CN115323611B - 一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功能纺织材料技术领域，具体涉及一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料及其制备方法，具体为：将抗菌剂前驱体氯化银、高分子聚合物聚丙烯腈、聚乙烯醇缩丁醛依次加入到溶剂中，搅拌后加入芳纶溶液，继续搅拌一段时间后制备得到纺丝溶液；将聚合物纺丝溶液纺制成三维体型纤维集合体；对所得纤维集合体进行水刺预加固、热粘合加固及紫外光照改性处理，得到具有自灭菌功能的高效防寒保暖非织造功能材料。本发明所制备的非织造材料兼具高效自灭菌功能和保暖性能，可实现低温严寒环境的个体防护，有望应用于高效防寒保暖纺织品及安全防护服装的设计开发。

Description

一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能纺织材料技术领域，具体涉及一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料及其制备方法。
背景技术
严寒冬季的低温环境对人类的生产生活和健康造成极大的影响，随着环境温度的下降，人体皮肤温度逐渐降低从而导致体感舒适性变差，当环境温度持续降低，人体可能出现冻伤，甚至因末端血管收缩，导致血压升高，容易引起高血压患者发生脑出血等疾病。当前，人们主要通过穿着保暖服装来提高体感温度，预防和减弱低温严寒环境对人体的影响和伤害。防寒保暖服装通常由面料、絮填材料、里料和辅料组成，其中絮填材料作为防寒保暖核心功能层，直接决定着保暖服装的导热系数、体积密度、耐久性等应用性能。目前，防寒保暖服装的絮填材料主要为棉花、羽绒和化学纤维絮填材料，其中化学纤维絮填材料因具有产量高、生产成本低、结构可调性好的优点应用日益广泛。近年来，生产厂商和研究机构先后推出了一系列化学纤维保暖絮料，主要通过采用腈纶纤维、中空涤纶纤维、丙纶与中空涤纶或者丙纶与腈纶纤维混合来制备合成纤维保暖絮片材料，所开发的絮料具有手感优良、回弹和保暖性优良等特点，但纤维直径普遍在微米级，较大的纤维直径导致纤维间的孔径偏大，使得非织造材料内部易形成空气对流散热，限制了其防寒保暖性能的进一步提升。
静电纺纳米纤维具有纤维直径小、可纺原料范围广、孔隙率高、结构可调性强等优势，在保暖功能材料制备领域表现出广阔的应用前景。然而，传统静电纺纳米纤维材料普遍为二维纤维膜材料，较薄的厚度导致其静止空气保有量低，限制了其在防寒保暖服装领域的实际应用。研究表明通过对静电纺纳米纤维进行三维体型结构化设计，可提高材料的静止空气含量，从而提升其防寒保暖性能。现有专利CN111648025B公布了具有纵向变密度结构的微纳米纤维保暖絮片及制备方法，该制备方法将长度为30～40mm的纳米纤维与传统的微米短纤混合，通过开松、混合、梳理成网、梯度铺网及热粘合等工序，制备得到具有纵向变密度结构的微纳米纤维保暖絮片，但静电纺纳米纤维的高比表面积使其在梳理过程中容易粘附到锡林上，导致这种方法的制备工序复杂、流程较长。此外，当前纤维保暖絮填材料的制备与研究主要集中于材料保暖性能的提升，后期服用保养过程中的清洁洗涤作用会破坏材料的结构，导致其应用性能下降。
因此，本申请有必要提出一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料及其制备方法，以解决上述相关技术问题。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料及其制备方法，该非织造材料由连续性纳米纤维集合体经过加固处理制备得到，该体型纳米纤维非织造材料的高孔隙率特性使其具有较高的静止空气保有量，并可有效减小材料内部的空气对流，使材料具有良好的防寒保暖性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料，所述自灭菌高效防寒保暖非织造材料的内部纤维为纳米尺度的连续性纤维，纤维由聚合物主体聚丙烯腈、热粘合剂聚乙烯醇缩丁醛、纤维增强体芳纶及抗菌剂前驱体氯化银组成，纤维直径为100～1000nm。
优选地，所述自灭菌高效防寒保暖非织造材料的内部纤维呈现出三维体型层状堆积，纤维与纤维之间通过机械缠结和热粘合粘结加固，赋予防寒保暖非织造材料良好的压缩回弹性和保型性。
优选地，所述自灭菌高效防寒保暖非织造材料的厚度为5～30mm，体积密度为15～35mg/cm3，导热系数为0.026～0.03W/(m·K)，抗菌率达99％以上。
本发明还提供了一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将抗菌剂前驱体氯化银溶解于溶剂中，随后加入聚丙烯腈和聚乙烯醇缩丁醛粉末，搅拌至完全溶解，随后加入芳纶溶液并进一步搅拌至混合均匀，得复合纺丝溶液；
步骤2、对步骤1得到的复合纺丝溶液进行静电纺丝，将纳米纤维接收在凝固浴池中，通过凝固浴池中负压抽吸的方法，制备得到纤维呈层状分布的三维体型连续纳米纤维集合体；
步骤3、对步骤2得到的三维体型连续纳米纤维集合体进行水刺预加固、热粘合加固及紫外光照改性处理，制备得到具有自灭菌高效防寒保暖功能的非织造材料；这里纳米纤维内部及表面所包含的氯化银前驱体经过紫外光照射后，可还原成具有高效抗菌功能的银纳米颗粒，从而赋予非织造材料高效自灭菌功能。
优选地，在步骤1中，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；复合纺丝溶液中，抗菌剂前驱体氯化银的质量浓度为0.1～0.5wt％，聚丙烯腈的质量浓度为9～25wt％，聚乙烯醇缩丁醛的质量浓度为2～10wt％，所述芳纶的质量浓度为1～5wt％。
优选地，在步骤2中，静电纺丝的工艺参数如下：纺丝溶液灌注速度为0.5～10mL/h，直流电压10～50kV，喷丝口与凝固浴池液面间间距为20～50cm，纺丝环境温度为10～30℃，湿度为30～70％。
优选地，在步骤2中，凝固浴池为内部盛有去离子水的方形水槽，且凝固浴池中负压抽吸的真空度为0.1～1MPa，去离子水流量为1～80L/min。其中，凝固浴池中负压抽吸是为了将凝固浴池中接收的纳米纤维沿厚度方向呈方形层状结构进行聚集。
优选地，在步骤3中，水刺预加固的工艺参数为：水刺头5-15只，水刺距离5～20cm，水压60-180Bar；热粘合加固的工艺参数为：热粘合温度80～130℃；紫外光辐射强度为160μW/cm2，照射时间为5-30min。
采用上述技术方案：本发明的非织造材料由连续性纳米纤维集合体经过加固处理制备得到，且体型纳米纤维非织造材料的高孔隙率特性使其具有较高的静止空气保有量，并可有效减小材料内部的空气对流，使材料具有良好的防寒保暖性能；改性后纤维内部及表面的银纳米颗粒可有效释放抑菌的金属离子，能够高效的杀灭非织造材料纤维表面粘附的细菌和病毒等微生物，因而具有良好的抗菌与抗病毒效果；此外，芳纶组分的添加可增强纳米单纤维的强度，且纤维间牢固的加固结构使得所获得的抗菌保暖非织造材料具有良好的压缩回弹性，因而具有良好的保型性能。
本发明有益效果：
1、本发明与传统的非织造保暖材料制备工艺相比，本发明将抗菌剂前驱体原位混入到聚合物纺丝溶液中，通过静电纺丝的方法纺制具有连续结构的纳米纤维，并将纳米纤维沉积于凝固浴池中以获得三维体型纳米纤维毡，所采用的负水压辅助接收方法可实现纳米纤维集合体结构均匀性的有效调控，水刺预加固和热粘合加固的协同作用可以在纳米纤维间形成牢固的缠结和粘合作用，使得非织造材料具有稳定的三维体型结构特征从而能够保留大量的静止空气，因而具有高效防寒保暖性能。
2、本发明所制备的自灭菌高效防寒保暖非织造材料，纤维内部及表面的单质银纳米颗粒能够释放抑菌的银离子，可有效杀灭非织造材料纤维表面粘附的细菌和病毒等微生物，使得材料具有一定的免清洗功能，有望应用于新型高效防寒保暖纺织品及安全防护服装的设计开发。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、称取一定量的氯化银颗粒加入到N,N-二甲基甲酰胺，搅拌至完全溶解，随后加入一定量的聚丙烯腈和聚乙烯醇缩丁醛粉末，待搅拌至聚合物粉末完全溶解后，加入一定量的芳纶溶液，经充分混合均匀后得到澄清透明的复合纺丝溶液，纺丝溶液中氯化银的质量浓度为0.5wt％，聚丙烯腈的质量浓度为10wt％，聚乙烯醇缩丁醛的质量浓度为2wt％，芳纶的质量浓度为1wt％；
步骤2、采用静电纺丝技术对步骤1得到的纺丝溶液进行纺丝，得到的纳米纤维沉积于盛有去离子水的方形凝固浴池中，喷丝口位于凝固浴池液面上方，喷丝口呈矩阵式排列并程序控制移动，使得纳米纤维在凝固浴池中呈方形沉积；纺丝溶液灌注速度为1mL/h，直流电压30kV，喷丝口与凝固浴池液面的间距为20cm，纺丝环境温度为25℃、湿度为45％；凝固浴池中负压为0.1MPa真空度，流量1L/min；
步骤3、对步骤2得到的纳米纤维集合体进行水刺预加固，水刺头10只，水刺距离15cm，水压100Bar；随后将所得的非织造材料置于90℃的鼓风烘箱中进行热粘合处理，随后将非织造材料置于紫外光处理箱中照射改性5min，最终得到自灭菌高效防寒保暖非织造材料，该非织造材料中纤维的平均直径约为200nm，体积密度为12mg/cm3，厚度为25mm，导热系数为0.0258W/(m·K)，抗菌率为99.9％。
实施例2：一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、称取一定质量的氯化银颗粒加入到N,N-二甲基甲酰胺，搅拌至完全溶解，随后加入一定量的聚丙烯腈和聚乙烯醇缩丁醛粉末，待搅拌至聚合物粉末完全溶解后，加入一定量的芳纶溶液，混合均匀后得到澄清透明的复合纺丝溶液，纺丝溶液中氯化银的质量浓度为0.1wt％，聚丙烯腈的质量浓度为20wt％，聚乙烯醇缩丁醛的质量浓度为3wt％，芳纶的质量浓度为2wt％；
步骤2、采用静电纺丝的方法对步骤1得到的纺丝溶液进行纺丝，得到的纳米纤维沉积于盛有去离子水的方形凝固浴池中，喷丝口位于凝固浴池液面上方，喷丝口呈矩阵式排列并程序控制移动，使得纳米纤维在凝固浴池中呈方形沉积；纺丝溶液灌注速度为1mL/h，直流电压25kV，喷丝口与凝固浴池液面的间距为20cm，纺丝环境温度为25℃、湿度为45％；凝固浴池中负压为0.5MPa真空度，流量10L/min；
步骤3、对步骤2得到的纳米纤维集合体进行水刺预加固，水刺头12只，水刺距离16cm，水压150Bar；随后将所得的非织造材料置于90℃的鼓风烘箱中进行热粘合处理，随后将非织造材料置于紫外光处理箱中照射改性8min，最终得到自灭菌高效防寒保暖非织造功能材料，该非织造功能材料中纤维的平均直径为800nm，体积密度为25mg/cm3，厚度为20mm，导热系数为0.0279W/(m·K)，抗菌率为99.1％。
实施例3：一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、称取一定质量的氯化银颗粒加入到N,N-二甲基甲酰胺，搅拌至完全溶解，随后加入一定量的聚丙烯腈和聚乙烯醇缩丁醛粉末，待搅拌至聚合物粉末完全溶解后，加入一定量的芳纶溶液，混合均匀后得到澄清透明的复合纺丝溶液，纺丝溶液中氯化银的质量浓度为0.3wt％，聚丙烯腈的质量浓度为15wt％，聚乙烯醇缩丁醛的质量浓度为5wt％，芳纶的质量浓度为5wt％；
步骤2、采用静电纺丝的方法对步骤1得到的纺丝溶液进行纺丝，得到的纳米纤维沉积于盛有去离子水的方形凝固浴池中，喷丝口位于凝固浴池液面上方，喷丝口呈矩阵式排列并程序控制移动，使得纳米纤维在凝固浴池中呈方形沉积；纺丝溶液灌注速度为4mL/h，直流电压30kV，喷丝口与凝固浴池液面的间距为20cm，纺丝环境温度为25℃、湿度为45％；凝固浴池中负压为0.3MPa真空度，流量10L/min；
步骤3、对步骤2得到的纳米纤维集合体进行水刺预加固，水刺头8只，水刺距离13cm，水压120Bar；随后将所得的非织造材料置于90℃的鼓风烘箱中进行热粘合处理，随后将非织造材料置于紫外光处理箱中照射改性10min，最终得到自灭菌高效防寒保暖非织造功能材料，该非织造功能材料中纤维的平均直径约为600nm，体积密度为28mg/cm3，厚度为18mm，导热系数为0.0285W/(m·K)，抗菌率为99.3％。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的具体实施方式，但本发明并不局限于上述实施例，凡是根据本发明的技术实质，对以上实施例所作的等同变化与修饰皆包括在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料的制备方法，其特征在于，所述自灭菌高效防寒保暖非织造材料的内部纤维为纳米尺度的连续性纤维，纤维由聚合物主体聚丙烯腈、热粘合剂聚乙烯醇缩丁醛、纤维增强体芳纶及抗菌剂前驱体氯化银组成，纤维直径为100~1000nm；
所述自灭菌高效防寒保暖非织造材料的内部纤维呈现出三维体型层状堆积，纤维与纤维之间通过机械缠结和热粘合粘结加固；
该自灭菌高效防寒保暖非织造材料的制备方法包括如下步骤：
步骤1、将抗菌剂前驱体氯化银溶解于溶剂中，随后加入聚丙烯腈和聚乙烯醇缩丁醛粉末，搅拌至完全溶解，随后加入芳纶溶液并进一步搅拌至混合均匀，得复合纺丝溶液；
步骤2、对步骤1得到的复合纺丝溶液进行静电纺丝，将纳米纤维接收在凝固浴池中，通过凝固浴池中负压抽吸的方法，制备得到纤维呈层状分布的三维体型连续纳米纤维集合体；
步骤3、对步骤2得到的三维体型连续纳米纤维集合体进行水刺预加固、热粘合加固及紫外光照改性处理，制备得到具有自灭菌高效防寒保暖功能的非织造材料；
在步骤1中，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；复合纺丝溶液中，抗菌剂前驱体氯化银的质量浓度为0.1~0.5wt%，聚丙烯腈的质量浓度为9~25wt%，聚乙烯醇缩丁醛的质量浓度为2~10wt%，所述芳纶的质量浓度为1~5wt%；其中，聚丙烯腈与芳纶的质量比为10:1；
在步骤2中，静电纺丝的工艺参数如下：纺丝溶液灌注速度为0.5~10mL/h，直流电压10~50kV，喷丝口与凝固浴池液面间间距为20~50cm，纺丝环境温度为10~30℃，湿度为30~70%；
在步骤2中，凝固浴池为内部盛有去离子水的方形水槽，且凝固浴池中负压抽吸的真空度为0.1~1MPa，去离子水流量为1~80L/min；其中，凝固浴池中负压抽吸是为了将凝固浴池中接收的纳米纤维沿厚度方向呈方形层状结构进行聚集；
在步骤3中，水刺预加固的工艺参数为：水刺头5-15只，水刺距离5~20cm，水压60-180Bar；热粘合加固的工艺参数为：热粘合温度80~130℃；紫外光辐射强度为160μW/cm2，照射时间为5-30min。
2.根据权利要求1所述的一种自灭菌高效防寒保暖非织造材料，其特征在于，所述自灭菌高效防寒保暖非织造材料的厚度为5~30mm，体积密度为15~35mg/cm3，导热系数为0.026~0.03W/(m·K)，抗菌率达99%以上。
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