CN101122065B - 全降解乳酸聚合物纺粘长丝无纺布及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全降解乳酸聚合物纺粘长丝无纺布，它由平均纤维细度为0.12～1mm的聚乳酸纤维铺成的纤网热轧粘合而成，其单位面积质量为25～100g/m2，厚度为0.1～0.5mm，纵向延长性为12～16％，横向延长性为15～21％。本发明还公开了这种全降解乳酸聚合物纺粘长丝无纺布的制备方法。本发明具有良好的生物可降解性的特征，同时具有生物堆肥的能力，物理机械性能由于传统的PET；所使用的在分子量范围内的切片在喷长丝过程中状态稳定，对温度变化敏感度低，纺丝连续性和稳定性良好；适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种以聚乳酸为原料用长丝纺粘的方法获得的全降解乳酸聚合物无纺布以及其制备方法。
背景技术
随着社会环保意识的加强，可生物降解聚合物的开发和应用已引起人们极大的关注。聚乳酸(PLA)是化学合成可生物降解脂属聚酯的代表，它具有良好的生物相容性和安全性，对人体无毒无害，在体内及自然环境中逐渐降解，最终成为二氧化碳和水。此外，聚乳酸的单体为乳酸，它是由可再生资源淀粉(从玉米、小麦和马铃薯中提取)经发酵而成，原料来源十分丰富。
聚乳酸纤维一般可通过溶液纺丝法或熔融纺丝法制备。但是迄今为止，长丝纺粘的非织造布目前只有日本东丽(TORAY)公司能够进行商业化生产。这是因为聚乳酸是热塑性聚合物，在高温下容易解聚，因此在用它进行熔融纺丝，对于温度的要求极为严格，否则不能保证正常的出丝。
东华大学的ZL200410017776.0公开了一种超细聚乳酸纤维非织造布，可能是由于为了适于医学(血液过滤的特殊要求)的原因，它未对现有无纺布设备进行改造而直接采用现有的无纺布工艺，这种未充分考虑聚乳酸特性的方法基本上不可能制备常规的聚乳酸纤维，而只能在提高温度的基础上尽可能制成超细聚乳酸纤维以制备无纺布，但无纺布的厚度0.6～1.4mm又基本上抵消上采用超细纤维所带来的好处。另外它在温度控制和出丝速度上都无法适应大规模工业化生产。从而成本高昂，无法适应市场的价格承受能力。
发明内容
本发明的目的是克服聚乳酸纤维难以纺织的难题，打破现有聚乳酸无纺布的国际垄断格局，尽量利用现有非织造布的设备并加以改进，从而提供一种可以市场大批量生产的全降解乳酸聚合物纺粘长丝无纺布。
本发明的另一目的是提供一种通过改进现有的非织造布设备即可制备全降解乳酸聚合物纺粘长丝无纺布的方法。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种全降解乳酸聚合物纺粘长丝无纺布，它由平均纤维细度为0.12～1mm的聚乳酸纤维铺成的纤网热轧粘合而成，其单位面积质量为25～100g/m2，厚度为0.1～0.5mm，纵向延长性为12～16％，横向延长性为15～21％。
该无纺布的纵向拉力为70～300N/5cm，横向拉力为10～70N/5cm；纵向5％模数为50～240N/5cm，横向5％模数为5～50N/5cm。其不等边四边形撕裂强度为：纵向5～40N，横向15～90N；单边系数撕裂强度为：纵向2～8N，横向3～14N。其空气渗透性为20～190cc/cm2/sec。
一种全降解乳酸聚合物纺粘长丝无纺布的制备方法，其特征在于先将聚乳酸切片充分干燥后，在150～200℃下挤压熔融并过滤，将熔体在160～220℃下经过孔径为0.1～1mm(优选0.2～0.4mm)的喷丝板以500～1000m/min的速度喷出连续的初生纤维，再将初生纤维经过气流拉伸形成的长丝均匀铺成纤网，通过热轧辊粘合作用在长丝间形成粘合点，从而制成非织造无纺布。
上述聚乳酸切片的平均分子量为8～15万，熔融指数为20～25，熔点为170～200℃，热裂解温度为280～350℃。
初生纤维进行气流拉伸时，或通过多套喷丝板狭缝气流拉伸，或通过整体矩形喷丝板狭缝正压拉伸，或通过整体矩形喷丝板狭缝负压拉伸。气流拉伸时，冷却空气温度为10～30℃，优选为20～27℃；湿度为30～80％，优选为40～60％；拉伸气流风速为0.2～0.6m/s，优选为0.3～0.5m/s。
本发明所用的乳酸聚合物化学结构通式如下：
其中X为800-2000，其均分子量在3万到15万，本发明所需聚乳酸切片的分子量最少为8万，推荐10万以上，熔融指数为20-25，熔点为170-200℃，热裂解温度为280-350℃。
本发明所需聚乳酸切片的分子量最少为8万，推荐10万以上，熔融指数为20-25，熔点为170-200℃，热裂解温度为280-350℃。将满足上述条件的聚乳酸(PLA)切片通过专业干燥设备进行充分干燥，否则不能投入挤出-纺丝设备，(原因是由于聚乳酸(PLA)的物理密度＞1，在通常保管情况下，极易吸收空气中的水份，如将未干燥的切片投入设备，将无法挤出连续不断的长丝)。
将充分干燥后的聚乳酸(PLA)切片投入挤出-纺丝设备，在如下的条件下熔融纺丝：螺杆挤出温度在150-200℃，箱体温度在160-220℃，纺丝速度大于500m/min，侧吹风温度10-30℃，优化在20-27℃，湿度：30-80％，优化在40-60％，拉伸气流风速0.2-0.6m/s，优化0.3-0.5m/s。
PLA切片经过熔融，挤出，过滤，由计量泵控制，从孔径O.1-1mm的喷丝板喷出(最优为0.2mm-0.4mm)，连续不断的长丝经过气流拉伸，空气冷却及分丝系统-牵伸(真空牵伸或正压拉伸)，有续的长丝在运行中的成网帘上形成纤网。该纤网送进热轧机，热轧机有一对垂直排列的轧辊，上辊刻有固定花纹，纤网在两轧辊间靠热能和压力的作用在花纹凸起部分形成轧实的粘合点，从而形成具有一定强度的非织造布。热轧后的非造布经一对冷却辊冷却后再经张力调节装置，在切边卷绕机上形成非织造布卷材。该卷装非织造布还可根据需要在分切机上进行分切，达到用户要求的宽度。成品的纤网孔径可根据纤网的排列和热轧机的花纹具体调整。
本发明的成品相关数据如下：
其中MD为纵向，CD为横向。
本发明具有如下优点：
1.制备此无纺布的原料聚乳酸(简称：PLA)具有良好的生物可降解性的特征，同时具有生物堆肥的能力(PLA降解过程的中间产物能促进植物生长，因此可用于堆肥)，同时物理机械性能由于传统的PET。
2.所使用的在分子量范围内的切片在喷长丝过程中状态稳定，对温度变化敏感度低，纺丝连续性和稳定性良好。
3.纺粘长丝工艺简单，便于控制，可在现有PET设备上进行改造。
4.成品无纺布，表面均匀，可根据轧筒定制图案或花型。
5．本发明的方法适合工业化生产，成品宽度可以从1.10m～2.40m不等(根据机台)以适应不同需求。
附图说明
图1为制备方法中连续式干燥流程图。
其中，A1-料仓，A2-干燥塔，A3-干空气加热器，A4-进风风机，A5-吸风风机，A6-旋风分离器，A7-热交换器，A8-脱湿器，A9-水分离器，A10-空气冷却器，A11-空气过滤器，A12-出料口，A13-粉末出口，M-电动机，PI-压力表，PDI-压差表，FI-流量计。
图2为多套喷丝板狭缝气流拉伸示意图。
其中，B1-纺丝箱体，B2-冷却箱体，B3-摆丝辊，B4-压网辊，B5-成网帘，B6-抽风装置。
图3为整体矩形喷丝板狭缝正压拉伸示意图。
其中，C1-纺丝箱体，C2-冷却箱体，C3-狭缝式拉伸装置，C4-静电分丝器，C5-压网辊，C6-成网帘，C7-抽风装置。
图4为整体矩形喷丝板狭缝负压拉伸示意图.
其中，D1-纺丝箱体，D2-双冷却箱体，D3-压网辊，D4-成网帘，D5-抽风装置。
图5为纺粘长丝整套设备生产流程示意图
其中，E1-纺丝成网部分的挤出机，E2-计量泵，E3-气流冷却拉伸及分丝装置，E4-成网系统，E5-熔喷系统的挤出机，E6-计量泵，E7-熔喷模头系统，E8-退卷装置，E9-熔喷成网装置，E10-热轧复合装置，E11-切边卷绕装置。
具体实施方式
实施例1
将聚乳酸(PLA)切片(分子量为10万，熔融指数为20-25，熔点为180℃，热裂解温度为300℃)通过连续式干燥设备进行充分干燥，经风机将切片由料槽吸到纺前料斗，送料过程为间歇式自动给料。切片由纺前料斗靠自重落入螺杆挤压机，挤压机套筒分区加热。切片在挤压机中挤压熔融后进入连续式预过滤器，再进入纺丝箱体。熔体经计量泵进入纺丝头，靠计量泵准确的计量，将熔体定量的输送到喷丝板，并经0.2mm喷丝孔形成连续的熔体细流，即初生纤维。其中螺杆挤出温度在180℃，箱体温度在160-220℃，纺丝速度800m/min，初生纤维再经多套喷丝板狭缝气流拉伸，其中冷却空气温度20℃，空气湿度50％，拉伸气流速度0.4m/s，长丝束经摆丝辊往复摆动，均匀地铺放在运行中的成网帘上形成纤网。该纤网送进热轧机，热轧机有一对垂直排列的轧辊，上辊刻有固定花纹，纤网在两轧辊间靠热能和压力的作用在花纹凸起部分形成轧实的粘合点，从而形成具有一定强度的非织造布。热轧后的非造布经一对冷却辊冷却后再经张力调节装置，在切边卷绕机上形成非织造布卷材。该卷装非织造布还可根据需要在分切机上进行分切，达到用户要求的宽度，成品平均纤维细度为0.1mm，编号M2030-1L。
实施例2
将满聚乳酸(PLA)切片(分子量13万，熔融指数为20-25，熔点为170℃，热裂解温度为280℃)通过连续式干燥设备进行充分干燥，经风机将切片由料槽吸到纺前料斗，送料过程为间歇式自动给料。切片由纺前料斗靠自重落入螺杆挤压机，挤压机套筒分区加热。切片在挤压机中挤压熔融后进入连续式预过滤器，再进入纺丝箱体。熔体经计量泵进入纺丝头，靠计量泵准确的计量，将熔体定量的输送到喷丝板，并经1mm喷丝孔形成连续的熔体细流，即初生纤维。其中螺杆挤出温度在150℃，箱体温度在160-220℃，纺丝速度550m/min，初生纤维再经整体矩形喷丝板狭缝正压拉伸，其中冷却空气温度20℃，空气湿度40％，拉伸气流速度0.3m/s，长丝束经静电分丝器，均匀地铺放在运行中的成网帘上形成纤网。该纤网送进热轧机，热轧机有一对垂直排列的轧辊，上辊刻有固定花纹，纤网在两轧辊间靠热能和压力的作用在花纹凸起部分形成轧实的粘合点，从而形成具有一定强度的非织造布。热轧后的非造布经一对冷却辊冷却后再经张力调节装置，在切边卷绕机上形成非织造布卷材。该卷装非织造布还可根据需要在分切机上进行分切，达到用户要求的宽度，成品平均纤维细度为0.9mm，编号M2050-1L。
实施例3
将聚乳酸(PLA)切片(分子量8万，熔融指数为20-25，熔点为200℃，热裂解温度为350℃)通过连续式干燥设备进行充分干燥，经风机将切片由料槽吸到纺前料斗，送料过程为间歇式自动给料。切片由纺前料斗靠自重落入螺杆挤压机，挤压机套筒分区加热。切片在挤压机中挤压熔融后进入连续式预过滤器，再进入纺丝箱体。熔体经计量泵进入纺丝头，靠计量泵准确的计量，将熔体定量的输送到喷丝板，并经0.3mm喷丝孔形成连续的熔体细流，即初生纤维。其中螺杆挤出温度在200℃，箱体温度在160-220℃，纺丝速度1000m/min，初生纤维再经整体矩形喷丝板狭缝负压拉伸，其中冷却空气温度27℃，空气湿度60％，风速0.5m/s，长丝束由于负压拉伸作用，均匀地铺放在运行中的成网帘上形成纤网。该纤网送进热轧机，热轧机有一对垂直排列的轧辊，上辊刻有固定花纹，纤网在两轧辊间靠热能和压力的作用在花纹凸起部分形成轧实的粘合点，从而形成具有一定强度的非织造布。热轧后的非造布经一对冷却辊冷却后再经张力调节装置，在切边卷绕机上形成非织造布卷材。该卷装非织造布还可根据需要在分切机上进行分切，达到用户要求的宽度，成品平均纤维细度为0.2mm，编号M2080-1L。
实施例4
将聚乳酸(PLA)切片(分子量11万，熔融指数为20-25，熔点为190℃，热裂解温度为310℃)通过连续式干燥设备进行充分干燥，经风机将切片由料槽吸到纺前料斗，送料过程为间歇式自动给料。切片由纺前料斗靠自重落入螺杆挤压机，挤压机套筒分区加热。切片在挤压机中挤压熔融后进入连续式预过滤器，再进入纺丝箱体。熔体经计量泵进入纺丝头，靠计量泵准确的计量，将熔体定量的输送到喷丝板，并经0.4mm喷丝孔形成连续的熔体细流，即初生纤维。其中螺杆挤出温度在180℃，箱体温度在160-220℃，纺丝速度800m/min，初生纤维再经整体矩形喷丝板狭缝负压拉伸，其中冷却空气温度20℃，空气湿度50％，风速0.4m/s，长丝束由于负压拉伸作用，均匀地铺放在运行中的成网帘上形成纤网。该纤网送进热轧机，热轧机有一对垂直排列的轧辊，上辊刻有固定花纹，纤网在两轧辊间靠热能和压力的作用在花纹凸起部分形成轧实的粘合点，从而形成具有一定强度的非织造布。热轧后的非造布经一对冷却辊冷却后再经张力调节装置，在切边卷绕机上形成非织造布卷材。该卷装非织造布还可根据需要在分切机上进行分切，达到用户要求的宽度，成品平均纤维细度为0.3mm，编号为M2100-1L。
Claims (5)
1.一种全降解乳酸聚合物纺粘长丝无纺布，其特征在于它由平均纤维细度为0.12～1mm的聚乳酸纤维铺成的纤网热轧粘合而成，其单位面积质量为50～100g/m2，厚度为0.282～0.5mm，纵向延长性为15.5～17.2％，横向延长性为20～21％；该无纺布的纵向拉力为142～300N/5cm，横向拉力为33～70N/5cm；纵向5％模数为105～240N/5cm，横向5％模数为20～50N/5cm；制备该无纺布所采用的聚乳酸切片的平均分子量为8～15万，熔融指数为20～25，熔点为170～200℃，热裂解温度为280～350℃。
2.一种如权利要求1所述的无纺布的制备方法，其特征在于先将聚乳酸切片充分干燥后，在150～200℃下挤压熔融并过滤，将熔体在160～220℃下经过孔径为0.1～1mm的喷丝板以500～1000m/min的速度喷出连续的初生纤维，再将初生纤维经过气流拉伸形成的长丝均匀铺成纤网，通过热轧辊粘合作用在长丝间形成粘合点，从而制成非织造无纺布；
其中初生纤维进行气流拉伸时，冷却空气温度为10～30℃，湿度为30～80％，拉伸气流风速为0.2～0.6m/s。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的喷丝板的孔径为0.2～0.4mm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于初生纤维进行气流拉伸时，或通过多套喷丝板狭缝气流拉伸，或通过整体矩形喷丝板狭缝正压拉伸，或通过整体矩形喷丝板狭缝负压拉伸。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于初生纤维进行气流拉伸时，冷却空气温度为20～27℃，湿度为40～60％，拉伸气流风速为0.3～0.5m/s。
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