熔喷非织造技术的研究进展

熔喷非织造技术的研究进展

20世纪50年代初，这种法出现在聚合物直接成网制备非织布的加工方法中。其原理是利用高速高温气流喷吹聚合物熔体使其得到迅速拉伸并逐渐凝固成丝条,从而得到超细纤维,然后将超细纤维收集到集网帘上形成非织造布。比起其他单一非织造工艺生产的产品,由超细纤维所组成的熔喷非织造布在应用特性方面展现出极大的优势。因此,熔喷非织造技术近几十年来发展得非常迅速。近年来,熔喷非织造技术在原料开发和产品应用方面越来越关注生态环保,而在技术方面则更加注重如何进一步减小纤维直径以及各种工艺技术之间的复合。1可再生聚合物材料常规熔喷非织造布生产主要采用聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)等原料。近年来,越来越多的新型原料不断地被开发出来。随着人们环保意识的不断提高,熔喷工艺越来越多地采用可生物降解聚合物原料,比如聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚碳酸亚丙酯(PPC)等。这些材料都具有良好的生物降解性、生物可容性以及原料易获取等特点。孙晖等将PLA与PCL混合,并添加柠檬酸三丁酯(TBC)来增加两者的可混合性,然后采用配有双螺杆挤出机的熔喷设备制得复合熔喷非织造布,并探讨了这种可降解非织造布的微结构、热力学性能和流变行为特点。国外学者将可再生的纤维素纤维用作熔喷非织造布生产原料,制备出了纤维素熔喷非织造布。最近几年,国内研究者们也越来越关注这一方向,逐渐填补了国内这一研究领域的空白。李顺希等对Lyocell熔喷非织造布进行了一系列研究。由于纤维素/N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液(NMMO·H宋军等将1-烯丙基-3甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)与纤维素溶液共混,制得纤维素熔喷非织造布,并探讨了纤维素浓度、模头温度、热气流压力等因素对最终成形纤网的影响。结果显示,在一定范围内,随着模头温度的升高和气流压力的增大,纤维变得越来越细,纤网质量也越来越好,而增加纤维素浓度时,纤维直径会变大。李春花等将纤维素浆粕溶解于NMMO中,采用熔喷法制备了纤维素熔喷非织造布。2提高非纺织技术2.1辅助喷嘴结构参数对纤维直径的影响熔喷非织造布的纤维越细,产品的各种性能也会越好。因此,熔喷工艺中纤维细化的问题一直是国内外研究者们研究的重点。Shambaugh等研究了熔喷工艺过程中空气射流速度的“平台现象”,并发现这种现象有利于纤维的细化。陈廷等在双槽形喷嘴下方加装了一个先缩后扩的辅助喷嘴,如图1所示,发现加装辅助喷嘴能有效减小纤维直径。这是因为辅助喷嘴能够有效减缓气流速度的逸散,使聚合物熔体得到更加充分的拉伸,从而减小纤维直径。成园玲对辅助喷嘴的形状、结构参数进行了初步设计,并建立了主、辅喷嘴组合流场的数学模型,进行了数值模拟和实验验证,为深入研究加装辅助喷嘴后对最终成网纤维直径的影响奠定了基础。此后,承婷婷又对辅助喷嘴进行了优化设计,得到了主拉伸区平均速度与喉部宽度、缩扩比、入口宽度、出口宽度等因素之间的关系,为探索辅助喷嘴结构参数对纤维直径的影响提供了依据。辛三法等尝试增加双槽形熔喷工艺中的外沿长度,并用数值计算方法研究了这种改变对气体流场特征的影响,为探索外沿长度对最终纤维直径的影响提供了依据。此后,王玉栋等尝试在双槽形熔喷模头空气射流槽下方外沿处添加2个稳定片附件,用以减少射流速度双回流区的能量分散,期望借此能形成更细的纤维。2.2复合技术2.2.1静电防护材料熔喷工艺与其它生产工艺之间的复合已成为熔喷技术发展的一个重要趋势。传统的复合技术有纺粘熔喷复合非织造技术,这种复合加工工艺将两种加工工艺所生产产品的优劣进行互补,能够解决熔喷非织造布中纤维取向度低、强力不高等问题。近年来,熔喷工艺越来越多地与驻极工艺相结合,使熔喷非织造布具有静电效果,能够有效归集和阻隔微小颗粒,从而增强其过滤效果。Brochocka等研究了一种通过把各种具有静电能力的添加剂添加到聚丙烯中从而改善熔喷驻极非织造布过滤性能的方法。这项研究将琥珀颗粒与珍珠岩粉末加入到聚合物熔体中,采用熔喷工艺与聚合物熔体一起喷出,形成非织造布。研究表明,这种方法能够增强静电干扰效果,从而改善用于纳米颗粒过滤的熔喷驻极非织造布的过滤效果。国内天津泰达洁净材料有限公司采用熔喷工艺与驻极工艺相结合生产的口罩材料,其过滤效率高达99.99%,据称超过世界知名的3M公司,可应用于无菌室滤布、抗菌防尘口罩和防甲型H1N1医用隔离服等。2.2.2碳纳米管的阻燃整理传统的熔喷非织造布生产原料的复合主要有PET/PA6、PE/PP、PE/PET、PP/PA等,且都已制备出熔喷非织造布。近几年,国内外研究者们越来越关注利用各种新型原料进行复合。此外,在熔喷原料中加入一些特定的添加剂,能得到独特的应用性能,如添加氯化银粒子,能够提高非织造布的抗菌活性;添加碳纳米管,能够提高非织造布的导热性等。田政将聚碳酸亚丙酯与聚丙烯切片熔融共混,制成聚碳酸亚丙酯/聚丙烯原料切片,用于制备可生物降解的熔喷非织造布。这样既发挥了聚碳酸亚丙酯可降解和高阻隔等优点,又利用聚丙烯良好的力学性能和热学性能弥补了PPC热稳定性差的缺点,达到优势互补。朱裴超等研究了聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸共聚酯)(PHBV)与聚乳酸共混体系的结构与相容性,为将这种共混溶液制成熔喷非织造布提供了参考。Krucinska等将聚丙烯与聚己内酯混合后再加载多层碳纳米管(MWCNTs),采用熔喷工艺制出了一种新型热敏非织造布,可以作为测试人体温度传感器的附属材料。在这项研究中,3种不同聚合物组分同时存在于熔喷加工过程中,使聚合物分散相的比例很大,而MWCNTs的组分比例分布范围在1.2%~2%之间。由这些组分所构成的熔喷非织造布的热敏性通过测试其静电性能来表征。3熔喷非织造布由于熔喷非织造布的纤维很细,同时熔喷非织造布具有很大的比表面积和孔隙率,故其在过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性等应用特性方面具有独特的优势。熔喷非织造布广泛应用于过滤材料、吸声材料、保暖材料、吸油材料、医疗卫生材料等领域。目前,各种复合熔喷非织造布逐渐被应用于呼吸保护设备。Brochocka等研究了基于熔喷非织造布的能够阻隔纳米颗粒的呼吸保护装置。他们主要是添加了一种具有静电能力的添加剂,凭借静电效应捕集微细颗粒并阻隔来达到呼吸保护的效果。Majchrzycka研究了将具有生物活性的非织造布用于设计防悬浮微生物的呼吸保护设备的方法。这些材料具有两种性能:防悬浮微生物的高效过滤性能以及能够杀灭被阻隔在非织造布中微生物的能力。研究发现,非织造布的防悬浮微生物的过滤有效性与通过添加杀菌剂能够达到同样的效果。Gutarowska等将含有季铵盐的消毒剂T99-19加入到熔喷加工过程中,研究所生产的非织造布的抗菌性与过滤性。结果表明,这种添加了消毒剂的熔喷非织造布可以用来生产半面罩式呼吸防护器,用以保护暴露在微生物环境中的工作人员。4生活可生物降解材料与技术的开发随着人们环境保护意识的不断加强以及工业技术的不断发展,熔喷非织造技