CN102619026A

CN102619026A - 一种纳微纤维素纤维非织造布的制备方法

Info

Publication number: CN102619026A
Application number: CN2012101167760A
Authority: CN
Inventors: 宋俊; 程博闻; 陆飞; 藏洪俊; 纪秀杰
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明公开一种纳微纤维素纤维非织造布的制备方法，该制备方法采用以下工艺步骤：1.纤维素与溶剂的预混合：将纤维素粉碎成粉末，之后将纤维素与溶剂按1～3：9～7的质量比制成均匀的混合物，溶剂是阳离子和阴离子组成的离子液体；2.纤维素溶液的制备：将混合物喂入双螺杆挤出机，制备出纺丝溶液，再经过计量泵后被送入到纺丝模头，从模头的喷丝孔中挤出，形成纺丝溶液细流；3.气流拉伸：将高压热风经由纺丝模头的气腔狭缝形成高速气流吹向纺丝溶液细流，实现对溶液的拉伸细化；再经4.非织造布的成形与后处理后，即得到所述的纳微纤维素纤维非织造布。

Description

一种纳微纤维素纤维非织造布的制备方法

技术领域

本发明涉及一种非织造布技术，具体为一种纳微纤维素纤维非织造布的制备方法。

背景技术

超细纤维是近年来发展迅速的高性能纤维之一，由于其比表面积大、吸附性强、保暖等特点，被称为高品质、高技术含量和高附加值的新一代纤维。近些年来快速发展的静电纺丝方法有效地控制了纤维的细度，使得超细纤维的直径范围减小到几百纳米范围内（大多为100-500nm），因此，又称为纳微纤维。这种由纳微纤维组成的非织造布或纱线正在被应用于医疗卫生、超级过滤介质、增强复合材料等领域，应用前景非常广阔。

熔喷技术是目前制备超细纤维非织造布的重要方法之一。它是利用高速热空气对熔融挤出的聚合物熔体进行喷射拉伸而直接形成三维多孔超细纤维网（非织造布），纤维直径最小可达0.2-0.5μm。熔喷非织造布表现出高比表面积、高孔隙率、高保暖性和柔软性以及高效过滤等特点，目前被广泛应用于过滤材料、吸收材料、医疗卫生用品、衣料和特殊工业等领域。且该方法工艺简单，生产流程短，生产效率高，在我国技术已经成熟。

纤维素是自然界赐予人类最丰富的天然高分子物质。它不仅来源丰富，而且是可再生的资源。加工和利用纤维素材料对世界循环经济和可持续发展具有积极意义。纤维素非织造布是一种纤维素的制品，其具有良好的皮肤接触性、穿着舒适性、生理安全性、吸湿性和易整理性以及其制品易生物分解等一系列合成纤维所无法完全具备的特性，因而在医疗、护理、卫生用品、化妆用品以及其它工业领域有着独特的用途。目前的纤维素非织造布主要是以粘胶及Lyocell纤维为基础，通过针刺或水刺的方法制备而成。这种制备过程需先制备出纤维素纤维，再进行后续加工，整个过程不连续，且粘胶纤维生产过程中会产生大量的废气和废水，对环境造成污染；更为关键的是，由于粘胶纤维及Lyocell纤维制备方法的限制，无法制备出纳微级纤维素纤维。

离子液体是一种新的可以直接溶解纤维素的溶剂。由于其具有液体温度区间大、溶解范围广、蒸气压极低、热稳定性好等特性，是各种有机物、有机金属化合物、无机物的一种理想溶剂。近年来，用离子液体制备纤维素材料的新工艺引起了人们的重视，如专利US6824599、CN1417407、CN1491974和CN1818160A等文献公开了以离子液体为溶剂溶解和加工纤维素的方法，然而这些专利文献大多采用湿法或干湿法纺丝，得到单根或多根连续的纤维，其直径较粗，通常在10～100 μm之间，拉伸倍数通常小于5倍；专利US6596033, US6511930, US6306334, US6358461和 US6221487等则公开了利用最高达15%的纤维素溶液经熔喷技术进行自粘合超细纤维素非织造材料的制备，所制得的纤维平均重量低于1旦或更低，表现出固有的低光泽，但其选用的溶剂为NMMO，该溶剂合成的条件比较苛刻，且在加热的时候易分解，运输不方便，在安全技术中要求较多的投资，且这些专利文献技术所采用的是常规溶解法制备得到纤维素溶液。目前使用的纤维素非织造布加工方法主要存在溶解时间长，连续性差，溶剂回收困难等缺点，且制备的纤维直径较粗，无法制得纳微级别的纤维。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种纳微纤维素纤维非织造布的制备方法，该制备方法采用熔喷纺丝方法，具有工艺简单、可控性好、生产效率高，且工业化实施容易，可保证产品质量稳定可靠等特点；所得非织造布由纳微纤维素纤维构成，具有吸湿透气、蓬松度高、过滤保暖性能优良等优点。

本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是：设计一种纳微纤维素纤维非织造布的制备方法，该制备方法采用以下工艺步骤：

（1）. 纤维素与溶剂的预混合：将干燥后含水率不高于0.5％的纤维素用浆粕粉碎机粉碎成纤维素粉末，之后将纤维素与溶剂按1～3：9～7的质量比制成均匀的混合物，所述纤维素为木浆、棉浆和半纤维素中的至少一种，其聚合度为400～1000；所述溶剂是阳离子和阴离子组成的离子液体；阳离子为取代基是氢、C₁～C₆的烷基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基、羟丙基或烷氧基中的至少一种、或者烷基季铵离子、烷基季磷离子、烷基咪唑离子、烷基吡啶离子或烷基吗啉离子中的至少一种；阴离子为卤素离子，为BF₄ ^-、PF₄ ^-、SCN^-、CN^-、OCN^-、CNO^-、CF₃SO₃ ^-、CFCOO^-、CH₃COO^-、(CF₃SO₂)₂N^-或(CF₃SO₂)₂Cl^-中的至少一种；采用两种溶剂以上时，溶剂的混合比例不受限定；

（2）. 纤维素溶液的制备：将混合物喂入双螺杆挤出机，制备出纺丝溶液，再经过计量泵后被送入到纺丝模头，从模头的喷丝孔中挤出，形成纺丝溶液细流；所述双螺杆挤出机的长径比为20～60，螺杆挤出机的进料段、熔融段和计量段的温度分别为80～120℃、100～150℃及100～170℃，转速为10～100 r/min，纺丝模头温度为120～180℃；纺丝模头含有一排50～500个连续的喷丝孔，纺丝模头的长度为100-500 mm，喷丝孔的直径为0.06-0.3 mm；

（3）. 气流拉伸：将高压热风经由纺丝模头的气腔狭缝形成高速气流吹向纺丝溶液细流，实现对溶液的拉伸细化；所述热风压力为0.4～0.8MPa，温度为80～150℃；所述气腔狭缝宽度为0.05～0.5mm，长度为50～300mm；所述高速气流的射速为50～500 m/s；

（4）. 非织造布的成形与后处理：利用高速气流将所述溶液在接收装置上收集成网，纺丝模头与接收装置距离为0.1～2 m，采用上淋水的方法使纤维初步凝固，之后经过常规的凝固、洗涤和干燥后处理，即得到所述纳微纤维素纤维非织造布；所述上淋水的水温为25～60℃。

与现有技术相比，本发明纳微纤维素纤维非织造布的制备方法克服了常规熔喷工艺局限于加工高熔体流动性原料的弊端，采用熔喷方法将纤维素溶液纺丝制成纳微纤维素纤维非织造布，并能够稳定生产纤维直径在0.1～10um的纳微纤维非织造布，且工艺简单、可控性好、生产效率高、工业化实施容易、可保证产品质量稳定可靠。本发明制备方法适用于连续化生产，采用的离子液体溶剂绿色环保，易于回收且能耗降低，降低生产成本和节约资源。

具体实施方法

下面结合实施例进一步说明本发明。

本发明设计的一种纳微纤维素纤维非织造布（简称非织造布）的制备方法（简称制备方法），该制备方法采用以下工艺步骤:

1. 纤维素与溶剂的预混合：将干燥后含水率小于0.5％的纤维素用浆粕粉碎机粉碎成纤维素粉末，之后将纤维素与溶剂按1～3：9～7的质量比制成均匀的混合物，所用纤维素为木浆、棉浆和半纤维素中的至少一种，其聚合度在400～1000之间；所述溶剂是阳离子和阴离子组成的离子液体；阳离子为取代基是氢、C₁～C₆的烷基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基、羟丙基或烷氧基中的至少一种、或者烷基季铵离子、烷基季磷离子、烷基咪唑离子、烷基吡啶离子或烷基吗啉离子中的至少一种；阴离子为卤素离子，为BF₄ ^-、PF₄ ^-、SCN^-、CN^-、OCN^-、CNO^-、CF₃SO₃ ^-、CFCOO^-、CH₃COO^-、(CF₃SO₂)₂N^-或(CF₃SO₂)₂Cl^-中的至少一种；采用两种溶剂以上时，溶剂的混合比例不受限定；

研究表明，所选离子液体阳离子为烷基咪唑离子或烷基吗啉离子，阴离子为卤素离子或醋酸根离子；以及所述离子液体为氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑([AMIM]Cl)、氯化1-丁基-3-甲基咪唑([BMIM]Cl)、醋酸1-乙基-3-甲基咪唑([EMIM]Ac和氯化1-烯丙基-3-甲基吗啉([AMMor]Cl)中的至少一种时，效果更为理想，是优选的离子液体；

2. 纤维素溶液的制备：将混合物喂入双螺杆挤出机，制备出纺丝溶液，再经过计量泵后被送入到纺丝模头，从模头的喷丝孔中挤出，形成纺丝溶液细流。所述双螺杆挤出机长径比为20～60，螺杆挤出机的进料段、熔融段和计量段的温度分别为80～120℃、100～150℃及100～170℃；转速为10～100 r/min，优选10～30 r/min；纺丝模头温度为120～180 ℃；纺丝模头含有一排50～500个连续的喷丝孔，纺丝模头的长度为100-500 mm，喷丝孔的直径为0.06-0.3 mm；实验表明，所述纺丝模头含有一排150个连续的喷丝孔，纺丝模头的长度为200 mm，喷丝孔的直径为0.1mm的参数设计效果更好；

上述制备过程中，各参数的变化依据纤维素浓度及螺杆挤出机长径比而变化。通常在纤维素浓度一定时，双螺杆挤出机转速随其螺杆长径比增加而增大；螺杆挤出机各段及模头温度随纺丝液浓度增加而增大。

3. 气流拉伸：将高压热风经由纺丝模头的气腔狭缝形成高速气流吹向纺丝溶液细流，实现对溶液的拉伸细化；所述热风压力为0.4～0.8MPa，温度为80～150℃；所述气腔狭缝宽度为0.05～0.5 mm，长度为50～300mm；所述高速气流为50～500 m/s；

所述高速气流喷射进行纺丝液拉伸细化过程中，高速气流的射速随着热风压力的增大而增大，随气腔狭缝宽度以及长度的增大而减小，而拉伸倍数则随气流射速的增加而增大，具体设计以产品要求来确定。

4. 非织造布的成形与后处理：利用高速气流将所述溶液在接收装置上收集成网，纺丝模头与接收装置距离为0.1～2 m，采用上淋水的方法使纤维初步凝固，之后经过一定的后处理，即得所述纳微纤维素纤维非织造布；所述的接收装置为贴有锡箔纸的滚筒或者为多孔网帘滚筒；所述上淋水的水温为25～60 ℃，优选25～40 ℃；所述后处理方法为常规处理，包括凝固、洗涤和干燥等工序。

所述成形过程中，非织造布中纤维直径变化依据纤维素浓度、高速气流速度以及接收距离而变化。通常在纤维素浓度一定时，纤维直径随气流速度以及接收距离的增加而减小；热风温度、上淋水和凝固浴的温度随纺丝浓度增加而增大。

在申请人检索的范围内，在现有非织造布制造技术中，尚未发现将纤维素溶解技术和熔喷技术直接结合来连续制备非织造布的技术。本发明创新点表现在采用一种及以上所述离子液体为纤维素溶剂直接在双螺杆挤出机中溶解后，熔喷纺丝制成纳微纤维素非织造布。

本发明运用双螺杆挤出机直接溶解制备出纤维素离子液体溶液后挤出，并利用高速高温气流对挤出溶液进行极度拉伸，之后在装有上淋水的接收装置形成初生纤维细网，再通过进一步的凝固浴作用使纤维析出，即制成纳微纤维素纤维非织造布。所得非织造布的面密度为100～2000 g/m²，且全部由直径为0.1～10 μm的超细纤维素纤维组成。

本发明未述及之处适用于现有技术。

以下给出本发明的具体实施例，这些具体实施例仅用于进一步详细描述本发明，本申请的权利要求保护范围不受具体实施例的限制。

实施例1

将粉碎的聚合度为400的木浆粕与[AMIM]Cl离子液体按质量比为1：9的比例在混合机中搅拌均匀，然后喂入长径比为20的双螺杆挤出机，制成均一稳定纺丝溶液；挤出机进料段、熔融段及计量段温度分别为100 ℃、110 ℃及120 ℃，螺杆转速为10 r/min，经计量泵进入纺丝模头，从喷丝孔中挤出，模头温度为130 ℃；纤维素溶液在高速热风气流的拉伸作用下从气腔狭缝中喷出形成超细细流，并收集在装有上淋水的多孔网帘滚筒上，经凝固，水洗和热定型即得本发明所述的非织造布。其中，热风温度为100 ℃，速度为50 m/s，狭缝宽度为0.3 mm，接收距离为0.2 m，上淋水温度为25 ℃。

经测试，所得非织造布的直径分布为2～10 μm，面密度为360 g/m²，平均孔径为15.09 μm，过滤效率为81.72%，透气量为620 L/m²·s。

实施例2

将粉碎的聚合度为1000的棉浆粕与[BMIM]Cl离子液体按质量比为2.5：7.5的比例在混合机中搅拌均匀，然后喂入长径比为60的双螺杆挤出机，制成均一稳定纺丝溶液，挤出机进料段、熔融段及计量段温度分别为120 ℃、140 ℃及160 ℃，螺杆转速为100 r/min，经计量泵进入纺丝模头，从喷丝孔中挤出，模头温度为170 ℃；纤维素溶液在高速热风气流的拉伸作用下从气腔狭缝中喷出形成超细细流，并收集在装有上淋水的锡箔纸滚筒上，经凝固，水洗和热定型即得本发明所述的非织造布，其中，热风温度为170 ℃，速度为300 m/s，狭缝宽度为0.1 mm，接收距离为1 m，上淋水温度为40 ℃。

经测试，所得非织造布的直径分布为0.5～4.5 μm，面密度为520 g/m²，平均孔径为6.35 μm，过滤效率为88.17%，透气量为410 L/m²·s。

实施例3

将粉碎的聚合度为600的棉浆粕与[EMIM]Ac离子液体按质量比为1.5：8.5的比例在混合机中搅拌均匀，然后喂入长径比为30的双螺杆挤出机，制成均一稳定纺丝溶液，挤出机进料段、熔融段及计量段温度分别为110 ℃、120 ℃及130 ℃，螺杆转速为20 r/min，经计量泵进入纺丝模头，从喷丝孔中挤出，模头温度为140 ℃；纤维素溶液在高速热风气流的拉伸作用下从气腔狭缝中喷出形成超细细流，并收集在装有上淋水的锡箔纸滚筒上，经凝固，水洗和热定型即得本发明所述的非织造布，其中，热风温度为140 ℃，速度为150 m/s，狭缝宽度为0.5 mm，接收距离为0.5 m，上淋水温度为25 ℃。

经测试，所得非织造布的直径分布为1～7.5 μm，面密度为420 g/m²，平均孔径为9.29 μm，过滤效率为85.91%，透气量为540 L/m²·s。

实施例4

将粉碎的聚合度为550的木浆粕与[AMIM]Cl、[AMMor]Cl混合离子液体按质量比为2：2：6的比例在混合机中搅拌均匀，然后喂入长径比为40的双螺杆挤出机，制成均一稳定纺丝溶液，挤出机进料段、熔融段及计量段温度分别为120 ℃、130 ℃及140 ℃，螺杆转速为35 r/min，经计量泵进入纺丝模头，从喷丝孔中挤出，模头温度为150 ℃；纤维素溶液在高速热风气流的拉伸作用下从气腔狭缝中喷出形成超细细流，并收集在装有上淋水的多孔网帘滚筒上，经凝固，水洗和热定型即得本发明所述的非织造布，其中，热风温度为150 ℃，速度为400 m/s，狭缝宽度为0.15 mm，接收距离为2 m，上淋水温度为60 ℃。

经测试，所得非织造布的直径分布为0.2～4.4 μm，面密度为720 g/cm²，平均孔径为1.79 μm，过滤效率为95.74%，透气量为280 L/m²·s。

Claims

1.一种纳微纤维素纤维非织造布的制备方法，该制备方法采用以下工艺步骤：

（1）纤维素与溶剂的预混合：将干燥后含水率不高于0.5％的纤维素用浆粕粉碎机粉碎成纤维素粉末，之后将纤维素与溶剂按1～3：9～7的质量比制成均匀的混合物，所述纤维素为木浆、棉浆和半纤维素中的至少一种，其聚合度为400～1000；所述溶剂是阳离子和阴离子组成的离子液体；阳离子为取代基是氢、C₁～C₆的烷基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基、羟丙基或烷氧基中的至少一种、或者烷基季铵离子、烷基季磷离子、烷基咪唑离子、烷基吡啶离子或烷基吗啉离子中的至少一种；阴离子为卤素离子，为BF₄ ^-、PF₄ ^-、SCN^-、CN^-、OCN^-、CNO^-、CF₃SO₃ ^-、CFCOO^-、CH₃COO^-、(CF₃SO₂)₂N^-或(CF₃SO₂)₂Cl^-中的至少一种；采用两种溶剂以上时，溶剂的混合比例不受限定；

（2）纤维素溶液的制备：将混合物喂入双螺杆挤出机，制备出纺丝溶液，再经过计量泵后被送入到纺丝模头，从模头的喷丝孔中挤出，形成纺丝溶液细流；所述双螺杆挤出机的长径比为20～60，螺杆挤出机的进料段、熔融段和计量段的温度分别为80～120℃、100～150℃及100～170℃，转速为10～100 r/min，纺丝模头温度为120～180℃；纺丝模头含有一排50～500个连续的喷丝孔，纺丝模头的长度为100-500 mm，喷丝孔的直径为0.06-0.3 mm；

（3）气流拉伸：将高压热风经由纺丝模头的气腔狭缝形成高速气流吹向纺丝溶液细流，实现对溶液的拉伸细化；所述热风压力为0.4～0.8MPa，温度为80～150℃；所述气腔狭缝宽度为0.05～0.5mm，长度为50～300mm；所述高速气流的射速为50～500 m/s；

（4）非织造布的成形与后处理：利用高速气流将所述溶液在接收装置上收集成网，纺丝模头与接收装置距离为0.1～2 m，采用上淋水的方法使纤维初步凝固，之后经过常规的凝固、洗涤和干燥后处理，即得到所述纳微纤维素纤维非织造布；所述上淋水的水温为25～60℃。

2.根据权利要求1所述的纳微纤维素纤维非织造布的制备方法，其特征在于所述离子液体为氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、醋酸1-乙基-3-甲基咪唑和氯化1-烯丙基-3-甲基吗啉中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的纳微纤维素纤维非织造布的制备方法，其特征在于所选离子液体阳离子为烷基咪唑离子或烷基吗啉离子，阴离子为卤素离子或醋酸根离子。

4.根据权利要求1所述的纳微纤维素纤维非织造布的制备方法，其特征在于所述纺丝模头含有一排150个连续的喷丝孔，纺丝模头长度为200 mm，喷丝孔直径为0.1mm。

5. 根据权利要求1所述的纳微纤维素纤维非织造布的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述接收装置为贴有锡箔纸的滚筒或者为多孔网帘滚筒。

6.根据权利要求1所述的纳微纤维素纤维非织造布的制备方法，其特征在于所述上淋水的水温为25～40℃。

7. 一种权利要求1-6任一项所述纳微纤维素纤维非织造布的制备方法直接制造的纳微纤维素纤维非织造布，其面密度为100～2000 g/m²，且全部由直径为0.1～10 μm的超细纤维素纤维组成。