CN108660616A - 一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及非织造复合材料领域，特别是指一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料及其制备方法。所述的非织造复合材料由自上而下的水平分支超细纤维层、粘合层以及蓬松层，其中水平分支超细纤维层为PEG/PP熔喷超细纤维层，粘合层为网状热熔胶层，蓬松层为热风非织造材料。水平分支结构的PEG/PP熔喷超细纤维层所具有的800nm以下的纳米纤维网、2000nm以上的超细纤维网与热风非织造材料的迂曲大孔隙组成三级树形网状结构，不仅可以实现获得流体在水平方向的快速扩散，还可以通过厚度方向上的结构差异调控流体的垂直速度，同时本发明所涉及到的制备方法流程短，工艺灵活性高，尤其适合小订单生产。

Description

一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及非织造复合材料领域，特别是指一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料及其制备方法。
背景技术
非织造材料是以纤维为主要成分的三维网状多孔纤维材料，其结构蓬松，有利于流体的快速传输而受到了工业界和学术界的重视。根据其不同的结构和性能，非织造材料在医疗卫生（如妇幼吸收性卫生用品等）、过滤（如口罩、粗效空气净化器等）和隔热保温等领域有广泛的应用，是目前公认的经济、实用型纤维材料。这些领域的应用很大程度上与连续流体在非织造材料内部的流动方式密切相关，流体在非织造材料内的传输主要作用于纤维表面和纤维间的孔隙，可以通过调整纤维特性（如纤维细度及分布、表面张力等）和纤维材料的结构（如纤维排列等）来改变流体的传输性能。
树形结构作为一种非常普遍而又特殊的结构，典型特征为主干连接多个支干，并形成传输通道，其特性为网状扩散结构可以使流阻减到最小，是大自然依据物质（液态水）传输效率和营养供给的效率原则而进化出的分支结构多层级网络形态。如发明专利ZL.201510271895. 7提出利用两根或两根以上的纱线在内层上组合形成一个多根纱线圈：同时这两根或两根以上的纱线在外层上形成两个或两个以上的单纱线圈，来模拟树形结构。
尽管树形结构在机织物的应用已经被证明，但是树形结构的非织造复合材料及其产业化的制备方法已经是行业内预解决的问题。
发明内容
本发明提出一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料及其制备方法，解决了现有非织造复合材料内流体的水平方向扩散速度和垂直渗透速度的差异性的不足的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提出了一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料，其特征在于所述的非织造复合材料由自上而下的水平分支超细纤维层、粘合层和蓬松层组成；水平分支超细纤维层为PEG/PP熔喷超细纤维材料，垂直渗透层为热风非织造材料，粘合层为网状热熔胶。
本发明的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料中，所述的水平分支结构的PEG/ PP熔喷超细纤维材料的特征为：熔喷超细纤维材料的面密度为6-200g/m2，熔喷纤维中包括聚乙二醇和聚丙烯两种热塑性聚合物，所述聚乙二醇和聚丙烯的质量百分比为聚丙烯70%-95%，聚乙二醇5%-30%；熔喷纤维的直径分布为800nm以下、800-2000nm和2000nm以上；三种分布的纤维数量以100份计，其中800nm以下的纤维数量为2000nm以上纤维数量的1.8-4.2倍，余量为直径为800-2000nm的纤维。
本发明的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料中，所述的热风非织造材料的面密度为：11-26g/m2，孔隙率为92-99%，纤维为51mm长的PE/PP皮芯型纤维，纤维细度为1.5旦尼尔。
本发明的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料中，所述的热熔性网状热熔胶，其特征为厚度为0.03-0.08mm 其组成为PES、PO、PA、TPU、EVA其中的一种。
需要说明的是，水平分支结构的PEG/PP熔喷超细纤维层所具有的800nm以下的纳米纤维网、2000nm以上的超细纤维网与热风非织造材料的迂曲大孔隙组成三级树形网状结构，不仅可以实现获得流体在水平方向的快速扩散，还可以通过厚度方向上的结构差异调控流体的垂直速度。
一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将热风非织造材料送入刚辊和弹性辊组成的轧光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，即蓬松层；
（2）粘合层的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.03-0.08mm的PA热熔性网状热熔胶，即粘合层；
（3）水平分支超细纤维层的准备：将聚乙二醇与聚丙烯充分混合均匀后加入料斗，按照熔喷非织造布的生产工艺加工，熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，即得水平分支超细纤维层；
（4）三层复合；将步骤（1）、（2）、（3）中制备的蓬松层、粘合层、水平分支超细纤维层按照自下而上的顺序送入到热轧复合机内复合；
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，即得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
本技术方案能产生的有益效果：
本发明采取的离线式热轧复合，投资小，可以进行小订单生产，产品灵活性高，且非织造复合材料具有克重小，厚度薄，质量轻，手感柔的特点。
本发明所涉及的树形结构可以引导液体在水平方向的快速传输，还可以在垂直方向上起到阻尼效果，进而调控流体在水平方向上的扩散速度和厚度方向上的垂直渗透速度。
附图说明
图1为本发明仿生树形非织造复合材料的原理图。
图2为实施例1制备的产品采用高速摄像机利用Image J软件测试得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图。
图3为实施例2制备的产品采用高速摄像机利用Image J软件测试得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图。
图4为实施例3制备的产品采用高速摄像机利用Image J软件测试得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图。
图5为实施例4制备的产品采用高速摄像机利用Image J软件测试得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图。
图6为实施例5制备的产品采用高速摄像机利用Image J软件测试得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图。
图7为实施例6制备的产品采用高速摄像机利用Image J软件测试得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图。
图8为实施例7制备的产品采用高速摄像机利用Image J软件测试得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图。
图9为实施例8制备的产品采用高速摄像机利用Image J软件测试得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将纤维长度为51mm，纤维细度为1.5旦尼尔的PP/PE皮芯型纤维利用干法梳理成网（详见：非织造学/柯勤飞、靳向煜主编—2版—上海—东华大学出版社，2010.8），经过热风烘燥后制成克重15g/m2的热风非织造材料，然后将制得的热风非织造材料送入钢辊和弹性辊组成的压光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，轧辊温度控制为100℃。
（2）网状热熔胶的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.04mm的PA热熔性网状热熔胶。
（3）超细纤维层的准备：将8%的水溶性聚乙二醇切片与92%的聚丙烯切片充分混合均匀后加入料斗，然后按照熔喷非织造布的生产工艺加工，将机头温度控制在240℃；热风温度控制在240℃；输网帘速度为50HZ；接收距离为15cm。熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，超细纤维层的面密度为20 g/m2。
（4）三层复合：将以上步骤中的热风非织造材料、网状热熔胶和PEG/PP熔喷超细纤维材料和网状热熔胶按照自下而上的顺序送入到两辊热轧复合机内复合，热轧辊的温度为120℃。
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
采用高速摄像机利用Image J软件测试本实施例制备的非织造复合材料，得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图如图2所示。
实施例2
本实施例的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将纤维长度为51mm，纤维细度为1.5旦尼尔的PP/PE皮芯型纤维利用干法梳理成网（详见：非织造学/柯勤飞、靳向煜主编—2版—上海—东华大学出版社，2010.8），经过热风烘燥后制成克重15g/m2的热风非织造材料，然后将制得的热风非织造材料送入钢辊和弹性辊组成的压光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，轧辊温度控制为100℃。
（2）网状热熔胶的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.04mm的EVA热熔性网状热熔胶。
（3）超细纤维层的准备：将12%的水溶性聚乙二醇切片与88%的聚丙烯切片充分混合均匀后加入料斗，然后按照熔喷非织造布的生产工艺加工，将机头温度控制在240℃；热风温度控制在240℃；输网帘速度为50HZ；接收距离为15cm。熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，超细纤维层的面密度为20 g/m2。
（4）三层复合：将以上步骤中的热风非织造材料、网状热熔胶和PEG/PP熔喷超细纤维材料和网状热熔胶按照自下而上的顺序送入到两辊热轧复合机内复合，热轧辊的温度为120℃。
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
采用高速摄像机利用Image J软件测试本实施例制备的非织造复合材料，得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图如图3所示。
实施例3
本实施例的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将纤维长度为51mm，纤维细度为1.5旦尼尔的PP/PE皮芯型纤维利用干法梳理成网（详见：非织造学/柯勤飞、靳向煜主编—2版—上海—东华大学出版社，2010.8），经过热风烘燥后制成克重15g/m2的热风非织造材料，然后将制得的热风非织造材料送入钢辊和弹性辊组成的压光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，轧辊温度控制为100℃。
（2）网状热熔胶的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.03mm的TPU热熔性网状热熔胶。
（3）超细纤维层的准备：将15%的水溶性聚乙二醇切片与85%的聚丙烯切片充分混合均匀后加入料斗，然后按照熔喷非织造布的生产工艺加工，将机头温度控制在240℃；热风温度控制在240℃；输网帘速度为50HZ；接收距离为15cm。熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，超细纤维层的面密度为20 g/m2。
（4）三层复合：将以上步骤中的热风非织造材料、网状热熔胶和PEG/PP熔喷超细纤维材料和网状热熔胶按照自下而上的顺序送入到两辊热轧复合机内复合，热轧辊的温度为120℃。
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
采用高速摄像机利用Image J软件测试本实施例制备的非织造复合材料，得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图如图4所示。
实施例4
本实施例的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将纤维长度为51mm，纤维细度为1.5旦尼尔的PP/PE皮芯型纤维利用干法梳理成网（详见：非织造学/柯勤飞、靳向煜主编—2版—上海—东华大学出版社，2010.8），经过热风烘燥后制成克重15g/m2的热风非织造材料，然后将制得的热风非织造材料送入钢辊和弹性辊组成的压光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，轧辊温度控制为100℃。
（2）网状热熔胶的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.04mm的PO热熔性网状热熔胶。
（3）超细纤维层的准备：将20%的水溶性聚乙二醇切片与80%的聚丙烯切片充分混合均匀后加入料斗，然后按照熔喷非织造布的生产工艺加工，将机头温度控制在240℃；热风温度控制在240℃；输网帘速度为50HZ；接收距离为15cm。熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，超细纤维层的面密度为20 g/m2。
（4）三层复合：将以上步骤中的热风非织造材料、网状热熔胶和PEG/PP熔喷超细纤维材料和网状热熔胶按照自下而上的顺序送入到两辊热轧复合机内复合，热轧辊的温度为120℃。
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
采用高速摄像机利用Image J软件测试本实施例制备的非织造复合材料，得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图如图5所示。
实施例5
本实施例的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将纤维长度为51mm，纤维细度为1.5旦尼尔的PP/PE皮芯型纤维利用干法梳理成网（详见：非织造学/柯勤飞、靳向煜主编—2版—上海—东华大学出版社，2010.8），经过热风烘燥后制成克重15g/m2的热风非织造材料，然后将制得的热风非织造材料送入钢辊和弹性辊组成的压光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，轧辊温度控制为100℃。
（2）网状热熔胶的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.04mm的PA热熔性网状热熔胶。
（3）超细纤维层的准备：将8%的水溶性聚乙二醇切片与92%的聚丙烯切片充分混合均匀后加入料斗，然后按照熔喷非织造布的生产工艺加工，将机头温度控制在250℃；热风温度控制在250℃；输网帘速度为50HZ；接收距离为15cm。熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，超细纤维层的面密度为20 g/m2。
（4）三层复合：将以上步骤中的热风非织造材料、网状热熔胶和PEG/PP熔喷超细纤维材料和网状热熔胶按照自下而上的顺序送入到两辊热轧复合机内复合，热轧辊的温度为120℃。
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
采用高速摄像机利用Image J软件测试本实施例制备的非织造复合材料，得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图如图6所示。
实施例6
本实施例的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将纤维长度为51mm，纤维细度为1.5旦尼尔的PP/PE皮芯型纤维利用干法梳理成网（详见：非织造学/柯勤飞、靳向煜主编—2版—上海—东华大学出版社，2010.8），经过热风烘燥后制成克重15g/m2的热风非织造材料，然后将制得的热风非织造材料送入钢辊和弹性辊组成的压光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，轧辊温度控制为100℃。
（2）网状热熔胶的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.02mm的PA热熔性网状热熔胶。
（3）超细纤维层的准备：将15%的水溶性聚乙二醇切片与85%的聚丙烯切片充分混合均匀后加入料斗，然后按照熔喷非织造布的生产工艺加工，将机头温度控制在250℃；热风温度控制在250℃；输网帘速度为50HZ；接收距离为15cm。熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，超细纤维层的面密度为20 g/m2。
（4）三层复合：将以上步骤中的热风非织造材料、网状热熔胶和PEG/PP熔喷超细纤维材料和网状热熔胶按照自下而上的顺序送入到两辊热轧复合机内复合，热轧辊的温度为120℃。
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
采用高速摄像机利用Image J软件测试本实施例制备的非织造复合材料，得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图如图7所示。
实施例7
本实施例的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将纤维长度为51mm，纤维细度为1.5旦尼尔的PP/PE皮芯型纤维利用干法梳理成网（详见：非织造学/柯勤飞、靳向煜主编—2版—上海—东华大学出版社，2010.8），经过热风烘燥后制成克重15g/m2的热风非织造材料，然后将制得的热风非织造材料送入钢辊和弹性辊组成的压光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，轧辊温度控制为100℃。
（2）网状热熔胶的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.04mm的TPU热熔性网状热熔胶。
（3）超细纤维层的准备：将8%的水溶性聚乙二醇切片与92%的聚丙烯切片充分混合均匀后加入料斗，然后按照熔喷非织造布的生产工艺加工，将机头温度控制在240℃；热风温度控制在240℃；输网帘速度为50HZ；接收距离为10cm。熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，超细纤维层的面密度为30g/m2。
（4）三层复合：将以上步骤中的热风非织造材料、网状热熔胶和PEG/PP熔喷超细纤维材料和网状热熔胶按照自下而上的顺序送入到两辊热轧复合机内复合，热轧辊的温度为120℃。
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
采用高速摄像机利用Image J软件测试本实施例制备的非织造复合材料，得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图如图8所示。
实施例8
本实施例的一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将纤维长度为51mm，纤维细度为1.5旦尼尔的PP/PE皮芯型纤维利用干法梳理成网（详见：非织造学/柯勤飞、靳向煜主编—2版—上海—东华大学出版社，2010.8），经过热风烘燥后制成克重15g/m2的热风非织造材料，然后将制得的热风非织造材料送入钢辊和弹性辊组成的压光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，轧辊温度控制为100℃。
（2）网状热熔胶的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.03mm的PA热熔性网状热熔胶。
（3）超细纤维层的准备：将15%的水溶性聚乙二醇切片与85%的聚丙烯切片充分混合均匀后加入料斗，然后按照熔喷非织造布的生产工艺加工，将机头温度控制在240℃；热风温度控制在240℃；输网帘速度为50HZ；接收距离为10cm。熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，超细纤维层的面密度为30 g/m2。
（4）三层复合：将以上步骤中的热风非织造材料、网状热熔胶和PEG/PP熔喷超细纤维材料和网状热熔胶按照自下而上的顺序送入到两辊热轧复合机内复合，热轧辊的温度为120℃。
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
采用高速摄像机利用Image J软件测试本实施例制备的非织造复合材料，得出的液体在水平面上的扩散与时间的关系图如图9所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水平分支增强的仿生树形非织造复合材料，其特征在于：所述非织造复合材料包括自上而下的水平分支超细纤维层、粘合层和蓬松层；其中水平分支超细纤维层为PEG/PP熔喷超细纤维材料，粘合层为网状热熔胶，蓬松层为热风非织造材料。
2.根据权利要求1所述的水平分支增强的仿生树形非织造复合材料，其特征在于：所述水平分支结构的PEG/ PP熔喷超细纤维材料的面密度为6-200g/m2，PEG/ PP熔喷超细纤维材料的原料包括聚乙二醇和聚丙烯两种热塑性聚合物，其中聚丙烯的质量分数为70%-95%，聚乙二醇的质量分数为5%-30%。
3.根据权利要求2所述的水平分支增强的仿生树形非织造复合材料，其特征在于：所述PEG/ PP熔喷超细纤维材料中纤维直径分布为800nm以下、800-2000nm和2000nm以上，三种分布的纤维数量以100份计，其中800nm以下的纤维数量为2000nm以上纤维数量的1.8-4.2倍，余量为直径为800-2000nm的纤维。
4.根据权利要求1所述的水平分支增强的仿生树形非织造复合材料，其特征在于：所述热风非织造材料的面密度为11-26g/m2，孔隙率为92-99%，其纤维为51mm长的PE/PP皮芯型纤维，纤维细度为1.5旦尼尔。
5.根据权利要求1所述的水平分支增强的仿生树形非织造复合材料，其特征在于：所述网状热熔胶为PES、PO、PA、TPU或EVA中的一种，网状热熔胶的厚度为0.03-0.08mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，其特征在于，步骤为：
（1）蓬松层的准备：将热风非织造材料送入钢辊和弹性辊组成的轧光机处理，获得表面平整的热风非织造材料，即蓬松层；
（2）粘合层的准备：所用的热熔性网状热熔胶是厚度为0.03-0.08mm的PA热熔性网状热熔胶，即粘合层；
（3）水平分支超细纤维层的准备：将聚乙二醇与聚丙烯充分混合均匀后加入料斗，按照熔喷非织造布的生产工艺加工，将机头温度控制在240-270℃，热空气温度控制在240-270℃，输网帘速度为50HZ，接收距离为15cm；
熔体细流在经过高速热空气牵伸后在输网帘上成网，即得水平分支超细纤维层；
（4）三层复合；将步骤（1）、（2）、（3）中制备的蓬松层、粘合层、水平分支超细纤维层按照自下而上的顺序送入到热轧复合机内复合；
（5）成卷：将复合后的三层材料成卷打包，即得到水平分支增强的仿生树形非织造复合材料。
7.根据权利要求6所述的水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中轧光温度为90-100℃。
8.根据权利要求6所述的水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中机头温度控制在240-270℃，热空气温度控制在240-270℃，输网帘速度为50HZ，接收距离为15cm。
9.根据权利要求6所述的水平分支增强的仿生树形非织造复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中三层复合的热轧复合机为两辊热轧机，热轧辊的温度为110-140℃。
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