CN115041029A

CN115041029A - 一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜及其制备方法

Info

Publication number: CN115041029A
Application number: CN202210676506.9A
Authority: CN
Inventors: 朱美芳; 费翔; 谢继华; 李世煌; 蔡吉祥; 郑锦森; 郑庆中; 洪波
Original assignee: Donghua University; Xiamen Yanjan New Material Co Ltd
Current assignee: Donghua University; Xiamen Yanjan New Material Co Ltd
Priority date: 2022-06-15
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2022-09-13

Abstract

本发明属于多孔膜材料技术领域，具体公开了一种双组分“皮‑芯”纤维基层级结构多孔膜及其制备方法，所述层级结构多孔膜材料包括内层和外层，其分别由双组份纤维或双组份无纺布的两种组份组成，内层和外层之间不依靠外加粘结剂就可以通过热压紧密结合。本产品中的内层是双组份纤维或双组份无纺布中的高熔点组份形成的纤维骨架结构，外层是双组份纤维或双组份无纺布中的低熔点组份形成的多孔膜，外层与内层之间结合是通过双组份纤维或双组份无纺布低熔点组份融化形成多孔膜后再固化实现的，不需要外加粘结剂，其制造工艺简单，效率高，节能环保，生产成本低。

Description

一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜及其制备方法

技术领域

本发明属于多孔膜材料技术领域，具体涉及一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜及其制备方法。

背景技术

纤维基多孔膜作为一种二维材料，往往用于选择性过滤物质，在国民生活、工业生产甚至航空航天等高端领域起着举足轻重的作用。然而，纤维基层级结构多孔膜在实际制造过程中，往往需要先制备多种不同作用膜层，例如骨架层，其为层级结构多孔膜提供良好的力学性能；功能层，其为层级结构多孔膜提供特定的功能。为满足纤维基多孔膜使用场景的多元要求，往往需要对多种不同性能的膜材料进行设计堆叠，然后粘结组合成结构膜。目前，连续化粘结上述膜材料的方法，主要是在各层膜之间添加胶黏剂，然而该方法工序较繁琐、可控性不佳，尤其是两层膜界面处的孔隙不易控制，两层以上膜的连续制备更是面临瓶颈。近年来，由于双组份纤维制备技术的发展，双组份纤维两种组份物理性质存在差异的特点开始引起研究者的关注，相对于额外添加功能材料和粘结剂的技术，该特点可借助双组份纤维两种组分的均匀分布使制备出的功能层分布均匀，通过调节两种组分比例调控膜界面孔隙率。

在双组份纤维基多孔膜中，纤维中两种组分的复合结构包括“皮-芯”结构、“并列”结构、“海岛”结构等，其中“皮-芯”结构最受研究者们的青睐。相对于其它复合结构，“皮-芯”结构的优势在于其易于制备，仅需其中一种组分具有良好加工性能即可制得，因此其组分的可设计性强。基于双组份“皮-芯”纤维基多孔膜的可设计性，可采用加工性能较差的功能材料作为低熔点皮层组分，在实现层级结构多孔膜各层结构差异化的同时，额外赋予层级多孔膜的组分、结构性能。

综上所述，基于上述材料与技术所制备的层级结构多孔膜，有望拓展多孔膜材料的应用领域，促进功能膜材料的批量化生产，使其服务于医疗、国防等高端应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜及其制备方法。

为了实现上述技术目标，本发明提供了一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜，包括外层和内层。

优选的，所述的纤维基，其主体材料包括但不限于双组份纤维、双组份无纺布等。

优选的，所述的外层由多孔膜组成，其主体材料是由10-90wt％的低熔点聚合物组成。

优选的，所述的内层由纤维骨架材料组成，其主体材料是由10-90wt％高熔点聚合物组成。

更优选的，所述的低熔点聚合物包括且不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PCTG)等聚酯共聚物、聚乙烯(PE)、外消旋聚乳酸(DL-PLA)及其衍生物、聚己内酯(PCL)、聚氨酯(PU)、聚丁二酸丁二醇(PBS)等。

更优选的，所述的高熔点聚合物包括且不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)及其衍生物、聚丙烯(PP)、左旋或右旋聚乳酸(L/P-PLA)、尼龙6(PA6)及其衍生物、聚苯硫醚(PPS)等。

本发明还提供了上述层级结构多孔膜的制备方法，包括：先制备上述聚合物组合的双组份纤维或双组份无纺布，再通过热压制备层级结构多层膜材料。

优选的，所述的制备双组份纤维的制备具体步骤包括：先将高熔点聚合物料和低熔点聚合物料制成熔体；使用长度与直径之比大于或等于10的喷丝板，驱动两种熔体挤出；形成高熔点聚合物芯层和低熔点聚合物皮层的双组份纤维。

优选的，所述的双组份无纺布的制备具体步骤包括：先将高熔点聚合物料和低熔点聚合物料分别喂入对应的螺杆熔融挤出机中形成熔体；再通过“皮-芯”纺丝组件将以上熔体组合分配成“皮-芯”结构的熔体细流；然后借助气流对“皮-芯”结构熔体细流进行冷却并拉伸形成“皮-芯”结构纤维；最后将以上堆叠成网的“皮-芯”结构纤维收卷成卷。

更优选的，所述的“皮-芯”结构纤维，分为外层和内层两层结构，外层为低熔点聚合物材料，内层为高熔点聚合物材料。

优选的，所述的通过热压制备层级结构多孔膜材料的具体步骤包括：按照需求将双组份纤维堆叠或双组份无纺布放卷，调控热压参数进行热压处理，冷却后形成层级结构多孔膜材料。

更优选的，所述的热压工艺如下：热压氛围可以选择空气、真空、惰性气体等，热压温度70-150℃，热压时间0.5-5min，热压压力0-5MPa。

有益效果：本发明提供了一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜及其制备方法，该层级结构多孔膜包括外层和内层：外层为多孔膜材料，内层为纤维骨架材料；多层材料整体通过热压进行成型，此热压技术相对于传统热压技术，可以在真空状态或惰性气体氛围下进行热压，根据材料的需求，选择热压氛围，可以避免在热压过程中样品被氧化。该层级结构多孔膜可根据需求，由不同成分比例的双组份纤维和不同的热压条件控制层级结构多孔膜的性能和孔隙率，且无需添加粘结剂一步热压实现层间界面孔隙均匀可控，其制备方法操作简单、技术独特、成本低廉、绿色环保、且可规模化生产。本发明的双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜，相比于现有技术制备的多层膜，无需额外添加胶黏剂即可实现组合；同时可设计性强，可通过控制双组分纤维的组成成分以及热压参数调控产品的性能和孔隙率，以及通过控制热压时样品所处空间的氛围控制样品热压时发生的变化；其制备方法具有操作简单、成本低、规模化生产可行性高等诸多优点。

附图说明

图1为实施例1双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜的表面形貌的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明提供的上述方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜及其制备方法，由25wt％PET和75wt％PE组成。

所述的PET和PE均采用熔喷级原料。

所述的层级结构多孔膜的制备方法主要分为以下几个步骤：

(1)制备PET/PE双组份纤维：

先将高熔点聚合物料和低熔点聚合物料制成熔体；使用长度与直径之比大于或等于10的喷丝板，驱动两种熔体挤出；形成高熔点聚合物芯层和低熔点聚合物皮层直径为16μm的连续纤维。

(2)热压制备层级结构多孔膜材料：

将上述双组份纤维按照所需密度均匀堆叠放置，通过连续热压设备进行热压粘结处理。热压处理工艺如下：

空间氛围：空气

热压温度：130℃

热压时间：1min

施加压力：5MPa

热压结束后取出层级结构多孔膜，经测定其体积孔隙率为34.52％，表面孔隙率为21.31％，厚度为43μm，最终表面形貌通过场致发射扫描电子显微镜(SEM)观察如图1所示。

(3)空气过滤性能测试

使用滤料综合性能测试台对上述层级结构多孔膜的空气过滤性能进行测试。测试条件如下：

测试面积：100cm²

测试风速：42.4cm/s

过滤物：NaCl气溶胶粒子

在上述测试条件下，制备的层级结构多孔膜对粒径大小为0.3μm、0.5μm、1μm和2.5μm的NaCl气溶胶粒子的过滤效率分别为86.25％、92.46％、98.12％和99.58％。

实施例2

一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜及其制备方法，由90wt％L-PLA和10wt％PCL组成。

所述的L-PLA和PCL均采用熔喷级原料。

所述的层级结构多孔膜的制备方法主要分为以下几个步骤：

(1)熔喷制备L-PLA/PCL双组份无纺布：

先将L-PLA和PCL分别喂入对应的螺杆熔融挤出机中形成熔体；再通过皮-芯纺丝工艺将以上熔体分配成“皮-芯”结构的熔体细流；然后借助气流对“皮-芯”结构熔体细流进行冷却并拉伸形成“皮-芯”结构纤维；最后将以上堆叠成网的皮-芯结构纤维收卷成卷得到直径为15μm，克重为25g/m²双组份无纺布。

(2)热压制备层级结构多孔膜材料：

将上述双组份无纺布放卷并剪裁为大小为10cm×10cm的正方形，然后通过连续热压设备进行热压粘结处理。热压处理工艺如下：

空间氛围：真空

热压温度：70℃

热压时间：1min

施加压力：1MPa

热压结束后取出层级结构多孔膜，经测定其体积孔隙率为42.84％，表面孔隙率为49.21％，厚度为32μm。

(3)空气过滤性能测试

测试面积：100cm²

测试风速：42.4cm/s

过滤物：NaCl气溶胶粒子

在上述测试条件下，制备的层级结构多孔膜对粒径大小为0.3μm、0.5μm、1μm和2.5μm的NaCl气溶胶粒子的过滤效率分别为87.42％、94.37％、98.94％和99.72％。

实施例3

一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜及其制备方法，由50wt％PP和50wt％PBS组成。

所述的PP和PBS酯均采用熔喷级原料。

所述的层级结构多孔膜的制备方法主要分为以下几个步骤：

(1)熔喷制备PP/PBS双组份无纺布：

先将PP和PBS分别喂入对应的螺杆熔融挤出机中形成熔体；再通过“皮-芯”纺丝工艺将以上熔体分配成皮-芯结构的熔体细流；然后借助气流对“皮-芯”结构熔体细流进行冷却并拉伸形成皮-芯结构纤维；最后将以上堆叠成网的“皮-芯”结构纤维收卷成卷得到直径为20μm，克重为15g/m²双组份无纺布。。

(2)热压制备层级结构多孔膜材料：

将上述双组份无纺布放卷，通过连续热压设备进行热压粘结处理。热压处理工艺如下：

空间氛围：氮气

热压温度：120℃

热压时间：5min

施加压力：0MPa

热压结束后取出层级结构多孔膜，经测定其体积孔隙率为38.44％，表面孔隙率为42.51％，厚度为35μm。

(3)空气过滤性能测试

测试面积：100cm²

测试风速：42.4cm/s

过滤物：NaCl气溶胶粒子

在上述测试条件下，制备的层级结构多孔膜对粒径大小为0.3μm、0.5μm、1μm和2.5μm的NaCl气溶胶粒子的过滤效率分别为83.62％、90.18％、95.43％和96.81％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜，其特征在于，所述纤维基层级结构多孔膜包括外层和内层，所述外层为多孔膜材料，所述内层为纤维骨架材料。

2.根据权利要求1所述的双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜，其特征在于，所述的纤维基的主体材料包括双组份纤维或双组份无纺布。

3.根据权利要求1所述的双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜，其特征在于，所述的外层由10～90wt％的低熔点聚合物组成；

所述的内层由10～90wt％高熔点聚合物组成。

4.根据权利要求3所述的双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜，其特征在于，所述低熔点聚合物包括聚PCTG等聚酯共聚物、PE、DL-PLA、PCL和PU中的一种或多种；

所述高熔点聚合物包括PET及其衍生物、PP、L/P-PLA、PA6及其衍生物和PPS中的一种或多种。

5.权利要求1～4任一项所述的双组分“皮-芯”纤维基层级结构多孔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将高熔点聚合物料和低熔点聚合物料制成熔体，挤出后形成高熔点聚合物芯层和低熔点聚合物皮层的纤维。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，先将高熔点聚合物料和低熔点聚合物料制成熔体；使用长度与直径之比大于或等于10的喷丝板，驱动两种熔体挤出；形成高熔点聚合物芯层和低熔点聚合物皮层的纤维。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，先制备上述聚合物组合的双组份纤维或双组份无纺布，再通过热压制备层级结构多层膜材料；

所述双组分无纺布的制备方法包括：先将高熔点聚合物料和低熔点聚合物料分别喂入对应的螺杆熔融挤出机中形成熔体；再通过“皮-芯”纺丝组件将以上熔体组合分配成“皮-芯”结构的熔体细流；然后借助气流对“皮-芯”结构熔体细流进行冷却并拉伸形成“皮-芯”结构纤维；最后将以上堆叠成网的“皮-芯”结构纤维收卷成卷。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述双组份无纺布内部纤维为皮芯结构，皮层为低熔点聚合物材料，芯层为高熔点聚合物材料。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，按照需求将双组份纤维堆叠或双组份无纺布放卷，调控热压参数进行热压处理，冷却后形成层级结构多孔膜材料。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述热压参数包括：热压氛围气体包括空气、真空、惰性气体，热压温度为70-150℃，热压时间为0.5-5min，热压压力为0-5MPa。