CN110409057A - 超细纤维无纺布及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超细纤维无纺布及其制备方法。首先将预定比例的耐高温聚合物溶解在溶液中,搅拌至形成纺丝液,然后采用平面接收式离心纺装置,将纺丝液进行离心纺丝,制备出超细纤维无纺布。本发明制备的超细纤维无纺布具有优异的高温过滤性能。本发明提供的平面接收式离心纺丝工艺操作简易、产量高、耗能低,具有产业化的巨大价值。

Description

超细纤维无纺布及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维材料领域,具体涉及一种超细纤维无纺布及其制备方法。
背景技术
高效过滤技术和高性能高温过滤材料正得到日益广泛的应用,随着应用领域要求的日益严格,高温过滤材料正逐渐向着耐高温,耐高腐蚀、耐久性、低运行阻力以及高功能性方向发展,因此对高性能纤维的要求也越来越迫切。在众多高分子聚合物成纤材料中,芳纶和聚酰亚胺具有超高强度、耐高温、耐腐蚀、绝缘、抗老化等优良性能,广泛应用于复合材料、防弹制品、建材、特种防护服装、电子设备等领域。
申请号为CN201010166400.1的发明专利中公开了一种静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法,具体采用了静电纺丝工艺,制备出的间位芳纶纳米纤维无纺布既保持了间位芳纶原有的一些优良性能,同时具有纳米纤维材料的特殊功能,可广泛应用于高温过滤材料、防护服、锂电池隔膜等领域中。申请号为CN201210169182.6的发明专利中公开了一种间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法,制得的间位芳纶纳米蛛网纤维膜与普通静电纺纤维膜纤维相比,其纤维直径更小、比表面积更大、纤维膜孔径更小、孔隙率更高,同时具有间位芳纶突出的耐高温性、防火性和良好的尺寸稳定性。申请号为CN201810719982.8的发明专利中公开了一种静电纺聚酰亚胺纳米纤维高温过滤材料,对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理,制备出多层聚酰亚胺过滤材料。但上述的制备方法过程复杂、需要高压电场、而且产量低、不适合量产和产业化推广。
离心纺是借助离心力将高分子聚合物溶液经喷丝孔甩出形成射流,并在惯性力、粘滞力和空气阻力的共同作用下,迅速被拉细固化形成超细纤维,并快速向收集器运动,是一种同时适用于溶液纺和熔融纺的新型纺丝技术。离心纺工艺产量高,其制备的纤维产品可应用于生物医药、空气过滤、能源等领域。目前国内外对离心纺所制备的纤维主要采用环形收集的方式,但是这种收集方式不利于离心纺的产业化,且获得的纤维为不连续的短丝。
申请号为CN201910431025.X的发明专利公开了一种平面接收式离心纺自动生产设备及方法,喷丝器在高速旋转时喷出的纺丝溶液呈螺旋线下降收集在设置于喷丝器下方且连续传送的收集装置上,实现纤维的连续收集,并且解决了连续长丝的制备问题。
发明内容
针对上述不足,本发明的目的在于提供一种超细纤维无纺布及其制备方法。将预定比例的耐高温聚合物溶解在溶液中,搅拌至形成纺丝液,然后采用平面接收式离心纺装置,将纺丝液进行离心纺丝,制备出超细纤维无纺布。
为了实现上述发明目的,本发明提供了一种超细纤维无纺布的制备方法,采用平面接收式离心纺装置来制备,包括如下步骤:
S1、配制纺丝液:将预定比例的耐高温聚合物溶解在溶液中,搅拌处理至形成纺丝液;其中,耐高温聚合物与溶液的质量百分比为15%:85%~25%:75%;
S2、离心纺丝:将步骤S1所述的纺丝液,注入平面接收式离心纺装置中,进行离心纺丝,制备出超细纤维无纺布。
优选的,在步骤S1中,所述耐高温聚合物为间位芳纶,所述溶液为二甲基乙酰胺/氯化盐混合溶液。
优选的,在步骤S1中,所述溶液中氯化盐与二甲基乙酰胺的质量百分比为2%:98%~10%:90%。
优选的,在步骤S1中,所述耐高温聚合物为聚酰亚胺;所述溶液为二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种。
优选的,在步骤S2中,所述平面接收式离心纺丝装置,包括喷丝装置和设置在所述喷丝装置下方的收集装置;在离心纺丝工艺中,所述喷丝装置高速旋转使步骤S1所述的纺丝液从所述喷丝装置的喷丝针头中射出,并呈螺旋线下降至所述收集装置上,靠离心力的作用将所述纺丝液中的耐高温聚合物制备成超细纤维无纺布。
优选的,所述的收集装置为平面式传送带,可以进行纤维的连续收集。
优选的,所述离心纺丝过程中,所述喷丝装置的喷丝针头孔径为0.1~1mm。
优选的,所述离心纺丝过程中,所述喷丝装置与所述收集装置之间的纺丝距离为0~12cm。
优选的,所述离心纺丝过程中,纺丝温度为60℃~80℃。
优选的,所述离心纺丝过程中,纺丝转速为4000~10000r/min。
优选的,在步骤S2中,所述氯化盐为氯化锂、氯化钙中的一种。
为了实现上述发明目的,本发明还提供了采用上述制备方法制备得到的超细纤维无纺布。所述的超细纤维无纺布具有优异的高温过滤性能。
有益效果
1.本发明提供的超细纤维无纺布的制备方法,可以通过调控纺丝液中聚合物的含量来调控纤维的直径以及纤维之间的空隙大小,进而来调控超细纤维无纺布的过滤性能。
2.本发明制备的超细纤维无纺布具备优异的高温过滤性能。
3.本发明提供的平面接收式离心纺丝工艺操作过程简单、产量高、耗能低,具有巨大的产业化价值。
4.本发明提供的平面接收式离心纺丝工艺通过四个工艺参数,即纺丝温度、喷丝针头孔径、纺丝转速及纺丝距离来调控超细纤维的性能。
附图说明
图1为本发明所采用的平面接收式离心纺装置的结构示意图。
图2为图1中喷丝装置的结构示意图。
图3为图1中收集装置的结构示意图。
图4为本发明实施例2制备的超细纤维无纺布的电镜图,标尺为10um。
图5为本发明实施例3制备的超细纤维无纺布的电镜图,标尺为10um。
图6为本发明实施例4制备的超细纤维无纺布的电镜图,标尺为10um。
图7为本发明实施例5制备的超细纤维无纺布的电镜图,标尺为10um。
图8为本发明实施例11制备的超细纤维无纺布的电镜图,标尺为10um。
图9为本发明实施例12制备的超细纤维无纺布的电镜图,标尺为10um。
图10为本发明实施例13制备的超细纤维无纺布的电镜图,标尺为10um。
图11为本发明实施例14制备的超细纤维无纺布的电镜图,标尺为10um。
附图标记:
1、机架;2、喷丝装置;201、缓存罐;202、导料管;203、喷丝器;204、喷丝针头;205、横移装置;3、收集装置;301、水平支撑板;302、收集带;303、牵引装置;4、供料装置;5、温控装置;6、控制系统。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例;基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都属于本发明所保护的范围。
请参阅图1所示,本发明所采用的平面接收式离心纺装置包括机架1、喷丝装置2、收集装置3、供料装置4、温控装置5、控制系统6;所述收集装置3设置在所述喷丝装置2下方且沿水平方向延伸;所述收集装置2表面形成有负压,负压使得离心纺纤维吸附在所述收集装置2上。
请参阅图2所示,所述喷丝装置2包括缓存罐201、导料管202和喷丝器203,所述缓存罐201内的纺丝溶液通过导料管202进入喷丝器203内;所述喷丝器203安装有喷丝针头204,喷丝器203中的纺丝液通过喷丝针头204射出。所述喷丝装置2还包括固定安装在机架1上的横移装置205,所述横移装置205驱动所述喷丝装置2在所述收集装置3上方做水平往复运动,实现了宽幅非织造生产。
请参阅图3所示,所述收集装置3包括水平支撑板301、收集带302和牵引装置303;所述支撑板301,用于支撑收集带302处于水平状态;所述收集带302为环形带,套在所述传动牵引装置303上,进行打卷收集;所述传动牵引装置303带动所述收集带302做固定方向循环传送运动,进行纤维的连续收集。
在离心纺丝过程中,所述喷丝装置2高速旋转使纺丝液从所述喷丝装置2的喷丝针头204中射出,并呈螺旋线下降至所述收集装置3的收集带302上,制备成超细纤维无纺布。
一种超细纤维无纺布的制备方法,通过图1-3所示的平面接收式离心纺丝装置来实施,包括如下步骤:
S1、配制纺丝液:将预定比例的耐高温聚合物溶解在溶液中,搅拌处理至形成纺丝液;其中,耐高温聚合物与溶液的质量百分比为15%:85%~25%:75%;
S2、离心纺丝:将步骤S1所述的纺丝液,注入平面收集式离心纺装置中,进行离心纺丝,制备出超细纤维无纺布。
其中,离心纺丝过程中,喷丝装置2的喷丝针头204的孔径为0.1~1mm;喷丝装置2与收集装置3之间的纺丝距离为0~12cm;纺丝温度为60℃~80℃;纺丝转速为4000~10000r/min。
下面结合实施例1至实施例38对本发明的超细纤维无纺布的制备方法进行说明:
实施例1
S1、配制纺丝液:将间位芳纶纤维于120℃下真空干燥2h,然后将间位芳纶浸渍于DMAc/LiCl混合溶液中,并在95℃的恒温条件下,磁力搅拌至形成透明淡黄色溶液,最后将透明淡黄色溶液置于真空干燥箱中脱泡待用;其中,DMAc/LiCl混合溶液中LiCl与DMAc的质量百分比为5%:95%;间位芳纶与DMAc/LiCl混合溶液的质量百分比为15%:85%。
S2、离心纺丝:将步骤S1所述脱泡完全后的纺丝液,倒入平面接收式的离心纺丝装置中,进行离心纺丝,制备出超细纤维无纺布;其中,离心纺丝工艺参数设置为:喷丝装置的喷丝针头孔径为0.41mm;收集装置与喷丝装置之间的纺丝距离为5cm;纺丝环境温度为70℃;喷丝装置的转速为6000r/min。
实施例2-6
与实施例1的区别在于:间位芳纶与DMAc/LiCl混合溶液的质量百分比设置不同,其他步骤基本相同。
表1为实施例1-6中间位芳纶与DMAc/LiCl混合溶液的质量百分比参数设置及制备的超细纤维无纺布的过滤性能参数过滤性能参数(测试流量:32L/min,将含尘气体经过高温过滤性能分析系统)
结果分析如下:
图4-7分别为实施例2-5制备的超细纤维无纺布的电镜图。结合图4-7所示,本发明制备的超细纤维无纺布中纤维交错排列,随着间位芳纶在溶液中含量的降低,纤维单丝越来越细,纤维单丝与纤维单丝之间的空隙也越来越大。
结合表1对实施例1-6进行结果分析:随着间位芳纶含量的增加,超细纤维无纺布的过滤效率呈现先上升后下降的趋势,风阻也呈现先上升后下降的趋势,直径呈现不断增大的趋势。在实施例3中,间位芳纶质量百分比为17%时,超细纤维无纺布的过滤效率达到最大值为97%,原因是当间位芳纶质量百分比为17%时,离心纺制备的纤维很细,并且相比其他实施例,纤维之间孔隙分布更为均匀。
本发明制备得到的超细纤维无纺布内部空间结构较为松散,空间层次多,具有多级空间层次的超细纤维无纺布在过滤过程中具有多层次的拦截作用,因此过滤性能优异。
需要注意的是:当间位芳纶质量百分比低于15%时,纺丝液中成纤聚合物间位芳纶的含量太低,采用该纺丝溶液在离心纺丝过程中,纺丝液的黏性力过小,将导致射流的破裂并在表面张力的作用下形成串珠,生成的纤维较少,且不能很好地形成连续且粗细均匀的纤维;当间位芳纶质量百分比高于25%时,间位芳纶在纺丝液中出现难溶或不溶现象,形成的纺丝液溶解不均匀,且纺丝液黏度过高容易堵塞喷丝针头,同时射流易发生挤出破裂现象,造成制备出的纤维粗细不均匀,加工性低。
实施例7-9
与实施例3的不同之处在于:混合溶液中LiCl与DMAc的质量百分比的设置不同,其他步骤基本相同,在此不再赘述。
表2为实施例3及实施例7-9混合溶液中LiCl与DMAc的质量百分比的设置及制备的超细纤维无纺布的过滤性能参数(测试流量:32L/min)
结合表2对实施例3及实施例7-9进行结果分析:
由于间位芳纶纤维在二甲基乙酰胺中只能发生有限溶胀,氯化盐的加入有利于间位芳纶纤维的快速溶解。此外,溶液中的氯化盐还能防止间位芳纶大分子的降解。
从表2中可以看出,随着氯化盐的质量百分比的增大,制备的超细纤维无纺布的过滤性能先增大后减小,直径逐渐增大。原因是随着氯化盐的增大,溶液的黏度增大,到一定范围时,随着浓度的增大,溶液的流变学性质发生改变,直径变大,纤维孔隙较大。
实施例10
S1、配制纺丝液:将干燥后的可溶性聚酰亚胺粉末溶于一定量的二甲基甲酰胺中,在60℃条件下搅拌使其完全溶解,制成纺丝液;其中,聚酰亚胺与二甲基甲酰胺的质量百分比为15%:85%;
S2、离心纺丝:将步骤S1所述的纺丝液,倒入平面接收式的离心纺丝装置中,进行离心纺丝,制备出超细纤维无纺布。
其中,离心纺丝工艺参数设置为:喷丝装置的喷丝针头孔径为0.41mm;收集装置与喷丝装置之间的纺丝距离为5cm;纺丝环境温度为70℃;喷丝装置的转速为6000r/min。
实施例11-15
与实施例10的不同之处在于:聚酰亚胺与二甲基甲酰胺的质量百分比的设置不同,其他步骤基本相同,在此不再赘述。
表3为实施例10-15聚酰亚胺与二甲基甲酰胺的质量百分比的设置及制备的超细纤维无纺布的过滤性能参数(测试流量:32L/min)
实施例 聚酰亚胺 二甲基甲酰胺 过滤效率(%) 风阻(Pa) 纤维直径(μm)
实施例10 15% 85% 95 8 1.7±0.9
实施例11 20% 80% 95 8 1.8±1.0
实施例12 21% 79% 98 11 1.8±1.4
实施例13 22% 78% 99 12 1.9±1.1
实施例14 23% 77% 96 10 2.1±0.9
实施例15 25% 75% 96 12 2.2±1.2
图8-11分别为实施例11-14制备的超细纤维无纺布的电镜图。结合图8-11所示,本发明制备的超细纤维无纺布中纤维交错排列,随着聚酰亚胺在溶液中含量的降低,纤维单丝越来越细,纤维单丝与纤维单丝之间的空隙也越来越大,整体规律与间位芳纶超细纤维无纺布的规律一致。
结合表3对实施例10-15进行结果分析:随着聚酰亚胺含量的增加,超细纤维无纺布的过滤效率呈现先上升后下降的趋势,风阻也呈现先上升后下降的趋势。在实施例13中,聚酰亚胺质量百分比为22%时,过滤效率达到最大,为99%,原因是聚酰亚胺质量百分比为22%时,所制备的纤维较细,相比于其他实施例,纤维整体直径和孔隙分布更为均匀。
本发明制备得到的超细纤维无纺布内部空间结构较为松散,空间层次多,具有多级空间层次的超细纤维无纺布在过滤过程中具有多层次的拦截作用,因此过滤性能优异。
需要注意的是:当聚酰亚胺质量百分比低于15%时,纺丝液中成纤聚合物聚酰亚胺的含量太低,采用该纺丝溶液在离心纺丝过程中,纺丝液的黏性力过小,将导致射流的破裂并在表面张力的作用下形成串珠,不能很好地形成连续且粗细均匀的纤维。当聚酰亚胺质量百分比高于25%时,纺丝液中因聚酰亚胺含量高,纺丝液的黏性力过大,拉伸力小于黏性力,将导致射流难以被拉伸变细,造成制备的纤维较粗,纤维直径分布变宽。
实施例16-19
与实施例3的不同之处在于:喷丝针头孔径的设置不同,其他步骤基本相同,在此不再赘述。
表4为实施例16-19离心纺丝工艺中喷丝针头孔径设置及制备的超细纤维无纺布的过滤性能参数(测试流量:32L/min)
实施例 针头孔径(mm) 过滤效率(%) 风阻(Pa) 纤维直径(μm)
实施例16 0.1 96 6 2.0±1.1
实施例17 0.2 97 5 2.1±0.9
实施例3 0.41 97 7 2.2±1.1
实施例18 0.64 96 5 2.3±1.2
实施例19 1 95 4 2.5±1.5
结合表4对实施例3及实施例16-19进行结果分析:
喷丝针头孔径越小,纺制的纤维直径越细。随着喷丝针头孔径的减小,离心纺丝过程中纺丝液在同等离心力的作用经喷丝针头甩出的射流量变小,单根纤维长丝的纺丝轨迹在空气的螺旋迹线变得紧密,纺丝轨迹半径随之变小,从而得到的纤维无纺布的覆盖面积减小,所获得的纤维无纺布的单位面积克重随之增大。
从表4中可以看出,随着喷丝针头孔径的减小,制备的超细纤维无纺布的过滤性能,呈现先增大后减小的趋势。
实施例20-22
与实施例3的不同之处在于:喷丝装置与收集装置之间的纺丝距离的设置不同,其他步骤基本相同,在此不再赘述。
表5为实施例20-22离心纺丝工艺中喷丝装置与收集装置之间的纺丝距离设置及制备的超细纤维无纺布的过滤性能参数(测试流量:32L/min)
实施例 纺丝距离(cm) 过滤效率(%) 风阻(Pa) 纤维直径(μm)
实施例3 5 97 7 1.8±1.1
实施例20 1 95 5 2.1±1.2
实施例21 8 94 5 1.6±1.1
实施例22 12 93 4 1.5±0.9
结合表5对实施例3及实施例20-22进行结果分析:
经喷丝针头射出的纺丝液射流在离心力、自身粘滞力及空气阻力的共同作用下,逐渐被拉伸,并固化成纤,进而在重力的作用下收集到收集装置上。随着纺丝距离的增大,在旋转的喷丝器下方的负压力场对收集在收集装置上的纤维的作用力逐渐减弱,从而得到布面较整齐的超细纤维无纺布。
从表5中可以看出,随着纺丝距离的增大,制备的超细纤维无纺布的过滤性能呈现先增大后减小趋势,直径呈现逐渐减小的趋势。
实施例23-24
与实施例3的不同之处在于:纺丝温度的设置不同,其他步骤基本相同,在此不再赘述。
表6为实施例23-24离心纺丝工艺中纺丝温度设置及制备的超细纤维无纺布的过滤性能参数(测试流量:32L/min)
实施例 纺丝温度(℃) 过滤效率(%) 风阻(Pa) 纤维直径(μm)
实施例3 70 97 7 1.8±1.1
实施例23 60 94 4 1.7±1.7
实施例24 80 96 3 1.9±1.5
结合表6对实施例3及实施例23-24进行结果分析:
在不同纺丝温度下,由于流变性能的改变,导致其在离心纺丝时的射流状态不一,随着纺丝温度的不断增大,制备的超细纤维无纺布的过滤性能呈现先增大后减小趋势,直径呈现逐渐增大的趋势。
实施例25-27
与实施例3的不同之处在于:纺丝转速的设置不同,其他步骤基本相同,在此不再赘述。
表7为实施例25-27离心纺丝工艺中纺丝转速设置及制备的超细纤维无纺布的过滤性能参数(测试流量:32L/min)
实施例 纺丝转速(r/min) 过滤效率(%) 风阻(Pa) 纤维直径(μm)
实施例3 6000 97 9 1.9±0.8
实施例25 4000 95 10 2.1±1.2
实施例26 8000 95 8 1.8±0.6
实施例27 10000 94 7 1.6±0.8
结合表7对实施例3及实施例25-27进行结果分析:
纺丝转速是影响纤维直径的重要因素,随着纺丝转速的增大,从喷丝针头射出的纺丝液所受到的离心力逐渐增大,纤维的直径逐渐变小。
从表7中可以看出,随着纺丝转速的增大,制备的超细纤维无纺布的过滤性能呈现出先增大后减小趋势,在纺丝转速为6000r/min时,过滤性能达到最优值。
实施例28-38
与实施例13的不同之处在于:离心纺丝工艺参数设置不同,其他步骤基本相同,在此不再赘述。
表8为实施例28-38中离心纺丝工艺参数设置及制备的超细纤维无纺布的过滤性能参数(测试流量:32L/min)
结合表8对实施例13及实施例28-38进行结果分析:
离心纺丝过程中,针头孔径、纺丝距离、纺丝温度及纺丝转速均对制备的聚酰亚胺超细纤维无纺布的过滤性能产生一定的影响。实施例28-38中制备的超细纤维无纺布的过滤性能在不同离心纺丝工艺参数设置下的变化规律与实施例16-27的变化规律整体一致。
综上所述,本发明提供了基于平面接收式离心纺装置制备的超细纤维无纺布,其具有优异的高温过滤性能。本发明提供的平面接收式离心纺丝工艺操作简易、产量高、耗能低,具有巨大的产业化价值。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超细纤维无纺布的制备方法,其特征在于:采用平面接收式离心纺装置来制备,包括如下步骤:
S1、配制纺丝液:将预定比例的耐高温聚合物溶解在溶液中,搅拌处理至形成纺丝液;其中,耐高温聚合物与溶液的质量百分比为15%:85%~25%:75%;
S2、离心纺丝:将步骤S1所述的纺丝液,注入平面接收式离心纺装置中,进行离心纺丝,制备出超细纤维无纺布。
2.根据权利要求1所述的超细纤维无纺布的制备方法,其特征在于:在步骤S2中,所述平面接收式离心纺丝装置,包括喷丝装置和设置在所述喷丝装置下方的收集装置;在离心纺丝过程中,所述喷丝装置高速旋转使步骤S1所述的纺丝液从所述喷丝装置的喷丝针头中射出,并呈螺旋线下降至所述收集装置上,靠离心力的作用将所述纺丝液中的耐高温聚合物制备成超细纤维无纺布。
3.根据权利要求2所述的超细纤维无纺布的制备方法,其特征在于:所述收集装置为平面式传送带,进行纤维的连续收集。
4.根据权利要求2所述的超细纤维无纺布的制备方法,其特征在于:所述离心纺丝过程中,所述喷丝装置的喷丝针头孔径为0.1~1mm。
5.根据权利要求2所述的超细纤维无纺布的制备方法,其特征在于:所述喷丝装置与所述收集装置之间的纺丝距离为0~12cm。
6.根据权利要求2所述的超细纤维无纺布的制备方法,其特征在于:所述离心纺丝过程中,纺丝温度为60℃~80℃;纺丝转速为4000~10000r/min。
7.根据权利要求1所述的超细纤维无纺布的制备方法,其特征在于:在步骤S1中,所述耐高温聚合物为间位芳纶,所述溶液为二甲基乙酰胺/氯化盐混合溶液;其中,所述溶液中氯化盐与二甲基乙酰胺的质量百分比为2%:98%~10%:90%。
8.根据权利要求1所述的超细纤维无纺布的制备方法,其特征在于:在步骤S1中,所述耐高温聚合物为聚酰亚胺,所述溶液为二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种。
9.根据权利要求7所述的超细纤维无纺布的制备方法,其特征在于:在步骤S1中,所述氯化盐为氯化锂、氯化钙中的一种。
10.一种超细纤维无纺布,其特征在于:该超细纤维无纺布根据权利要求1~9中任一项权利要求所述的方法制备得到。
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