CN111705368A - 基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法及应用 - Google Patents

基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于聚丙烯非织造布制备领域，公开了一种基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法，将聚丙烯和增塑剂加入超临界釜中，搅拌注入超临界二氧化碳，得到超临界流体；将超临界流体瞬时释放到纺丝环境中，由超临界状态发生气液分离，增塑剂和二氧化碳以气体形式置换到空气中，超临界流体中的聚丙烯冷却后得到固化聚丙烯，并在气压流动作用下发生牵伸形成聚丙烯微纳纤维集合体。本发明还公开了上述聚丙烯微纳纤维集合体的应用，经过静电开纤和热轧后形成聚丙烯非织造布。本发明用于制备聚丙烯微纳纤维集合体，其直径达到0.5~5μm，制备的聚丙烯非织造布性能远胜于熔喷或纺粘制备的聚丙烯非织造布材料，在防护服领域具有巨大的应用前景。

Description

基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法及应用
技术领域
本发明属于聚丙烯非织造布制备领域，特别涉及一种基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法及应用。
背景技术
2020年全球爆发了新型冠状病毒肺炎疫情（COVID-19），在疫情肆虐之下，口罩、防护服等医用防护用品一直处于紧缺状态，其主要原因是防护纺织品中关键过滤材料的匮乏。为了实现医用防护材料高阻隔性能，一般选用驻极熔喷非织造布、静电纺非织造布和多孔膜材料等。其中，驻极熔喷非织造布技术较为成熟，是3M公司、霍尼韦尔等国际性公司大规模生产N95口罩使用的技术；静电纺非织造布技术生产的材料虽然的过滤效果好，但受静电纺丝产能限制，难以满足疫情防护大规模需求；另外，多孔膜作为防护材料，其制备技术仍然不够成熟，在过滤效率、空气阻力和成本之间存在极大矛盾。
当前，实现驻极熔喷非织造布纤维均匀微细直径的基础条件是使用加工流动性能非常优异的高融指聚丙烯（PP）树脂。一般而言，该高融指PP树脂的熔融指数要达到1500~2000 g/10min，远远高于普通PP树脂（2~60 g/10min）。目前高融指PP树脂的制备路线主要采用过氧化降解法和茂金属催化聚合法，相对而言，过氧化降解法制备PP树脂具有制备流程长、生产能耗高的不足，且产品的流动性能稳定性差、含有较高的挥发性有机化合物（VOC）不足的缺点；茂金属催化制备PP树脂则具有流动性稳定、低VOC的优点，且生产成本低，但其制备核心技术长期以来仅有荷兰的利安德巴塞尔工业公司掌握。因此，为了更好应对COVID-19疫情防治和未来可能发生的重大突发公共卫生事件，探索建立一种不受限于高熔指PP树脂基础原材料、且可规模化生产微细纤维集合体（含纱线、织物、非织造布）的新技术具有极其重要的战略意义。
闪蒸法是一种在高温高压下将聚乙烯溶解于有机溶剂（如甲苯，二甲苯等）中，采用溶液纺丝干法工艺制备非织造布的方法，在制备过程中具有溶剂污染大、纤维形貌可控性难的问题，且杜邦公司技术工艺严格保密，仅有少数高校和企业做了探索性研究。而“瞬时释压”（FPR）纺丝法基于超临界条件下高溶解度溶液相图控制，纺丝甬道的温度、速度和压力的矢量有限元分析，实现微细聚合物纤维及其聚集体的工程化生产，且生产过程和纤维产品可计算、可模拟。因此，针对当前医用防护材料所存在的关键过滤原料短缺及其使用效能低难题，利用瞬时释压纺丝制备常规聚丙烯（PP）非织造布具有重要的科学意义和应用价值。
发明内容
为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明是要提供一种基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法，以超临界流体为纺丝液，通过纺丝组件在喷射过程中发生气液分离生成聚丙烯微细纤维集合体；
本发明的另一个目的，是要提供上述基于瞬时释压纺丝法制备的聚丙烯纤维集合体的一种应用，实现制备高过滤效率、抗渗水性、抗合成血液穿透性的聚丙烯非织造布。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法，包括以下步骤：
S1、将聚丙烯和增塑剂添加到超临界釜中，在搅拌状态下注入超临界二氧化碳，得到稳定的超临界流体；
S2、将超临界流体经瞬时释放到大气环境中，超临界流体由超临界状态发生气液分离，增塑剂和二氧化碳以气体的形式置换到空气中，超临界流体中聚丙烯冷却后得到固化聚丙烯，固化聚丙烯在气压流动作用下发生牵伸形成聚丙烯微纳纤维集合体。
作为限定，所述聚丙烯为等规聚丙烯或茂金属聚丙烯，熔体指数为20~60 g/10min；所述增塑剂为二氧六环、环己烷、二氯甲烷、二甲苯、乙二醇单甲醚中的一种。
作为第二种限定，所述聚丙烯、增塑剂的质量比为70~95:30~5。
作为第三种限定，步骤S1中，所述超临界釜的加工温度为130~190℃，注入超临界二氧化碳后的压力为8~18MPa，搅拌时间为1~3h。
作为第四种限定，步骤S2中，超临界流体以200~300 m/s瞬时释放到大气环境中。
作为第五种限定，所述聚丙烯微纳纤维集合体的直径为0.5~5μm。
本发明还提供了上述基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的一种应用，所述聚丙烯微纳纤维集合体用于经过静电开纤和热轧后形成聚丙烯非织造布。
作为限定，所述聚丙烯非织造布的纵向拉伸断裂强力为190~220N，横向拉伸断裂强力为110~137N。
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
（1）本发明中的瞬时释压纺丝法是以超临界流体为纺丝液，相比闪蒸法可以上获得的更高的纺丝压力差和纺丝喷速，同时能够有效避免有机溶剂的回收和处理；
（2）本发明通过瞬时释压纺丝法解决了闪蒸法非织造布生产过程中溶剂污染大、纤维形貌可控性难的问题；
（3）本发明中超临界流体在瞬时释放过程中发生气液分离后生成聚丙烯微纳纤维集合体，经过静电开纤和热轧后形成聚丙烯非织造布具有更高的过滤效率、抗渗水性、抗合成血液穿透性；
（4）本发明制备的聚丙烯微纳纤维集合体的直径可达到0.5~5μm。
本发明属于聚丙烯非织造布技术领域，用于制备聚丙烯微纳纤维集合体。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的聚丙烯微纳纤维集合体的扫描电镜图；
图2是本发明实施例1通过聚丙烯微纳纤维集合体制备的聚丙烯非织造布。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1 基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法及应用
本实施例包括以下步骤：将70kg熔融指数为20 g/10min的等规聚丙烯、30kg环己烷加入150℃超临界釜中，在机械搅拌状态下注入超临界二氧化碳至16MPa，搅拌2h后得到稳定的超临界流体；将超临界流体经圆形喷嘴以200 m/s的瞬时释放速度释放到大气环境中，在这过程中超临界流体由超临界状态迅速发生气液分离，环己烷和二氧化碳以气体的形式逸散到空气中，超临界流体中的聚丙烯冷却后得到固化聚丙烯，固化聚丙烯在气压流动作用下发生牵伸形成聚丙烯微纳纤维集合体。
如图1所示为实施例制备的聚丙烯微纳纤维集合体的扫描电镜图，形成的聚丙烯微纳纤维集合体的横截面呈现圆形，直径约为0.5~2μm。将获得的聚丙烯微纳纤维集合体经过静电开纤和热轧后得到聚丙烯非织造布，如图2所示。通过力学性能测试发现，聚丙烯非织造布的纵向拉伸断裂强力达到201N，横向拉伸断裂强力达到137N。
实施例2~7 基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法及应用
实施例2~7分别为一种基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法及应用，制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于制备过程中使用聚丙烯、增塑剂的种类和质量不同，工艺参数不同，如表1所示。
表1 实施例2~7原料及工艺参数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
本实施例，实施例2中聚丙烯为等规聚丙烯，增塑剂为二氧六环，形成的聚丙烯微纳纤维集合体的直径约为0.8~5μm。将获得的聚丙烯微纳纤维集合体经过静电开纤和热轧后得到聚丙烯非织造布。通过力学性能测试发现，聚丙烯非织造布的纵向拉伸断裂强力达到190N，横向拉伸断裂强力达到125N。
实施例3中聚丙烯为茂金属聚丙烯，增塑剂为二氯甲烷，形成的聚丙烯微纳纤维集合体的直径约为1~2.4μm。将获得的聚丙烯微纳纤维集合体经过静电开纤和热轧后得到聚丙烯非织造布。通过力学性能测试发现，聚丙烯非织造布的纵向拉伸断裂强力达到214N，横向拉伸断裂强力达到118N。
实施例4中聚丙烯为茂金属聚丙烯，增塑剂为二甲苯，形成的聚丙烯微纳纤维集合体的直径约为0.5~3μm。将获得的聚丙烯微纳纤维集合体经过静电开纤和热轧后得到聚丙烯非织造布。通过力学性能测试发现，聚丙烯非织造布的纵向拉伸断裂强力达到207N，横向拉伸断裂强力达到130N。
实施例5中聚丙烯为等规聚丙烯，增塑剂为乙二醇单甲醚，形成的聚丙烯微纳纤维集合体的直径约为1.7~4.2μm。将获得的聚丙烯微纳纤维集合体经过静电开纤和热轧后得到聚丙烯非织造布。通过力学性能测试发现，聚丙烯非织造布的纵向拉伸断裂强力达到193N，横向拉伸断裂强力达到118N。
实施例6中聚丙烯为等规聚丙烯，增塑剂为环己烷，形成的聚丙烯微纳纤维集合体的直径约为2.7~5μm。将获得的聚丙烯微纳纤维集合体经过静电开纤和热轧后得到聚丙烯非织造布。通过力学性能测试发现，聚丙烯非织造布的纵向拉伸断裂强力达到218N，横向拉伸断裂强力达到130N。
实施例7中聚丙烯为茂金属聚丙烯，增塑剂为乙二醇单甲醚，形成的聚丙烯微纳纤维集合体的直径约为0.8~3.5μm。将获得的聚丙烯微纳纤维集合体经过静电开纤和热轧后得到聚丙烯非织造布。通过力学性能测试发现，聚丙烯非织造布的纵向拉伸断裂强力达到216N，横向拉伸断裂强力达到113N。
对比实施例
本实施例以国家标准GB19082-2009(医用一次性防护服技术要求)要求的过滤效率和抗合成血液穿透等级为对比例1，以国家标准GB/T4744-1997（纺织物抗渗水性测定）要求的抗渗水性为对比例2，与实施例1~7得到的聚丙烯非织造布进行对比，进行过滤效率、抗渗水性和抗合成血液穿透等级性能测试，得到的结果如表2所示。
表2 性能测试结果
Figure 283291DEST_PATH_IMAGE002
由表2可知，与对比例1~2相比，本实施例得到的聚丙烯非织造布的过滤效率、抗渗水性、抗合成血液穿透性良好，在防护服领域具有巨大的应用前景。

Claims (8)

1.一种基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将聚丙烯和增塑剂添加到超临界釜中，在搅拌状态下注入超临界二氧化碳，得到稳定的超临界流体；
S2、将超临界流体经瞬时释放到大气环境中，超临界流体由超临界状态发生气液分离，增塑剂和二氧化碳以气体的形式置换到空气中，超临界流体中聚丙烯冷却后得到固化聚丙烯，固化聚丙烯在气压流动作用下发生牵伸形成聚丙烯微纳纤维集合体。
2.根据权利要求1所述的基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法，其特征在于，所述聚丙烯为等规聚丙烯或茂金属聚丙烯，熔体指数为20~60 g/10min；所述增塑剂为二氧六环、环己烷、二氯甲烷、二甲苯、乙二醇单甲醚中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法，其特征在于，所述聚丙烯、增塑剂的质量比为70~95:30~5。
4.根据权利要求1所述的基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法，其特征在于，步骤S1中，所述超临界釜的加工温度为130~190℃，注入超临界二氧化碳后的压力为8~18MPa，搅拌时间为1~3h。
5.根据权利要求1所述的基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法，其特征在于，步骤S2中，超临界流体以200~300 m/s瞬时释放到大气环境中。
6.根据权利要求1所述的基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的方法，其特征在于，所述聚丙烯微纳纤维集合体的直径为0.5~5μm。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的基于瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合体的一种应用，其特征在于，所述聚丙烯微纳纤维集合体用于经过静电开纤和热轧后形成聚丙烯非织造布。
8.根据权利要求7所述的瞬时释压纺丝法制备聚丙烯纤维集合的应用，其特征在于，所述聚丙烯非织造布的纵向拉伸断裂强力为190~220N，横向拉伸断裂强力为110~137N。
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