CN113087953B - 一种医疗防护服用透气膜的制备方法 - Google Patents

一种医疗防护服用透气膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种医疗防护服用透气膜的制备方法，涉及微孔膜制备技术领域，通过PLA树脂原料与超临界气体混合挤出流延，模口气压与温度控制成孔，冷却，定型等步骤，制成为具有一定孔径的透明透气膜。该工艺区别于传统的湿法成孔工艺，具有设备成孔效率高，成孔孔径分布更均匀，孔形更规则等优点，更均匀的孔径有利于薄膜的透过率控制，更规则孔形可以提供更高的薄膜强度。

Description

一种医疗防护服用透气膜的制备方法
技术领域
本发明涉及微孔膜制备技术领域，特别涉及一种医用防护服用透气膜的制备方法。
背景技术
目前，一次性医疗防护服主要采用聚乙烯/聚丙烯纺黏非织造布与透气微孔薄膜复合，或用水刺非织造布与透气微孔薄膜复合，或用木桨复合水刺非织造布。其中透气微孔薄膜是一次性防护服的关键组成部分，赋予了防护服隔液透气，即“呼吸”的功能，其“三拒一抗”、液体阻隔性能以及力学性能是决定防护服舒适度和防护性的关键因素。
国内市面常见的一次性医疗防护服用透气膜主要为聚乙烯(PE)透气膜。其透气防水的原理为在纺薄膜前将碳酸钙粉末加到PE原料中,薄膜成型后经拉伸产生微孔。由于PE可在一定条件下进行拉伸和结晶，拉伸时聚合物与碳酸钙颗粒之间发生界面剥离，碳酸钙颗粒周围就形成了相互连通的蜿蜒曲折的孔隙或通道(直径0.1-50um)，赋予了薄膜透气透湿而液体不能渗透的功能，从而沟通了薄膜两面的环境。但这种透气膜在医疗临床长时间高强度使用中(4小时轮一班)暴露出一些棘手的问题。最突出的问题是由于吸湿透气性差会引起医务人员皮肤、身体不适。这严重增加了医务人员因抵抗力下降而感染病毒的风险。其次，PE微孔透气膜的撕裂强度不够，治疗过程中会因碰到桌角、担架等尖锐物而破裂，增加感染风险，降低使用寿命。此外，废弃防护服如果处理不当，还可能导致病毒再传播。
PLA透气膜可以避免传统PE透气膜出现的撕裂强度不够，治疗过程中会因碰到桌角、担架等尖锐物而破裂，增加医护人员感染风险，同时PLA透气膜在使用填埋后3至6个月内自然降解，解决了传统医用防护服难以进行废弃物处理的问题。
近年来，以超临界CO2(sc CO2)为物理发泡剂进行微孔发泡的关注较多。与传统的发泡工艺相比，sc CO2挤出发泡能够精确控制泡孔的结构，降低加工温度，减少设备的机械磨损，对环境友好，降低了加工过程中的能量需求。虽然PLA具有较高的拉伸强度和压缩模量，其质硬，缺乏柔性和弹性，并且，其熔体粘弹性较弱、结晶速率慢、结晶度低、成型周期长，薄膜成型后经sc CO2发泡无法产生所需的微孔。
国内外一些学者针对PLA的缺陷进行了研究，目前改善PLA发泡性能较为有效的方法是加入纳米成核剂。纳米粒子在发泡过程中起到异相成核点的作用，显著提升PLA的发泡性能，改善PLA发泡材料的泡孔结构。
Yang等引入纳米氧化锌与三甲基丙烷三丙烯酸酯/PLA熔融共混挤出制备了微孔泡沫。实验结果表明，当纳米ZnO用量为0.4份时，泡孔直径由140μm减小到52.13μm，泡孔密度显著增加。分析流变动态结果可知，纳米ZnO的加入明显改善了复合材料的熔体强度。这是由于，纳米氧化锌与体系中酯交换反应引入的长链分支具有协同作用，能够使PLA呈现出高分枝度的星形拓扑结构，增强了PLA链之间的缠结。
然而，纳米粒子的加入虽然改善了PLA发泡材料的泡孔结构，但会使薄膜的透明性下降，限制了PLA微孔膜的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种医疗防护服用透气膜的制备方法，采用sc CO2微孔发泡技术，PLA树脂原料与超临界气体混合挤出流延，然后经口模挤出成型膜片，通过在口模处加设恒温恒压气体保护罩，形成阶梯式压力降，超临界气体发生膨胀与爆裂并形成50-80μm的微孔，解决防护服舒适度较差、力学强度较低和后处理难度大的现象，同时通过保护罩内气体的温度、压力以及保护罩沿膜材长度方向的尺寸、保护罩之后的风冷效果和定型辊的辊温这些参数的耦合性，确保膜材的透明性。
具体是这样实施的：一种医疗防护服用透气膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1、PLA树脂原料与超临界气体混合挤出流延：将干燥的PLA颗粒料通过双螺杆挤出机的主加料口料斗加入，再将超临界二氧化碳流体通过计量泵加入到双螺杆挤出机内，scCO2流体体积用量为PLA颗粒料体积份数的5％-10％，sc CO2流体的压力为20-35Mpa，挤出机从料筒到机头的螺杆温度为160-240℃，sc CO2流体与PLA熔体经剪切段充分混合均匀后，经熔体计量段进入流延口膜处；
2、模口气压与温度控制膜材成孔：口模处设置气体保护罩，其内通入恒温恒压的氮气，温度为40-70℃，压力为5-10个大气压，膜材于气体保护罩内于恒温恒压条件下成孔；
3、冷却：膜材经过保护罩后立即进入风刀进行冷却，风冷的温度为20-40℃；
4、定型：膜材通过风刀后进入定型辊工位，辊温为20-25℃，辊速与挤出速率匹配以保证薄膜厚度为40-60μm，后经切边、收卷制成为具有一定孔径的透明透气膜。
本透气膜由于单用PLA材料，在挤出流延成膜时，sc CO2流体离开口模后，压力迅速释放，从熔体温度和20个大气压急剧下降到常温常压，超临界气体发生膨胀与爆裂并形成微孔，但气体膨胀与爆裂过程对PLA熔体的扰动性会造成泡孔塌陷、尺寸不均等问题，故本发明提出在流延口模处加上气体保护罩，通入恒温恒压的氮气，使PLA/sc CO2流体共混物流出口模后，压力和温度不会迅速下降，而是阶段性释放，对刚出口模的片材温度与膜材周围的气体压力降进行控制，使sc CO2流体稳定地形成尺寸相对均匀的微孔，解决泡孔塌陷问题；气体保护罩内恒温恒压的管控同时配合风刀和定型辊温度的控制，防止PLA发生结晶，保证薄膜的透明度。若风刀或定型辊温度过高，PLA会发生结晶，透明度下降。
本发明工艺步骤2中气体保护罩沿膜材长度方向的尺寸不能太长，本工艺中气体保护罩的长度为10-15cm。膜材的透明性取决于保护罩内空气的温度、保护罩沿膜材长度方向的尺寸、保护罩之后的风冷效果和定型辊的辊温这些参数的耦合性。
本发明的挤出流延工艺，制得的膜材微孔平均直径为50-80μm，孔径大小采用螺杆转速来调整，较强烈的螺杆剪切配置则将熔体与超临界气体分布更均匀，则会出现更小更均匀的孔径。较弱的螺杆剪切则导致较大的孔径，且孔径分布标准偏差值较大，不利于透过性的控制。本工艺采用的螺杆转速为150rpm-200rpm。
本发明的技术效果和优点：
1、采用sc CO2流体微孔发泡技术和气体保护罩阶梯压降，利用超临界气体发生膨胀与爆裂形成微孔，解决防护服舒适度较差、力学强度较低和后处理难度大的现象。本工艺具有设备成孔效率高，成孔孔径分布更均匀，孔形更规则等优点。更均匀的孔径有利于薄膜的透过率控制，更规则孔形可以提供更高的薄膜强度。
2、通过保护罩内气体的温度、压力以及保护罩沿膜材长度方向的尺寸、保护罩之后的风冷效果和定型辊的辊温这些参数的耦合性，确保膜材的透明性。
3、因混合进超临界气体的PLA熔体的粘度有较大下降，流动性显著变好，本工艺区别于传统流延机，在挤出机与口模连接处不再需要熔体泵装置。
4、制得的PLA薄膜厚度为40-60μm，透湿量最高达851.8g/m2·24h，透气膜微孔平均直径为50-80μm，孔径均匀，这种孔径既可以透过水蒸汽、氧气、二氧化碳等气体分子，又可以阻止水分子的通过，达到较好的透气性同时又有较好的防水性能。
附图说明
图1为本发明的成型工艺示意图。
图2为本发明的成型工艺口模处膜材成孔示意图。
图中：1主加料口料斗、2计量泵、3流延口模4气体保护罩、5膜材、5.1膜材基体、5.2、膜材微孔、6定型辊、7风刀、8双螺杆挤出机。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中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做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
一种医疗防护服用透气膜，为PLA膜片层，PLA膜片层表面均匀分布超临界二氧化碳流体成型的微孔，有利于提升透气防水性，其制备方法是：
(1)PLA树脂原料与超临界气体混合挤出流延：将干燥的PLA颗粒料通过双螺杆挤出机8的主加料口料斗1加入，再将超临界二氧化碳流体通过计量泵2加入到双螺杆挤出机内，sc CO2流体体积用量为PLA颗粒料体积份数的5％，sc CO2流体的压力为20Mpa，挤出机从料筒到机头的螺杆温度为160-240℃，螺杆转速为200rpm，sc CO2流体与PLA熔体经剪切段充分混合均匀后，经熔体计量段进入流延口膜3处；
(2)模口气压与温度控制膜材成孔：流延口模处设置气体保护罩4，气体保护罩4沿膜材长度方向的长度为13cm，其内通入温度为70℃，压力为5个大气压的氮气，膜材5于气体保护罩4内于恒温恒压条件下成孔，即在膜材基体5.1上形成膜材微孔5.2；
(3)冷却：膜材5经过气体保护罩4后立即进入风刀7进行冷却，风冷的温度为40℃；
(4)定型：膜材5通过风刀7后进入定型辊6工位，辊温为25℃，辊速与挤出速率匹配以保证薄膜厚度为40-60μm，后经切边、收卷制成为具有一定孔径的透明透气膜。
实施例2-9和对比例1，制备方法参照实施例1，具体参数见表1，制得透气膜性能见表2。
表1
Figure GDA0003801887660000071
Figure GDA0003801887660000081
表2
Figure GDA0003801887660000082
实施例10-11，比较例2-3，改变螺杆转速，其它参数同实施例8，制得透气膜性能见表3。螺杆转速过小，sc CO2流体与PLA熔体混合不均匀，得到的孔洞很大且不均匀，导致薄膜不防水，不能作为透气膜使用；螺杆转速过大，挤出的膜出现鲨鱼皮症，无法得到表面平整的膜。
表3
Figure GDA0003801887660000091
实施例12-19和对比例4-7，制备方法参照实施例1，sc CO2流体体积用量为PLA颗粒料体积份数的10％，sc CO2流体的压力为28，挤出机从料筒到机头的螺杆温度为160-240℃，螺杆转速为200rpm，流体与PLA熔体经挤出机的剪切段充分混合均匀后，经熔体计量段进入膜材口膜处，其它步骤工艺参数如表4所示，制得透气膜性能见表5。
表4
Figure GDA0003801887660000092
/>
Figure GDA0003801887660000101
表5
Figure GDA0003801887660000102
/>

Claims (2)

1.一种医疗防护服用透气膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）PLA树脂原料与超临界气体混合挤出流延：将干燥的PLA颗粒料通过双螺杆挤出机的主加料口料斗加入，再将超临界二氧化碳流体通过计量泵加入到双螺杆挤出机内，scCO2流体体积用量为PLA颗粒料体积份数的5%-10%，sc CO2流体的压力为20-35Mpa，挤出机从料筒到机头的螺杆温度为160-240℃，sc CO2流体与PLA熔体经剪切段充分混合均匀后，经熔体计量段进入流延口膜处；
（2）模口气压与温度控制膜材成孔：口模处设置气体保护罩，其内通入恒温恒压的氮气，温度为40-70℃，压力为5-10个大气压，膜材于气体保护罩内于恒温恒压条件下成孔；
（3）冷却：膜材经过保护罩后立即进入风刀进行冷却，风冷的温度为20-40℃；
（4）定型：膜材通过风刀后进入定型辊工位，辊温为20-25℃，辊速与挤出速率匹配以保证薄膜厚度为40-60μm，后经切边、收卷制成为具有一定孔径的透明透气膜；
步骤（2）中气体保护罩沿膜材长度方向的长度为10-15cm；
所述双螺杆挤出机的螺杆转速为150rpm-200 rpm。
2.根据权利要求1所述的一种医疗防护服用透气膜的制备方法，其特征在于：膜材的微孔平均直径为50-80μm。
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