CN110468505B - 超细弹性无纺布及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于平面接收式离心纺装置制备的超细弹性无纺布及其制备方法，通过将聚氨酯颗粒溶于N，N‑二甲基甲酰胺中配置纺丝液，然后将纺丝液注入平面接收式离心纺装置中进行离心纺丝。通过合理设置离心纺纺丝参数，保证了纺丝过程的顺利进行，制得的超细弹性无纺布中的纤维直径可达2.1±1.1μm，排列致密，拉伸强度可达到18.59±5.59MPa，断裂伸长率可达到450±20％，且该方法操作过程简单、适宜规模化量产、生产效率高。

Description

超细弹性无纺布及其制备方法

技术领域

本发明涉及无纺布领域，特别是涉及一种基于平面接收式离心纺装置制备的超细弹性无纺布及其制备方法。

背景技术

聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，主链上含有较多氨基甲酸酯基团或脲基团的高分子聚合物，它是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基加聚而成的化合物；聚氨酯是由硬段相和软段相组成的高分子材料，其性能主要取决于软硬段的相结构和微相分离程度，聚氨酯中的硬段是由强极性和刚性的氨基甲酸酯等基团组成，由于其内聚能大，分子间形成的氢键使其聚集在一起形成硬段区；而极性较弱的聚醚段或聚酯段等聚集在一起形成软段区；由于聚氨酯含有极性比较强的氨基甲酸酯基，难溶于非极性的溶剂中，具有良好的耐油性、优异的韧性、耐磨性能、耐老化性以及具有良好的粘合性，其生物相容性和血液相容性也很好，非常耐微生物，易于加工，能采用通常的方法灭菌，可适合于所需的医疗环境，因而广泛应用于医药以及材料的制备领域。

在离心纺丝制备纳/微米纤维的过程中，收集方式对射流的运动轨迹和受力过程有重要影响，进而影响纤维的形态和性能；此外，纺丝液浓度、转速、喷丝孔直径等工艺参数也有重要影响。传统的离心纺丝设备通常使用环形收集棒收集，这种收集方式获得的纤维为不连续的短纤，生产效率低下，限制了离心纺在大规模生产中的应用，而且制备得到的纤维性能不佳。

申请号为CN201210448865.5的专利申请公开了一种制备低温定型聚氨酯弹性纤维的方法，该方法采用聚醚二元醇PTMG、聚酯二元醇PE、二苯基甲烷二异氰酸酯MDI、四甲基苯二甲基二异氰酸酯m-TMXDI进行缩聚反应，得到氨基甲酸酯预聚物；并以DMAC或DMF作为溶剂，对预聚物进行充分溶解；然后，使用扩链剂、链终止剂溶液对预聚物进行扩链和链终止反应，得到聚氨酯脲溶液；最后，在聚氨酯脲溶液中添加各种功能助剂，并借助干法纺丝系统制备得到具有低温定型性能的聚氨酯弹性纤维，虽然该方法制备得到的聚氨酯弹性纤维定型性能较好，但是其存在以下不足：操作过程复杂，采用的干法纺丝系统产量较低、不适应量产。

申请号为CN201910431025X的发明专利提供了一种平面接收式离心纺自动生产设备及方法，其提出的离心纺设备在喷丝装置下方设置连续的平面收集带，喷丝器在高速旋转时喷出的纺丝溶液固化后呈螺旋线下降至收集带上表面以形成连续不断的离心纺纤维网，解决了离心纺难以得到连续长丝的问题，实现了离心纺连续批量化生产。

发明内容

本发明的目的在于基于上述平面接收式离心纺装置，提供一种力学性能良好、适宜大规模量产、生产效率高的超细弹性无纺布及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，包括如下步骤：

S1，配制纺丝液：取预定量的聚氨酯颗粒溶于N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后真空脱泡配制成预定质量浓度的纺丝液；其中，搅拌温度为20～45℃，搅拌速率为500～1000r/min，搅拌时间为0.5～5h，真空脱泡处理时间为10～60min；

S2，离心纺丝：将步骤S1配制的所述纺丝液注入平面接收式离心纺装置中进行离心纺丝，得到超细弹性无纺布。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述聚氨酯颗粒与所述N，N-二甲基甲酰胺的质量分数比为20％：80％～50％：50％。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述平面接收式离心纺装置包括喷丝装置和沿水平方向延伸且设置于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以使所述纺丝液从所述喷丝装置的喷丝孔中射出并呈螺旋线下降至所述收集装置上，得到所述超细弹性无纺布。

作为本发明的进一步改进，所述喷丝装置高速旋转的同时沿所述收集装置的宽度方向水平往复运动，以实现宽幅非织造布生产。

作为本发明的进一步改进，所述喷丝装置的转速为3000～10000r/min，所述喷丝装置的喷丝孔径为0.1～1mm。

作为本发明的进一步改进，在离心纺丝过程中，所述收集装置与所述喷丝装置之间的纺丝距离为3～12cm。

作为本发明的进一步改进，在离心纺丝过程中，纺丝环境温度为25～65℃。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种超细弹性无纺布，该超细弹性无纺布根据前述技术方案中任一技术方案所述的方法制备得到，该超细弹性无纺布包括以下质量分数的原料，20～50份的聚氨酯颗粒，50～80份的N，N-二甲基甲酰胺。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用平面接收式离心纺装置进行离心纺丝，所制备得到的超细弹性无纺布中的纤维直径较小，排列致密，拉伸强度可达到18.59±5.59MPa，断裂伸长率可达到450±20％。

2、本发明采用的聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺质量分数比为20％：80％～50％：50％，避免了由于聚氨酯浓度过高造成弹性无纺布纤维粘连现象发生，同时避免浓度过低，造成弹性无纺布纤维直径粗细不均的现象，制备所得的弹性无纺布纤维直径较细，排列致密。

3、本发明的方法合理的设置纺丝参数范围：在离心纺丝过程中，喷丝装置的转速为3000～10000r/min，喷丝装置的喷丝孔径为0.1～1mm，所述收集装置与所述喷丝装置之间的纺丝距离为3～12cm，纺丝环境温度为25～65℃，避免了在纺丝过程中射流堵塞针头造成弹性无纺布纤维直径粗细不均的现象；避免了在纺丝过程中射流上的拉伸力较小，造成弹性无纺布纤维直径变大，进而影响弹性无纺布的纤维直径的问题，保证了纺丝过程的顺利进行，制备所得的超细弹性无纺布中的纤维直径较细，排列致密。

4、本发明在采用平面接收式离心纺装置进行离心纺丝过程中，纺丝环境温度为25～65℃，可以克服纺丝的粘度和表面张力，进而拉伸成纤维，不需在超高温情况下形成快速高温气流，工作环境容易实现，节约了成本。

5、本发明的方法操作过程简单、适宜大规模量产、生产效率高。

附图说明

图1为本发明使用的平面接收式离心纺装置的结构示意图；

图2为图1中纺丝装置的结构示意图；

图3为图2中喷丝装置的结构示意图；

图4为图1中收集装置的结构示意图；

图5为本发明方法的实施例1制备的超细弹性无纺布的扫描电镜图，标尺为50um；

图6为本发明方法的实施例2制备的超细弹性无纺布的扫描电镜图，标尺为50um；

图7为本发明方法的实施例3制备的超细弹性无纺布的扫描电镜图，标尺为10um；

图8为本发明方法的实施例4制备的超细弹性无纺布的扫描电镜图，标尺为10um；

图9为本发明方法的实施例5制备的超细弹性无纺布的扫描电镜图，标尺为10um；

图10为本发明方法的实施例6制备的超细弹性无纺布的扫描电镜图，标尺为10um；

图11为本发明方法的实施例7制备的超细弹性无纺布的扫描电镜图，标尺为10um。

附图标记：

100、平面接收式离心纺装置；11、机架；12、供料装置；13、纺丝装置；132、横移装置；133、喷丝装置；1340、喷丝器；1344、导料管；1345、空心轴；1348、喷丝孔；14、收集装置；141、传动牵引装置；142、收集带；143、水平支撑板；15、温控装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图4所示，一种平面接收式离心纺装置100包括机架11、纺丝装置13、为所述纺丝装置13提供纺丝液的供料装置12、用于收集所述纺丝装置13喷出的离心纺纤维的收集装置14以及温控装置15。其中，所述收集装置14沿水平方向延伸且设置于所述纺丝装置13的下方，以使所述纺丝装置13喷出的离心纺纤维附着在收集装置14的表面，实现了平面接收离心纺纤维。

特别地，所述纺丝装置13包括喷丝装置133和带动所述喷丝装置133沿所述收集装置14的延伸方向(图1中箭头所示方向)的垂直方向水平往复运动的横移装置132，使得所述喷丝装置133喷出的离心纺纤维可以沿所述收集装置14的宽度方向均匀覆盖在整个收集装置14上。如此，实现了宽幅非织造生产。

所述喷丝装置133包括与所述供料装置12连接的缓存罐、喷射离心纺纤维的喷丝器1340、连通所述缓存罐与所述喷丝器1340的导料管1344、套设于导料管1344外周的空心轴1345以及驱动喷丝器1340旋转的动力部(未标号)。导料管1344的一端伸入缓存罐内，另一端伸入喷丝器1340内，以将缓存罐内的纺丝液引入喷丝器1340内，且导料管1344与空心轴1345的内壁不接触，避免了工作过程中由于摩擦导致设备故障，保证了设备正常运行。

所述喷丝器1340上设有至少一个喷丝孔1348，在喷丝器1340高速旋转时，纺丝溶液可从所述喷丝孔1348内射出。根据生产需要，可在所述喷丝孔1348内设置不同规格的针头。

导料管1344的上端通过螺纹连接固定在缓存罐内，固定连接处加装耐腐蚀橡胶垫进行密封处理。当然，导料管1344与缓存罐的连接方式并不以此为限，只需保证二者之间密封连通即可。

请参阅图4并结合图1所示，所述收集装置14包括安装在所述机架11上的传动牵引装置141、收集带142以及设置于所述收集带142下方用于支撑所述收集带142的水平支撑板143。所述水平支撑板143用于保证所述收集带142处于水平状态，便于收集由纺丝溶液形成的纤维网。所述收集带142为环形带，套在传动牵引装置141上，所述传动牵引装置141带动所述收集带142做固定方向的循环运动。

如此，当所述喷丝器1340高速旋转时，纺丝溶液从所述喷丝器1340上的所述喷丝孔1348内射出，在空气阻力、流体的黏性力及自身的惯性力的共同作用下，在射流轴向上产生一对轴向拉伸力的作用下，在扇形区域形成扩散性射流，此时纺丝半径逐渐变大；紧接着，由于所述喷丝器1340的高速旋转，其所造成的气流场开始对射流进行引导性牵伸，并在重力的作用下，射流轨迹逐渐向下偏移，且纺丝半径呈逐渐变小，这样经过射流的产生、拉伸、颈缩的过程后形成的纤维呈螺旋线下降并收集于所述收集装置14上，随着收集带142向前运动，纤维网均匀平铺在所述收集带142上，形成均匀的离心纺纤维网。

请参阅图5至图8并结合图1至图4所示，本发明提供了一种基于所述平面接收式离心纺装置100制备超细弹性无纺布的方法，包括如下步骤：

S1，配制纺丝液：取预定量的聚氨酯颗粒溶于N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后真空脱泡配制成预定质量浓度的纺丝液；其中，搅拌温度为20～45℃，搅拌速率为500～1000r/min，搅拌时间为0.5～5h，真空脱泡处理时间为10～60min；

S2，离心纺丝：将步骤S1配制的所述纺丝液注入所述平面接收式离心纺装置100中进行离心纺丝，得到超细弹性无纺布。

其中，在步骤S1中，所述聚氨酯颗粒与所述N，N-二甲基甲酰胺的质量分数比为20％：80％～50％：50％。

在步骤S2的离心纺丝过程中，所述喷丝装置133高速旋转以使所述纺丝液从所述喷丝装置133的喷丝孔1348中射出并呈螺旋线下降至所述收集装置14上，得到所述超细弹性无纺布。其中，纺丝环境温度为25～65℃，所述喷丝装置的转速为3000～10000r/min，所述喷丝装置133的喷丝孔径为0.1～1mm，所述收集装置14与所述喷丝装置133之间的纺丝距离为3～12cm。

特别地，所述喷丝装置133高速旋转的同时由所述横移装置132驱动沿所述收集装置14的宽度方向水平往复运动，以实现宽幅非织造布生产。

本发明还提供了一种根据前述制备方法制备得到的超细弹性无纺布，该超细弹性无纺布包括以下质量分数的原料，20～50份的聚氨酯颗粒，50～80份的N，N-二甲基甲酰胺。

下面结合实施例1至实施例30对本发明的基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法进行说明：

实施例1：

一种基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，包括以下步骤：

S1、配制纺丝液：将聚氨酯颗粒溶于N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后真空脱泡配制成纺丝液；其中，所述聚氨酯颗粒与N，N-二甲基甲酰胺质量分数比为20％:80％，搅拌温度为20～45℃，搅拌速率为520r/min，搅拌时间为2h，真空脱泡处理时间为30min；

S2、离心纺丝：将步骤S1配制的所述纺丝液注入平面接收式离心纺装置100中进行离心纺丝，得到超细弹性无纺布；其中，离心纺丝参数如下：所述喷丝装置的喷丝孔径为0.16mm(使用的针头规格为30G)，喷丝装置的转速为5000r/min，所述收集装置14与所述喷丝装置133之间的纺丝距离为10cm；纺丝环境温度为60℃。

图5为该实施例制备的超细弹性无纺布的扫描电镜图，由图可知，该超细弹性无纺布中的纤维细度均匀，结构致密。

实施例2-7

实施例2-7提供了基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，与实施例1相比，其不同之处在于，改变了聚氨酯颗粒与N，N-二甲基甲酰胺的质量分数比，其他步骤与实施例1的基本相同，在此不再赘述；实施例2-7中聚氨酯与N，N-二甲基甲酰胺的质量分数比如下表所示：

项目	聚氨酯与N，N-二甲基甲酰胺质量分数比
		实施例2	21％:79％
实施例3	22％:78％
		实施例4	23％:77％
实施例5	30％:70％
		实施例6	40％:60％
实施例7	50％:50％

表1 为实施例1-7制备的超细弹性无纺布的性能

由表1及图5至图11可以看出，当纺丝液中聚氨酯与N，N-二甲基甲酰胺质量分数比为21％:79％时，所制备得到的弹性无纺布直径较小，排列致密，拉伸强度和断裂伸长率性能较优。随着纺丝液中聚氨酯浓度的升高，纤维出现了粘连的现象，这主要是因为当聚氨酯浓度较高时，有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺的含量降低，当纺丝液挥发时，纺丝液中聚氨酯含量会相应增高，导致弹性无纺布中纤维的直径增大，进而造成了弹性无纺布中纤维出现了粘连的现象，且纺丝液中聚氨酯浓度过高易造成针头堵塞，容易造成纺丝过程中针头喷射射流断裂，在表面张力的作用下，断裂的射流收缩成球状，进而导致弹性无纺布直径的增大，粘连现象严重。当聚氨酯浓度较低时，所得的弹性无纺布中纤维粗细较不均匀，这主要是因为当聚氨酯浓度较低时，粘度较低，容易造成在纺丝过程中针头射流喷射断裂，在表面张力的作用下，断裂的射流收缩，导致弹性无纺布中纤维粗细较不均匀。

随着聚氨酯含量的增加，超细弹性无纺布的拉伸强度和断裂伸长率先增加后减小，在纺丝液中聚氨酯与N，N-二甲基甲酰胺质量分数比为21％:79％时，所制备超细弹性无纺布的拉伸强度可达到18.59±5.59MPa，断裂伸长率可达到450±20％，力学性能优良。

实施例8-14

实施例8-14提供了基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，与实施例2相比，其不同之处在于，改变了所述收集装置14与所述喷丝装置133之间的纺丝距离，其他步骤与实施例2的基本相同，在此不再赘述；实施例8-14中的纺丝距离及制备的超细弹性无纺布的力学性能如下表2所示：

表2 为实施例2及8-14的纺丝距离及制备的超细弹性无纺布的力学性能

由表2可以看出，随着纺丝距离增大，由于在相同的时间内纤维能够得到更有效的拉伸，纤维直径逐渐减小，在纺丝距离为5cm时(实施例9)，制备的超细弹性无纺布直径为2.7±1.2μm，拉伸强度可达到18.59±5.77Mpa，断裂伸长率可达到454±22％。

实施例15-20

实施例15-20提供了基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，与实施例2相比，其不同之处在于，改变了所述喷丝装置133的喷丝孔径，即，使用具有不同喷丝孔径的喷丝器或者使用不同规格的针头，其他步骤与实施例2的基本相同，在此不再赘述；实施例15-20中的喷丝孔径及制备的超细弹性无纺布的力学性能如下表3所示：

表3 为实施例2及15-20的喷丝孔径及制备的超细弹性无纺布的力学性能

由表3可以看出，随着喷丝孔径的增大，由于单位时间内通过喷丝孔的溶液体积量变大，纤维直径逐渐变大，在喷丝孔径为0.16mm时(实施例2)，制备的超细弹性无纺布直径为2.1±1.1μm，拉伸强度可达到18.59±5.59Mpa，断裂伸长率可达到450±20％。

实施例21-25

实施例21-25提供了基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，与实施例2相比，其不同之处在于，改变了所述喷丝装置133的转速，其他步骤与实施例2的基本相同，在此不再赘述；实施例21-25中的喷丝装置的转速及制备的超细弹性无纺布的力学性能如下表4所示：

表4 为实施例2及21-25的喷丝装置的转速及制备的超细弹性无纺布的力学性能

由表4可以看出，随着喷丝装置的转速的增大，纤维所受的离心力逐渐增大，纤维直径逐渐减小，当喷丝装置的转速为5000r/min时(实施例2)，制备的超细弹性无纺布直径为2.1±1.1μm，拉伸强度可达到18.59±5.59Mpa，断裂伸长率可达到450±20％。

实施例26-30

实施例26-30提供了基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，与实施例2相比，其不同之处在于，改变了纺丝环境温度，其他步骤与实施例2的基本相同，在此不再赘述；实施例26-30中的纺丝环境温度及制备的超细弹性无纺布的力学性能如下表5所示：

表5 为实施例2及26-30的纺丝环境温度及制备的超细弹性无纺布的力学性能

由表5可以看出，随着纺丝环境温度的升高，相同时间内通过喷丝孔的溶剂挥发的越快，纤维直径逐渐减小。在纺丝环境温度为60℃时(实施例2)，制备的超细弹性无纺布直径为2.1±1.1μm，拉伸强度可达到18.59±5.59Mpa，断裂伸长率可达到450±20％。

综上所述，本发明基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，通过将聚氨酯颗粒溶于N，N-二甲基甲酰胺中配置纺丝液，然后将纺丝液注入平面接收式离心纺装置中进行离心纺丝，通过合理设置离心纺纺丝参数，保证了纺丝过程的顺利进行，制得的超细弹性无纺布中的纤维直径可达2.1±1.1μm，排列致密，拉伸强度可达到18.59±5.59MPa，断裂伸长率可达到450±20％，且该方法操作过程简单、适宜大规模量产、生产效率高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，配制纺丝液：按照聚氨酯颗粒与N，N-二甲基甲酰胺的质量分数比为20％：80％～50％：50％取预定量的聚氨酯颗粒溶于N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后真空脱泡配制成预定质量浓度的纺丝液；其中，搅拌温度为20～45℃，搅拌速率为500～1000r/min，搅拌时间为0.5～5h，真空脱泡处理时间为10～60min；

S2，离心纺丝：将步骤S1配制的所述纺丝液注入平面接收式离心纺装置中进行离心纺丝，得到超细弹性无纺布；其中，所述平面接收式离心纺装置包括喷丝装置和沿水平方向延伸且设置于所述喷丝装置下方的收集装置；控制所述喷丝装置的转速为3000～8000r/min，所述喷丝装置的喷丝孔径为0.1～1mm；所述收集装置与所述喷丝装置之间的纺丝距离为3～10cm，在离心纺丝过程中，所述喷丝装置高速旋转使所述纺丝液从所述喷丝装置的喷丝孔中射出，在空气阻力、流体的黏性力及自身的惯性力的共同作用下，在射流轴向上产生一对轴向拉伸力，在扇形区域形成扩散性射流，此时纺丝半径逐渐变大；接着，由于所述喷丝装置的高速旋转，其所造成的气流场开始对射流进行引导性牵伸，并在重力的作用下，射流轨迹逐渐向下偏移，且纺丝半径呈逐渐变小，这样经过射流的产生、拉伸、颈缩的过程后形成的纤维呈螺旋线下降并收集于所述收集装置上。

2.根据权利要求1所述的基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，其特征在于：所述喷丝装置高速旋转的同时沿所述收集装置的宽度方向水平往复运动，以实现宽幅非织造布生产。

3.根据权利要求1所述的基于平面接收式离心纺装置制备超细弹性无纺布的方法，其特征在于：在离心纺丝过程中，纺丝环境温度为25～65℃。

4.一种超细弹性无纺布，其特征在于：该超细弹性无纺布根据权利要求1～3中任一权利要求所述的方法制备得到，包括以下质量分数的原料，20～50份的聚氨酯颗粒，50～80份的N，N-二甲基甲酰胺，所述超细弹性无纺布中的纤维排列致密，拉伸强度能够达到18.59±5.59MPa，断裂伸长率能够达到450±20％。

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