CN101724982A - 一种poss改性聚丙烯熔喷非织造布及制备方法 - Google Patents

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程博闻
宋晓艳
康卫民
刘亚
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Abstract

本发明涉及一种多面体倍半硅氧烷(POSS)改性聚丙烯熔喷非织造布及其制备方法。该非织造布由POSS改性聚丙烯熔喷纳微纤维；所述纤维的质量百分比组方为：PP 93～99％，POSS 1～7％。该非织造布制造方法采用本发明所述的纤维质量百分比组方和如下工艺步骤：(1)先将POSS加入到聚丙烯制备聚丙烯功能母粒；(2)制备含POSS的聚丙烯熔喷非织造布；(3)最后将所得非织造布用高压电晕放电驻极处理电晕放电驻极，制备出所述的POSS改性聚丙烯熔喷非织造布。本发明非织造布力学性能和过滤效率均得到明显提高，可用于耐久高效过滤材料，同时可应用于保温材料、抗菌医用材料和吸油材料等。

Description

一种POSS改性聚丙烯熔喷非织造布及制备方法
技术领域
本发明涉及非织造布技术，具体为一种POSS改性聚丙烯熔喷非织造布及制备方法。
背景技术
熔喷非织造布是将高聚物切片通过螺杆挤出机使其熔融，经过喷丝孔将其喷出成为纤维状，并在高速热气流的喷吹下，使之受到强大拉伸，形成极细的纤维，这些纤维在成网帘上相互粘连成为非织造布。熔喷非织造布纤维纤细，表面积相对较大，具备作为理想空气过滤材料的条件。目前国际上一致认为熔喷非织造布(无纺布)是制作空气过滤器驻极体的最佳材料，国内主要采用的熔喷非织造布是熔喷聚丙烯纤维。
熔喷非织造布的捕尘机理主要依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、直接拦截等机械阻挡作用，但这些机械阻挡作用对粒径小于1μm以下的粒子(特别粒径范围0.1～0.25μm之间的粒子)过滤效果很差，不能起到净化作用。如果除原有的机械阻挡作用外，在空气过滤的过程中增加静电吸附，依靠库仑力直接吸引气相中的带电微粒并将其捕获，或诱导中性微粒产生极性再将其捕获，就可以更有效地过滤气体载体相中的亚微粒子，大大增强过滤效率，而空气阻力却不会增加。这就是所谓的高效低阻过滤材料。驻极体材料恰好具有这一性质。
驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料，它所储存的电荷可以是外界注入的单极性真实电荷(或称空间电荷)，也可以是极性电介质中偶极子有序取向而形成的偶极电荷，或者两类电荷同时兼有。当熔喷法纤维从喷孔喷出纤维后，若受到带电质子如电子或离子的轰击，就可以使得熔喷法纤维基材成为驻极体；同样，当微纤维基材收集以后，使其受到电晕处理，也可使其成为驻极体。关于给非织造布纤维网充电使之成为驻极体已有许多相关专利报道。例如，Klaase等在美国专利US 4588537中报道：采用电晕处理，可以使电荷注射入到驻极体过滤器中。Kubik等在美国专利US 4215682中指出：熔喷法纺制的纤维在刚从熔喷孔挤出之时，即受到离子辐射及电子轰击，可以使该纤维在大气中以极快的速度固化，并被收集成为驻极体纤维网。Matsuura等在美国专利US 5256176中揭示：通过将驻极体暴露于施加电荷的交替循环中，接着加热制品来制造稳定驻极体的工艺方法。Angadjivand等在美国专利US 5496057中指出：冲击非织造布微纤维网的水滴，使网带电。其它涉及纤网充电和纤维带电专利还有美国No.4904174，No.4592815和No.5122048等。
但现有驻极体熔喷非织造布存在电荷储存性能较差的不足，特别是在较高温度或较大湿度的环境下使用电荷很快就会衰减，甚至消失，驻极耐久性差，很大程度上影响了产品的使用寿命。且由于熔喷工艺特点决定了该非织造布力学性能较差，不能单独用于过滤器件制备，往往需要与纺粘非织造布或其他非织造布复合后用于过滤器件。因此，熔喷非织造布的力学及其驻极耐久性能有待于进一步提高。
通过加入成核剂或无机粒子，可以提高驻极体的电荷储存特性，例如，LeonidAT等研究指出(参见美国专利6858551B1)，将具有铁电效应的钛酸钡微粒添加到熔喷聚丙烯非织造布中，并通过电晕驻极来提高其过滤性能。程博闻等发明了一种电气石改性聚丙烯复合驻极熔喷超细纤维非织造布(参见ZL200310107113.3)，该复合驻极体聚丙烯熔喷非织造布的过滤性能优于常规驻极聚丙烯熔喷非织造布，对直径小于0.26μm粒子，在过滤阻力为7Pa时，过滤效率达95.8％，但是其拉伸强度和断裂伸长率均有所下降。
多面体倍半硅氧烷(POSS)是一种新型的分子级纳米无机材料，引起了人们的广泛重视，特别是笼型结构的多面体齐聚倍半硅氧烷POSS(RSiO1.5)8倍受关注。由于其带有可反应性和非反应性的有机官能团，与有机物材料相容性好，在聚合物基体中的分散性好，可应用于制备高强耐热的聚合物/POSS纳米复合材料。众所周知，二氧化硅是国内外研究比较多的无机驻极体材料，由于POSS和二氧化硅结构相近赋予了其作为驻极体材料的基本特性。在POSS材料中存在着两种空隙，即POSS立方体内的孔隙和立方体间的空隙多孔，这种多孔结构有利于捕捉电晕放电产生的空间电荷，将大大改善材料的驻极效果。
本发明将POSS纳米粒子加入到聚丙烯中制备聚丙烯/POSS功能母粒，然后采用熔喷法制备出力学性能优异的POSS改性聚丙烯熔喷超细纤维非织造布，该非织造布经过电晕放电驻极处理开发出新型高效耐久驻极过滤材料，这方面的研究国内外还没相关报道。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是提供一种POSS改性聚丙烯熔喷非织造布及制备方法。该非织造布具有较好的力学性能，手感柔软、蓬松度高、保暖性能好、过滤效率高等优点，且制备方法工艺简单，成本低，工业化实施容易，产品容易创新等特点。
本发明解决所述制备方法的技术方案是：设计一种POSS改性聚丙烯熔喷非织造布，其质量百分比组方为：
POSS    1～7％；
PP      93～99％。
所述POSS改性聚丙烯熔喷非织造布，其特征由POSS改性聚丙烯熔喷超细纤维制成，其纤度范围为1～10μm；所述POSS为乙烯基七环戊基POSS、苯基七环戊基POSS、八乙烯基POSS或八苯基POSS。
同时设计的该POSS改性聚丙烯熔喷非织造布的制备方法，包括如下步骤：
(1)POSS改性聚丙烯功能切片的制备，先将POSS与聚丙烯切片按一定比例倒入高速混合机混合30分钟左右，再将混合好的原料加入双螺杆配混挤出机，在130℃左右温度下熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒，即得POSS改性聚丙烯功能切片。
(2)制造熔喷非织造布，将POSS改性聚丙烯功能切片直接喂入到螺杆挤出机内，在250～280℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧250～280℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷超细纤维，并在接收装置上靠其自身余热加固成所述的熔喷非织造布。
(3)电晕放电驻极，将非织造布用高压电晕放电驻极处理，驻极电压10～30kV，驻极距离2～4cm，得到POSS改性聚丙烯熔喷非织造布。
本发明鉴于POSS具备了本身可以作为增强材料和驻极材料的双重特性。将POSS加入聚丙烯中制备聚丙烯熔喷超细纤维非织造布，该纤维具有力学性能优良，纤维细，手感柔软和透气性能好的特点，且经电晕放电处理后驻极效果更佳，驻极耐久性优良，更适宜做过滤材料。该产品制备工艺简单，实施成本低，工业化推广容易。
与现有的产品相比，本发明的POSS改性聚丙烯熔喷非织造布的力学性能和过滤性能均得到显著提高，是一种综合性能优异的驻极体过滤材料。实验表明，含质量百分比5wt％POSS的50g/m2改性熔喷聚丙烯非织造布的拉伸强度、断裂伸长率及过滤性能明显优于常规聚丙烯熔喷非织造布，其纵向、横向断裂强度分别高达40N/5cm、31N/5cm，对粒径为0.26μm以下粒子的过滤效率高达90％以上(参见实施例4)。
附图说明
图1为本发明的POSS改性聚丙烯熔喷非织造布制备方法工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
本发明改性熔喷非织造布设计了在PP树脂中加入适量比例的纳米POSS粒子。
多面体倍半硅氧烷(POSS)是一种新型的真正分子级纳米复合材料的无机纳米粒子，具有经典的分子式RSiO1.5，数量上O∶Si＝1.5∶1即为“倍半”，其中R可以是烷基，烯基，芳基，亚芳基，或其它有机官能化衍生物。除无序结构外，通过超分子自组装，其形态可具有梯形结构，笼型结构和半笼型结构。其中，笼型倍半硅氧烷齐聚物(POSS)结构稳定，对称性非常强，质轻、直径为1-3nm，分子量可达1000，硬度高，耐热温度高，是一种优异的无机纳米粒子。其结构和二氧化硅类似，都由硅氧多元环形成的立方多面体组成，以笼形倍半硅氧烷中的六面体倍半硅氧烷最为典型。根据官能度的不同分为单官能化和多官能化POSS，其结构对称性非常强，六面体的每个面都由硅氧八元环组成，和二氧化硅类中的多孔沸石或分子筛的结构最为相近，具有良好的驻极特性。
本发明设计的一种POSS改性聚丙烯熔喷非织造布，其质量百分比组方为：
POSS    1～7％；
PP      93～99％。
所述POSS改性聚丙烯熔喷非织造布，其特征由POSS改性聚丙烯熔喷超细纤维制成，其纤度范围为1～10μm；所述POSS为乙烯基七环戊基POSS、苯基七环戊基POSS、八乙烯基POSS或八苯基POSS中的一种。
熔喷技术特点规定了组成该非织造布纤维具有纤维细，手感柔软、透气性能好和屏蔽性能高的特点。与现有熔喷非织造布，本发明的POSS改性熔喷非织造布，在保持现有熔喷非织造布性能前提下，通过POSS掺杂进一步提高非织造布的力学性能。
在本发明的POSS改性熔喷非织造布中，POSS的含量为非织造布质量的1～7％；聚丙烯树脂切片的含量为93～99％，但这并不意味着所述配方组分含量在所述范围以外不能够实现本发明。
本发明设计的POSS改性聚丙烯熔喷非织造布驻极体的制备方法，包括如下步骤：
(1)聚丙烯功能母粒的制备，先将POSS与聚丙烯切片按一定比例倒入高速混合机混合30分钟，再将混合好的原料加入双螺杆配混挤出机，在130℃温度下熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒，即得POSS改性聚丙烯功能切片。
(2)制造熔喷非织造布，将聚丙烯功能母粒直接喂入到螺杆挤出机内，在250～280℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧250～280℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷纳微纤维，并在接收装置上靠其自身余热加固成所述的熔喷非织造布。
(3)电晕放电驻极，将非织造布用高压电晕放电驻极处理，驻极电压10～30kV kV，驻极距离2～4cm，得到POSS改性聚丙烯熔喷非织造布。
本发明所述的耐久驻极熔喷非织造布的制造方法包括电晕放电驻极工序。电晕放电是由一针状电极和一平板电极构成的系统，并在针和板之间加一平面金属栅网，以改善电荷的均匀性。极化时，将样品安放在接地的平板电极上，针状电极上接高压。当金属针加上高压时，针端下方的空气产生电晕电离，因而在针端下方的空气产生脉冲式局部击穿放电，载流子在电晕电场的作用下沉降到样品表面，有的深入表层被陷阱捕获，从而使样品成为驻极体。用于本发明的静电充电方法的实施例包括在美国专利US、5401446US4588537和US 4592815等专利文献中。
本发明采用具体的电晕放电驻极工艺为驻极电压10～30kV，驻极距离2～4cm。实验表明，加入POSS改性熔喷聚丙烯非织造布过滤性能、力学性能明显优于常规聚丙烯熔喷非织造布。
本发明主要技术指标及其测定方法是：
1.力学性能——采用YG065型电子织物强力机对非织造布力学性能测试进行测试。(按照GB1447-83)。
2.过滤效率——采用美国TSI8130过滤效率测定仪测定，NaCl气溶胶粒子直径为0.26μm以下，气流速度为32L/min。
以下给出本发明的具体实施例，但本发明不受实施例的限制。
实施例1
将聚丙烯切片直接喂入到螺杆挤出机内，在280℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧280℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷纳微纤维，通过调节螺杆、计量泵转速，使纤网克重达50g/m2，并在接收装置上靠其自身余热加固成纯聚丙烯熔喷非织造布。
采用YG065型电子织物强力机测得的纵向、横向断裂强度分别为30N/5cm、24N/5cm。
实施例2
(1)聚丙烯功能母粒的制备，先将3wt％八乙烯基POSS与聚丙烯切片倒入高速混合机混合30分钟左右，再将混合好的原料加入双螺杆配混挤出机，在130℃左右温度下熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒，即得聚丙烯功能母粒。
(2)制造熔喷非织造布，将聚丙烯功能母粒直接喂入到螺杆挤出机内，在270℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧270℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷纳微纤维，通过调节螺杆、计量泵转速，使纤网克重达50g/m2，并在接收装置上靠其自身余热加固成所述的熔喷非织造布。
采用YG065型电子织物强力机测得的纵向、横向断裂强度分别为36N/5cm、27N/5cm。
实施例3
(1)聚丙烯功能母粒的制备，先将1wt％八乙烯基POSS与聚丙烯切片倒入高速混合机混合30分钟左右，再将混合好的原料加入双螺杆配混挤出机，在130℃左右温度下熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒，即得聚丙烯功能母粒。
(2)制造熔喷非织造布，将聚丙烯功能母粒直接喂入到螺杆挤出机内，在270℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧270℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷纳微纤维，通过调节螺杆、计量泵转速，使纤网克重达50g/m2，并在接收装置上靠其自身余热加固成所述的熔喷非织造布。
(3)电晕放电驻极，将非织造布用高压电晕放电驻极处理，驻极电压30kV，驻极距离3cm，得到聚丙烯熔喷非织造布驻极体。
采用TSI8130过滤效率测定仪测得其过滤效率为81％。采用YG065型电子织物强力机测得的纵向、横向断裂强度分别为33N/5cm、26N/5cm。
实施例4
(1)聚丙烯功能母粒的制备，先将5wt％八乙烯基POSS与聚丙烯切片倒入高速混合机混合30分钟左右，再将混合好的原料加入双螺杆配混挤出机，在130℃左右温度下熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒，即得聚丙烯功能母粒。
(2)制造熔喷非织造布，将聚丙烯功能母粒直接喂入到螺杆挤出机内，在260℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧260℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷纳微纤维，通过调节螺杆、计量泵转速，使纤网克重达50g/m2，并在接收装置上靠其自身余热加固成所述的熔喷非织造布。
(3)电晕放电驻极，将非织造布用高压电晕放电驻极处理，驻极电压30kV，驻极距离3cm，得到聚丙烯熔喷非织造布驻极体。
采用TSI8130过滤效率测定仪测得其过滤效率为85％。采用YG065型电子织物强力机测得的纵向、横向断裂强度分别为40N/5cm、31N/5cm。
实施例5
(1)聚丙烯功能母粒的制备，先将7wt％八乙烯基POSS与聚丙烯切片倒入高速混合机混合30分钟左右，再将混合好的原料加入双螺杆配混挤出机，在130℃左右温度下熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒，即得聚丙烯功能母粒。
(2)制造熔喷非织造布，将聚丙烯功能母粒直接喂入到螺杆挤出机内，在280℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧280℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷纳微纤维，通过调节螺杆、计量泵转速，使纤网克重达50g/m2，并在接收装置上靠其自身余热加固成所述的熔喷非织造布。
(3)电晕放电驻极，将非织造布用高压电晕放电驻极处理，驻极电压30kV，驻极距离3cm，得到聚丙烯熔喷非织造布驻极体。
采用TSI8130过滤效率测定仪测得其过滤效率为91％。采用YG065型电子织物强力机测得的纵向、横向断裂强度分别为37N/5cm、28N/5cm。
实施例5
(1)聚丙烯功能母粒的制备，先将7wt％乙烯基七环戊基POSS与聚丙烯切片倒入高速混合机混合30分钟左右，再将混合好的原料加入双螺杆配混挤出机，在130℃左右温度下熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒，即得聚丙烯功能母粒。
(2)制造熔喷非织造布，将聚丙烯功能母粒直接喂入到螺杆挤出机内，在270℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧270℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷纳微纤维，通过调节螺杆、计量泵转速，使纤网克重达50g/m2，并在接收装置上靠其自身余热加固成所述的熔喷非织造布。
(3)电晕放电驻极，将非织造布用高压电晕放电驻极处理，驻极电压30kV，驻极距离3cm，得到聚丙烯熔喷非织造布驻极体。
采用TSI8130过滤效率测定仪测得其过滤效率为88％。采用YG065型电子织物强力机测得的纵向、横向断裂强度分别为35N/5cm、26N/5cm。
实施例6
(1)聚丙烯功能母粒的制备，先将7wt％八苯基POSS与聚丙烯切片倒入高速混合机混合30分钟左右，再将混合好的原料加入双螺杆配混挤出机，在130℃左右温度下熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒，即得聚丙烯功能母粒。
(2)制造熔喷非织造布，将聚丙烯功能母粒直接喂入到螺杆挤出机内，在260℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧260℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷纳微纤维，通过调节螺杆、计量泵转速，使纤网克重达50g/m2，并在接收装置上靠其自身余热加固成所述的熔喷非织造布。
(3)电晕放电驻极，将非织造布用高压电晕放电驻极处理，驻极电压30kV，驻极距离3cm，得到聚丙烯熔喷非织造布驻极体。
采用TSI8130过滤效率测定仪测得其过滤效率为86％。采用YG065型电子织物强力机测得的纵向、横向断裂强度分别为33N/5cm、26N/5cm。

Claims (3)

1.一种多面体倍半硅氧烷(POSS)改性聚丙烯熔喷非织造布，其质量百分比组方为：
POSS            1～7％，
PP              93～99％。
2.根据权利要求1所述POSS改性聚丙烯熔喷非织造布，其特征为由POSS改性聚丙烯熔喷超细纤维制成，其纤度范围为1～10μm；所述POSS为乙烯基七环戊基POSS、苯基七环戊基POSS、八乙烯基POSS或八苯基POSS中的一种。
3.一种如权利要求1或2所述的POSS改性聚丙烯熔喷非织造布的制备方法，包括如下步骤：
(1)POSS改性聚丙烯功能切片的制备，先将POSS与聚丙烯切片按一定比例倒入高速混合机混合30分钟左右，再将混合好的原料加入双螺杆配混挤出机，在130℃左右温度下熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒，即得POSS改性聚丙烯功能切片。
(2)制造熔喷非织造布：将POSS改性聚丙烯功能切片直接喂入到螺杆挤出机内，在250～280℃下熔融挤出，然后经过熔体过滤器过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔喷出，在熔喷模头喷丝孔两侧250～280℃的热空气喷吹作用下，即可制成熔喷超细纤维，并在接收装置上靠其自身余热加固成所述的熔喷非织造布。
(3)电晕放电驻极：将非织造布用高压电晕放电驻极处理，驻极电压10～30kV，驻极距离2～4cm，得到POSS改性聚丙烯熔喷非织造布。
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