熔喷超细纤维在高效保暖材料中的应用

熔喷超细纤维在高效保暖材料中的应用

随着人们对“健康生活”的追求，所有国家都致力于开发对人们健康生活没有影响的材料。聚乳酸(PLA)1制备工艺1.1聚醚改性聚氧乙烯醚弹性体原料:PLA聚合物母粒(美国Natureworks公司),相关性能见表1.聚酰胺弹性体(PAE),是聚酰胺(polyamide)与聚醚(聚氧乙烯醚)(polyether)以嵌段式结合而产生的一种弹性体.本实验选用商品名为PEBAX4033,由法国AtofinaChemicals公司生产的PAE弹性体,其结构式如图1所示.该弹性体具有优良的加工性能,超轻的材质,极佳的加工流动性能,且允许加工温度相较于一般弹性体更为广泛.支撑纤维选用市场上常见的PLA长丝,单丝强力较低,复丝具有较好的力学性能.1.2试验仪器和仪器实验设备:SZSJ-10双螺杆共混挤出机,武汉瑞鸣塑料机械有限公司;SZ-15实验室微型注塑机,武汉瑞鸣塑料机械有限公司;DZF-6090真空干燥箱,上海三发科学仪器有限公司;ROC-MB300熔喷实验成套设备,南通丽洋新材料开发有限公司-南通大学联合研制.工艺参数:相关设备的实验设定参数见表2和表3.1.3熔喷超细纤维与长丝的复合将加捻后的长丝解捻平行排列于熔喷喷丝口处,示意图如图2.熔融后的聚合物在高速高温气流牵伸下抽长拉细直至断裂,形成杂乱排列的超细纤维熔喷布.用平行排列的长丝替代输网帘,熔喷纤维在与长丝接触后复合形成具有羽绒形状的保暖材料.采用长丝加载复合技术,使熔喷纤维缠结在长丝上,从而形成绒枝与小绒枝结构.长丝可选用蓬松卷曲的多根纤维束,卷曲的纤维束形成了类似中空的绒枝,起到支撑作用,且增加了熔喷材料内部的空气含量,提高了熔喷材料的保暖性能.2材料的性能试验和分析2.1熔喷超细纤维小绒枝的制备PLA/PAE共混时,在PAE的质量分数为10%的配比下,其能够均匀地分散在PLA基体中.另外,两相材料流动性与挤出胀大程度不同,能够有效改善纤维表面形态.在此配比下通过制备熔喷非织造保暖材料,考察其表面形态,如图3所示,在长丝纤维束周围包覆着大量超细纤维,整体结构类似羽绒(见图4).这是由于聚合物经喷丝口喷覆到长丝纤维上时,高温的气流使聚合物还处于熔融状态,自黏结性充分保证了两者的黏结强度.另外由于平行排列的长丝之间存在一定的空隙,高温的气流对聚合物再次拉伸,从而形成了以长丝为支干,熔喷超细纤维为小绒枝的仿羽绒材料.且熔喷仿羽绒材料纤维更致密,孔隙小,表面能大,形成具有空气囊作用的结构,有利于减小材料表面及内部空气的流动,从而提高保暖效果.在熔喷仿羽绒高效保暖材料的纤维表面有许多纵向条纹或纵向沟槽(见图5),这种形态结构与羽绒小绒枝表面形态结构相类似(见图6).该结构可能是因为PLA与PAE在离开喷丝口时,由于剪切速率和剪切应力迅速减小,由此产生的弹性回复和应力松弛造成的挤出胀大存在差异,挤出后胀大较小的就形成了凹槽.该纤维结构可以使材料产生优异的毛细效应,因此该材料具有很好的吸湿透气性.由于吸湿性很好,所以质量比电阻较小,纤维同时具有较好的抗静电性.2.2熔喷材料的纤维结构对测试材料进行电镜扫描后,在其图片选取100个不同的位置直接进行直径测量并作概率统计,数据如图7所示.由图中可以看出,熔喷材料纤维的主体直径分布在2~8μm之间,比羽绒小绒枝的直径要小.熔喷技术是将熔融后的聚合物通过高温高速气流喷吹,使熔体受到极度拉伸而形成超细纤维.在改变熔喷气流工艺参数的基础上,可以得到0.5μm甚至更细的纤维.熔喷仿鹅绒保暖材料具有超细纤维结构,可使保暖材料手感更好,类似薄膜却透气透湿.2.3试样尺寸及尺寸对加工好的PLA/PAE熔喷仿鹅绒高效保暖材料进行保温透气性能测试.保温测试采用YG606N织物保温性能测试仪,试样尺寸300mm×300mm;保暖材料透气性实验采用YG(B)461E数字式织物透气性能测试仪,测试压差为100Pa.测试样本数均为20,取平均值,实验数据如表4所示.从表4可以看出,此高效保暖材料保温性能良好.这是由于随着克重的增加,材料的厚度增加,此工艺下材料独特的结构形成的空气层也在随之变厚,因此保暖效果显著.2.4熔喷材料的拒水效果采用JC2000C接触角测量仪(座滴角法)测试接触角.由测试结果可知,熔喷仿鹅绒高效保暖材料与水的接触角约为130°(如图8a),羽绒与水的接触角为140°以上(如图8b).羽绒由于其表面有一层三磷酸酯,所以能够达到很好的拒水效果.熔喷保暖材料因其微细化纤维结构,使材料更致密,且材料表面存在大量细短绒毛,类似荷叶,从而表现出拒水效果与羽绒相似.虽材料的拒水效果与其透湿效果看似矛盾,实则一是因为熔喷仿鹅绒保暖材料独特的表面结构,二是因为纤维细且孔径小,不能让水分子通过,但水蒸气可以通过.因此,熔喷仿鹅绒保暖材料能够完美继承羽绒的优点并替代羽绒.3熔喷仿鹿绒材料的性能1)PLA/PAE共混时,在PAE的质量分数为10%的配比下,其能够均匀地分散在PLA基体中.另外两相材料流动性与挤出胀大程度不同,能够有效改善纤维表面形态.2)熔喷仿鹅绒保暖材料的制备,可以选用长丝加载复合技术,使熔喷纤维缠结在长丝上,从而形成绒枝与小绒枝结构.3)熔喷仿鹅绒高效保暖材料纤维直径分布在2~8μm之间,与羽绒绒朵纤维直径相似.纤维直径小,孔径小,具有高孔隙率,表面能大,形成微小的空气囊,