 ) 服装面料方面的开发应用 聚乳酸纤维弹性回复率高，保型性、保暖性、悬垂性和抗皱性很好，挺括不 易变形，免烫性好，适宜加工各种服装面料。聚乳酸面料经染整加工后，外观华 丽典雅，色彩丰富，触感柔和，穿着舒适，干爽透气，适合生产内外衣、运动衣 等。例如聚乳酸纤维可以与棉、羊毛和蚕丝等混纺，生产的织物吸湿透气，手感 柔软，穿着舒适，具有优良的形态稳定性和抗皱性，并且不会刺激皮肤，具有极 好的舒适性。非常适合加工内衣等产品。用超细聚乳酸纤维加工的织物，轻盈柔 软，悬垂性极好，导湿透气性好，具有丝绸般的风格，是加工女装和休闲装的理 想面料。由于聚乳酸纤维耐紫外线好，不易退色和变色，还可加工成野外工作服 和其它高档时装。 ( 2 ) 非织造布方面的开发应用 由于聚乳酸纤维具有良好的透气性能，良好的回弹性和潮气的芯吸效应，因 此可加工成各种非织造产品。非织造布的生产方法有两种，一种是直接利用聚乳 酸切片采用纺粘法或熔喷法制成非织造布，另一种是采用聚乳酸短纤维。再经干 法或湿法成网制得非织造布。由于聚乳酸纤维轻盈柔软和良好的芯吸效应，可生 产妇女卫生巾和尿布等一次性失禁用品；工业和家庭用抹布：一次性的服装( 作 手术衣、手术覆盖布等) ；室外用帐篷，人造草坪等。 ( 3 ) 医学领域的开发应用 聚乳酸纤维具有优良的生物相容性、低毒性和生物降解性，因此在医疗和医 学领域上具有广泛的应用前景。例如利用它在人体内生物相容性和降解性，可用 于外科手术缝合线以及骨夹和骨针等方面，手术缝合线能自然降解并吸收( 一般 经溶液纺丝制得) ，减少了病人的痛苦。在医疗上它也可用作纱布、绷带、缓释 药物、植人材料等。 除以上几方面的开发应用外，在家用装饰方面：由于聚乳酸纤维优异的手感、 悬垂性、阻燃性能，更适合生产窗帘、地毯等。在农林业：可开发生产种植业用 网、养殖网、渔网、养护薄膜、种子及农用物料袋等。在食品业：可生产包装材 料、过滤网。在建筑业：生产地面覆盖增强材料、垫子、沙袋等。 1 2 聚乳酸熔喷非织造布的发展概况 1 2 1 国内外聚乳酸熔喷非织造布的研究进展 聚乳酸在非织造领域的研究应用开发是最近十年才开始的。聚乳酸可用纺粘 法或熔喷法直接制成非织造布，也可先纺制成短纤维，再经干法或湿法成网制得 第一章绪论 非织造布。目前较为成熟的是干法和纺粘法，其中干法非织造布的成网工艺如下： 聚乳酸短纤维一丌松一梳理一加固( 针刺、水刺、热粘合等) 一卷取一成品。纺 粘法聚乳酸非织造布的生产工艺如下： 聚乳酸切片一螺杆挤压机一熔体过滤器一计量泵一喷丝板一冷却吹风一气流牵 伸一分丝铺网一热轧成布( 或水刺、针刺成布) 一卷取一成品。 而聚乳酸熔喷非织造工艺还处于实验室阶段，其生产的基本原理如图1 - 2 所示，其生产工艺如下：聚乳酸切片一熔融挤出- - i f 维形成一纤维冷却一成网一 粘合( 自身粘合或热粘合) 一卷取一成品。 图1 2 聚乳酸熔喷1 f 织造布生产的基本原理示意图 d i e t e r h m u l l e r 等人曾对熔喷聚乳酸非织造材料进行过初步的研究，认为聚 乳酸可以应用于熔喷j i 二艺，但由于所用原料和工艺方面的l u j 题，实验结果不王晕想， 形成的纤网基本没用途：“j 。后来的研究人员对熔喷聚乳酸非织造材料的工艺过程 和生产要求进行了较详细的研究，初步探讨了工艺参数对纤网性能的影响，并指 出该工艺需要而且值得进一步研究。2 0 0 1 年在美国阳纳西大学进彳j 二的熔喷实验证 明了聚乳酸在熔喷工艺上应用的可行性，但聚乳酸自身的流变性能使得其在熔 喷工艺上的应用受到很多的限制，结果不是非常理想，值得进一步研究和探讨。硭1 。 目前，用纳西大学仍在积极研究聚乳酸熔喷非织造工艺。 2 0 0 2 年，仪征化纤股份有限公司技术中心利用美国c d 公司提供的聚乳酸切 片在上海东华大学纺织学院聚合物喷丝成网实验室试制了聚乳酸熔喷非织造布， 采用的主要设备是s j 一3 0 2 8 型单螺杆挤出机，通过调节螺杆温度、螺杆转速、 辊筒转速、接收距离，得到了一系列样品b 3 。2 0 0 4 年东华大学研制了超细聚乳酸 纤维非织造布，平均纤维线密度为2 1 7 ，可作为过滤材料，但是纤维,urn-,9107am 线密度较大，还需要进一步的研究。近年来，我们课题组对聚乳酸熔喷非织造布 生产技术进行了系统的研究，已取得了较大进展。 第一章绪论 1 2 2 聚乳酸熔喷非织造布的特点及其应用 聚乳酸熔喷非织造前i 具有很多特点，归纳起来主要有以下几点+ 1 。： ( 1 ) 聚乳酸熔喷非织造布具有可再生、可生物降解、可循环使用和可持续发展 等特亡i 、o ( 2 ) 聚乳酸熔喷非织造命在常温下具有良好的耐气候性，强度保持率高。 ( 3 ) t h 于采用熔喷技术，其纤维为超细纤维，因此，聚乳酸熔喷非织造布在过 滤、阻菌、吸附等方面的突出优点将会得到重视。 【i1 于聚乳酸熔喷非织造布具有上述特点，因此其应用领域十分广泛，主要集 中在以下儿方面：在农业和园艺方面，可用作种子培植、育秧、防霜及除草用布 葛；徂：医疗卫生方面，可用作手术衣、手术覆盖布、口罩等，也可用作尿布、妇女 卫，卜i f j 的面料及其他生理卫生用品；在生活用品方面，可用作衣料、擦揩布、厨 房川滤水、滤渣袋或其他包装材料。其中，由于熔喷非织造靠技术的特点决定了 其主哽的途为过滤，另外山于环保性及卫生性决定了其在医疗卫生上将会得到 广泛的应用，同时它将在一定领域中取代塑料，减轻环境负担。 1 3 本课题研究的内容及意义 1 3 1 本课题的研究内容 ( 1 ) 聚乳酸切片的性能研究：如热性能、流变性能，并由此确定熔喷纺丝的工 艺条件； ( 2 ) 探讨聚乳酸熔喷纺丝、成形工艺条件：螺_ f f 挤出机各区段的温度、热空气 的温度、压力，狭缝宽度，接收距离等各工艺参数。 ( 3 ) 聚乳酸熔喷非织造布的结构与性能研究：进行s e m 电镜测试，分析其结构； 进行j ：z f l t t 、透气和过滤等性能的测试，分析各工艺参数对产品性能的影响。 ( 4 ) 聚乳酸熔喷非织造自珀勺降解特性研究：通过土埋的方法进行测试。 ( 5 ) 利用方差分析软件s p s s 和m a t l a b 建立数学模型，研究聚乳酸熔喷非织 造布在加工过程中各参数与其过滤效率和透气性能的关系。 1 3 2 本课题的研究意义 j 常用的聚酯纤维和尼龙6 相比，聚乳酸纤维具有优异的性能，如表1 2 所 示。剐。众所周知，聚乳酸纤维的废弃品在一定的条件下发生降解，不会污染环境， 因此将聚乳酸应用到非织造领域不仅可以解决资源短缺的问题，而且还可以避免 第一章绪论 环境污染。同时，由于熔喷非织造产品具有过滤效率高，纤维比表面积大，手感 好等优点，因此可广泛应用于空气过滤材料、液体过滤材料、手术衣、手术时患 者的覆布、无菌布、防尘i = l 罩、防尘工作服、吸油材料、揩布、蓄电池隔板、绝 缘材料，合成革基布、卫生材料、保温材料以及高级纸等。由于聚乳酸及其纤维 具有优异的性能，熔喷非织造产品的应用又十分广泛，因此聚乳酸熔喷非织造布 具有很广阔的发展前景，本课题具有重要意义。 表1 - 2聚乳酸纤维的性能 项目 聚乳酸纤维聚酯纤维尼龙6 密度g c l l l 3 1 2 71 3 81 1 4 熔点 1 7 52 6 02 1 5 玻璃化温度。c 5 77 04 0 标准状态下吸湿率0 50 44 5 燃烧热g - 1 1 8 8 42 3 0 33 0 9 8 断裂强度c n d t e x 1 4 0 4 94 0 - - - 4 94 o 5 3 伸长率3 03 0 4 0 杨氏模量蚴1 4 0 0 6 0 01 2 0 03 0 0 染料种类分散染料分散染料酸性染料 染色温度 1 0 01 3 01 0 0 第二章实验部分 2 1 实验原料与设备 第二章实验部分 2 1 1 实验原料 聚乳酸切片：美国n a t u r ew o r k s 公司生产，熔融指数为1 2 0 3 2 9 1 0 m i n 。 2 1 2 实验设备 实验室幅宽为0 2 5 m 的小型熔喷设备，如图2 - 1 所示。 ， 进水管 、 1 热空气管道 图2 - 1 熔喷生产设备示意图 2 2 聚乳酸熔喷非织造布的纺制 2 2 1 聚乳酸切片的干燥 卷瓣 超组纤维 采用真空转鼓干燥机在6 0 的条件下将聚乳酸切片干燥4 8 d , 时至规定的含 水量。 2 2 2 工艺参数的设置 根据聚乳酸切片的热性能和流变性能确定螺杆挤出机各区段的温度。然后设 置不同的工艺参数，主要包括热空气参数( 热空气温度和压力) 、狭缝宽度和接 收距离纺制聚乳酸熔喷非织造布。为了便于实验的进行，实验一将接收距离设为 第二章实验部分 定值，热空气温度、热空气压力和狭缝宽度设为变量，其具体的设定值如表2 1 所示。在实验一的基础上，为了便于数学模型的建立，在实验二中把热空气的压 力和狭缝宽度设为定值，把热空气的温度和接收距离设为变量，其具体设定值如 表2 2 所示。 表2 1 热空气参数和狭缝宽度的设定值 热空气压力m p a o 3o 1o 1 80 1 40 1 40 1 5o 1 40 1 5 热空气温度 2 8 03 0 02 5 02 5 02 7 02 8 03 0 02 8 0 狭缝宽度m m o 50 5o 50 30 30 40 40 6 表2 2 热空气温度和接收距离的设定值 热空气温度 2 5 02 7 0 一 2 9 0 接收距离c m 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 , 2 55 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 55 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ， 2 2 3 聚乳酸熔喷非织造布的纺制 在实验室幅宽为0 2 5 m 的小型熔喷设备上纺制聚乳酸熔喷非织造布。在纺丝 前需要对单螺杆熔喷挤出机进行检查，然后组装喷丝头，接通电源并预热，将熔 喷设备的各部分温度调节到所需的温度，恒温3 0 分钟。待各温度稳定后，先打开 计量泵再启动螺杆，缓慢地投入聚乳酸切片清洗螺杆挤出机，去除杂质，避免杂 质堵塞喷丝孔，保证聚乳酸熔喷非织造布的正常生产。然后，再加入切片纺制聚 乳酸熔喷非织造布，投料时应保持入料的均匀性。熔体从喷丝头挤出后，调节螺 杆和计量泵的转速使熔体的挤出量均匀，同时调节热空气的压力使上下两股气 流，使之对称，最终得到各种规格的聚乳酸熔喷非织造布。其具体的工艺流程如 下： 空压机一空气加热器一气体分配装置1 l 一熔喷模头 聚乳酸切片干燥一螺杆挤出机熔融一过滤一计量_ j l 卷绕一接收一冷却一熔体细流拉伸 2 3 测试 2 3 1 原料的测试 1 3 第二章实验部分 ( 1 ) 聚乳酸切片的热性能 本课题采用p e r k i n e l m e rd s c 7 型热分析仪测试聚乳酸切片的热性能。 ( 2 ) 流变性能测试 本课题采用旋转扭矩流变仪进行测试。 在测试聚乳酸切片的流变性能之前，首先需要将切片在真空转鼓干燥机中干 燥4 8 小时至规定的含水量。然后再利用旋转扭矩流变仪测试聚乳酸切片的流变 性能。 2 3 2 聚乳酸熔喷非织造布的测试 ( 1 ) 定量 根据f z t 6 0 0 0 3 - - - - - 9 1 ，采用电子天平进行测试。 ( 2 ) 厚度 根据f z t 6 0 0 0 4 - - - 9 1 ，采用y g - 1 4 1 厚度仪进行测试。 选取均匀的聚乳酸熔喷非织造布1 0 块，用厚度仪进行测试，然后求出平均 值得到产品的厚度。 ( 3 ) s e m 电镜 截取一小块聚乳酸熔喷非织造布进行制样，然后对试样喷金，再把喷金后的 试样放入仪器中进行观察。选取需要观察的部分，调节放大倍数和清晰度获得最 佳效果的图片。 ( 4 ) 拉伸性能测试 根据f z c t 6 ( k 1 0 4 一9 1 ，采用美国i n s t r o n 3 3 6 9 型万能强力仪进行测试。 选取均匀的聚乳酸熔喷非织造布，截取条状试样各1 0 块。试样长度能保证 夹持长度为1 0 0 m m ，宽度为5 0 m m 。将试样一端先放在上夹钳中间，轻轻夹住， 再将另一端放在下夹钳内。启动仪器，进行拉伸性能测试。 ( 5 ) 过滤效率测试 根据g b 6 1 6 f r 8 5 进行测试。 启动仪器，待仪器稳定后，先测量当前每分钟流过的空气中的粒子数，然后 将同一块聚乳酸熔喷非织造布选取比较均匀的不同部分依次夹于钳口下，用激光 尘埃粒子计数器依次记录此时每分钟通过产品的粒子数。根据过滤效率的计算公 式如公式2 1 所示，计算出聚乳酸熔喷非织造布的过滤效率。 过滤效率的计算公式： ，7 ；型1 0 0 ( 2 1 ) 。 c 式中： 第二章实验部分 叩一过滤效率； c 一无样品时每分钟流过的空气中的平均粒子数； 万一夹样品后每分钟流过的空气中的平均粒子数。 ( 6 ) 透气性能测试 根据g b t 5 4 5 3 - - - - 9 7 进行测试。 选取同一块样品较为均匀的部分夹于透气仪的钳口下，依据样品的厚度选择 合适的透气口径，然后启动测试仪器，逐渐加大压力，当达到最大的通风量时记 录下此时所显示的压差a p ，最后依表查出相应的透气量。 ( 7 ) 降解性能测试 选取几块较为均匀的聚乳酸熔喷非织造布，将其埋在土壤中。每隔一个月取 出来进行s e m 电镜测试，观察其降解情况。 第三章结果与讨论 第三章结果与讨论 影响聚乳酸熔喷非织造布的工艺参数有很多，如聚乳酸切片的熔融指数、聚 乳酸切片的干燥质量、熔体的挤出量、螺杆的转速、计量泵的转速、螺杆挤出机 各区段的温度、熔喷模头的温度、热空气的温度、热空气的压力( 速度) 、狭缝 宽度和接收距离等。本课题主要讨论聚乳酸切片的干燥质量、螺杆挤出机各区段 的温度、熔喷模头的温度、热空气的温度、热空气的压力、狭缝宽度和接收距离 对聚乳酸熔喷非织造布结构与性能的影响。 3 1 干燥过程分析 聚乳酸切片在进行熔融纺丝前要进行干燥，使其含水量控制在2 5 0 p p