CN104711764B - 高强力长效驻极超细纤维pla熔喷非织造材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强力长效驻极超细纤维PLA熔喷非织造材料及其制备方法；旨在过滤材料领域提供一种具有良好力学性能和长效驻极功能的可再生、可降解环境友好的超细纤维非织造材料；在本发明专利技术方案中原料为环境友好的左旋PLA切片以及纳米颗粒添加剂，利用改进的熔喷超细纤维加工工艺加工成型，最后进行驻极处理；本发明专利在过滤、阻隔方面性能优异，方案设计巧妙且易于实施。在解决PLA推广应用问题中，提供了一种新的、有效的解决方案。
Description
技术领域
本发明专利属于化学材料领域，涉及一种新型PLA超细纤维熔喷非织造材料的制备方法，更具体的说，其涉及一种旨在将PLA生物质材料在熔喷非织造材料领域的推广应用的加工方法。
背景技术
20世纪以来，合成高分子材料的诞生和高速发展极大地改变了人类的生活。人工合成高分子材料已经与木材、钢铁以及水泥并列成为材料领域的四大支柱。然而与此同时人工合成高分子材料的生产和消费也产生了两个重大课题：一是有限的石油资源被大量消耗，二是废弃聚合物会导致的环境污染。这两个问题已经引起了全球范围内的高度重视。进入新世纪以来，许多国家已经将可持续发展作为基本国策之一，大力开发环境友好型生物降解高分子材料已在世界范围内蓬勃兴起。
熔喷加工工艺的加工流程是将聚合物原料在高温下熔融挤出然后经计量泵计量、喷丝孔纺丝，在纺丝的同时通过高速热气牵伸，形成超细的短纤维，然后纤维以极快的速度飞向成网帘，在成网帘上凝集成网，并通过自身的余热加固成布的一种加工方法。这种加工方法无需采取复杂的合纤超细纤维纺丝加工工艺，便可一步法形成具有超细纤维结构的熔喷超细纤维材料。超细纤维材料在过滤、阻菌和吸附等方面具有的突出的优势而被人们所广泛应用。在目前的熔喷超细纤维加工生产中聚丙烯(PP)是使用最广泛的原料。但是随着人们环境意识的不断增强，开发环境友好且可再生的纤维材料越来越受到社会和学者们的关注，而聚乳酸(PLA)熔喷非织造材料正好符合可持续发展要求。
然而聚乳酸由于自身结晶性能较差，制成的超细纤维材料强力严重不足，导致该材料的推广应用受到一定的限制。此外如何将驻极效果保持时间更长，也是过滤材料领域近些年的研究热点。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种高强力长效驻极超细纤维PLA熔喷非织造材料及制备方法，使用环境友好的PLA原料与纳米颗粒材料进行复合加工生产出具有优异阻隔、过滤性能且力学性能良好的熔喷超细纤维材料，然后对材料进行驻极整理，使材料具有更加优异且长效的过滤性能。
技术方案：一种高强力长效驻极超细纤维PLA熔喷非织造材料，所述PLA熔喷非织造材料主要由可再生、可降解的PLA切片和纳米颗粒添加剂，通过改进的熔喷超细纤维加工工艺制得，然后进行驻极工艺整理。
作为优化：所述可再生、可降解的PLA切片的原料为左旋PLLA切片，原料的结晶度在30％-60％之间，熔融指数在70-400之间，分子量在10万-15万之间，熔点为165℃-180℃，玻璃化温度为55℃-75℃。
作为优化：所述纳米颗粒添加剂为无机纳米颗粒：蒙脱土、粘土或碳酸钙，颗粒直径在20至300纳米之间。
作为优化：所述PLA熔喷非织造材料中纤维的直径分布主要在2-10微米之间。
作为优化：所述PLA熔喷非织造材料中纳米颗粒重量占材料总重量的0.5％-3％，纳米颗粒需经表面改性处理，表面改性剂可以是有机或无机类的表面活性剂。
所述的高强力长效驻极超细纤维PLA熔喷非织造材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将PLA切片在100℃条件下干燥2-4小时或在80℃条件下干燥6-12小时；
(2)将干燥好的PLA切片与经有机季铵盐类表面处理剂改性后，具有一定的亲油性的纳米颗粒，加入双螺杆挤出机在175-180℃的条件下进行熔融共混造粒，制得新的聚合物切片原料；纳米颗粒的含量在0.5％-3％之间；
(3)将新制得的切片干燥后，在180℃-220℃的条件下进行纺丝加工，经高速热气流牵伸得到超细的短纤维；
(4)纤维经过极短时间的冷却结晶，在成网帘上聚集，形成超细纤维熔喷非织造布；此外PLA材料熔融流动时，与丙纶一样为假塑性流体，但是其非牛顿指数更为趋近与1，因此材料的挤出胀大倍数相较于丙纶更大，因此为使材料具有超细纤维结构，纺丝时计量泵的挤出量应在丙纶制备工艺的基础上适当调低，而牵伸的热空气的温度和压力相较于熔融挤出时要适当调高。因为聚乳酸的分解点比丙纶要低很多，所以纺丝温度相对于传统的丙纶熔喷工艺要调低30-60℃，PLA与丙纶的流体密度不同，因此加工时的管道压力也有一定的改变；同时PLA产品由于强力很低，因此生产时为避免飞花，要适当调整接收距离；为保证产品具有良好的透气性，以及适当的厚度与克重，相应的调整接收负压和接收速度；
(5)制成的纤维材料进行长效驻极整理，将制成的纤维网匀速通过高压静电场，使纤维材料具有静电吸附能力，从而具有高效过滤材料的性能，并且纳米颗粒在纤维中是良好的电荷载体，所以纤维网中的电荷停留时间长，材料具有长时间的高效过滤性能。
作为优化：所述长效驻极整理中驻极电压为20kv-50kv。
作为优化：熔喷加工部分的工艺参数如下：
挤出机：190-200℃；
滤网：190-200℃；
计量泵：200-210℃；
喷丝板组件：210-220℃；
热空气牵伸温度：220-240℃；
挤出机压力：2.5-3.5MPa；
模头处压力：0.6-1.2MPa；
热空气压力：0.12MPa；
接收负压：2KPa；
接收距离：20-35cm。
有益效果：本发明所述的具有良好力学性能的PLA超细纤维材料，是指与普通PLA原料通过熔喷加工工艺直接加工出来的超细纤维材料相比，断裂强力提升3倍以上。例如克重为200的普通PLA超细纤维材料，断裂强力约为200cN，而本发明专利生产出来的超细纤维材料在克重为200的时候断裂强力为600cN以上。在驻极加工处理后，具有超高的过滤效率，其对最易穿透粒子的捕集效率可达到99.95％以上。本发明专利加工设计巧妙，易于生产。
附图说明
图1为本发明的产品加工流程示意图。
具体实施方式
本发明出示了一种高强力超细纤维熔喷布及其制备方法，为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
综述，表1为工艺参数设定表，该制备方法中所用到的工艺参数均包含在表1中。
表1 工艺参数设定表
实施例一：
将分子量为10万，熔点为170℃，熔融指数为70的PLA切片在100℃的条件下干燥4h。将干燥好的PLA切片与表面改性后的片状蒙脱土纳米颗粒在175℃的条件下进行共混造粒，制得新的聚合物切片原料。蒙脱土纳米颗粒的含量为1％。将新制得的切片干燥后，在200℃左右的条件下进行纺丝加工，经热气流牵伸得到超细的短纤维。纤维经过短时间的冷却结晶，在成网帘上聚集，形成具有良好力学性能超细纤维熔喷非织造布。最后对纤维材料进行驻极加工处理，材料的过滤效率，达到欧洲过滤标准H14。
实施例二：
将分子量为15万，熔点为173℃，熔融指数为200的PLA切片在100℃的条件下干燥4h。将干燥好的PLA切片与表面改性后的碳酸钙纳米颗粒在180℃的条件下进行共混造粒，制得新的聚合物切片原料。碳酸钙纳米颗粒的含量为3％。将新制得的切片干燥后，在200℃左右的条件下进行纺丝加工，经热气流牵伸得到超细的短纤维。纤维经过短时间的冷却结晶，在成网帘上聚集，形成具有良好力学性能超细纤维熔喷非织造布。最后对纤维材料进行驻极加工处理，材料对最易穿透粒子的捕基效率达到99.9995％。
实施例三：
将分子量为10万，熔点为175℃，熔融指数为100的PLA切片在100℃的条件下干燥4h。将干燥好的PLA切片与表面改性后的黏土纳米颗粒在178℃的条件下进行共混造粒，制得新的聚合物切片原料。黏土纳米颗粒的含量为0.5％。将新制得的切片干燥后，在200℃左右的条件下进行纺丝加工，经热气流牵伸得到超细的短纤维。纤维经过短时间的冷却结晶，在成网帘上聚集，形成具有良好力学性能超细纤维熔喷非织造布。最后对纤维材料进行驻极加工处理，材料对最易穿透粒子的捕基效率达到99.995％。
Claims (5)
1.一种高强力长效驻极超细纤维PLA熔喷非织造材料，其特征在于：所述PLA熔喷非织造材料主要由可再生、可降解的PLA切片和纳米颗粒添加剂，通过改进的熔喷超细纤维加工工艺制得，然后进行驻极工艺整理；所述PLA熔喷非织造材料具体的制备方法包括以下步骤：
(1)将PLA切片在100℃条件下干燥2-4小时或在80℃条件下干燥6-12小时；
(2)将干燥好的PLA切片与经有机季铵盐类表面处理剂改性后，具有一定的亲油性的纳米颗粒，加入双螺杆挤出机在175-180℃的条件下进行熔融共混造粒，制得新的聚合物切片原料；纳米颗粒的含量在0.5％-3％之间；
(3)将新制得的切片干燥后，在180℃-220℃的条件下进行纺丝加工，经高速热气流牵伸得到超细的短纤维；
(4)纤维经过极短时间的冷却结晶，在成网帘上聚集，形成超细纤维熔喷非织造布；此外PLA材料熔融流动时，与丙纶一样为假塑性流体，但是其非牛顿指数更为趋近于1，因此材料的挤出胀大倍数相较于丙纶更大，因此为使材料具有超细纤维结构，纺丝时计量泵的挤出量应在丙纶制备工艺的基础上适当调低，而牵伸的热空气的温度和压力相较于熔融挤出时要适当调高，因为聚乳酸的分解点比丙纶要低很多，所以纺丝温度相对于传统的丙纶熔喷工艺要调低30-60℃，PLA与丙纶的流体密度不同，因此加工时的管道压力也有一定的改变；同时PLA产品由于强力很低，因此生产时为避免飞花，要适当调整接收距离；为保证产品具有良好的透气性，以及适当的厚度与克重，相应的调整接收负压和接收速度；
(5)制成的纤维材料进行长效驻极整理，将制成的纤维网匀速通过高压静电场，使纤维材料具有静电吸附能力，从而具有高效过滤材料的性能，并且纳米颗粒在纤维中是良好的电荷载体，所以纤维网中的电荷停留时间长，材料具有长时间的高效过滤性能；
所述长效驻极整理中驻极电压为20kv-50kv。
2.根据权利要求1所述的高强力长效驻极超细纤维PLA熔喷非织造材料，其特征在于：所述可再生、可降解的PLA切片的原料为左旋PLLA切片，原料的结晶度在30％-60％之间，熔融指数在70-400之间，分子量在10万-15万之间，熔点为165℃-180℃，玻璃化温度为55℃-75℃。
3.根据权利要求1所述的高强力长效驻极超细纤维PLA熔喷非织造材料，其特征在于：所述纳米颗粒添加剂为无机纳米颗粒：蒙脱土、粘土或碳酸钙，颗粒直径在20至300纳米之间。
4.根据权利要求1所述的高强力长效驻极超细纤维PLA熔喷非织造材料，其特征在于：所述PLA熔喷非织造材料中纤维的直径分布主要在2-10微米之间。
5.根据权利要求1所述的高强力长效驻极超细纤维PLA熔喷非织造材料，其特征在于：所述PLA熔喷非织造材料中纳米颗粒重量占材料总重量的0.5％-3％。
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