TW201825601A - 熱塑性聚合物奈米纖維及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係有關一種以熔融擠出相分離法製備聚合物奈米纖維的方法，其中該技術特徵為以熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體，其中該混摻複合體為兩相不互溶，再將該混摻複合體以雙螺桿擠壓機熔融紡絲，紡製熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體纖維，在熔融紡絲及延伸過程，熱塑性聚合物會在PVA基體內形成奈米纖維，將該混摻複合體纖維溶解在室溫水中，溶解去除PVA可以形成聚合物奈米纖維，其中該奈米纖維的直徑範圍為100~700nm。

Description

熱塑性聚合物奈米纖維及其製造方法

本發明屬於聚合物奈米纖維及其製造領域，特別是涉及一種熱塑性聚合物奈米纖維及其製造方法。

奈米纖維是指直徑小於100nm的纖維，然而在纖維領域人們將纖維直徑小於1000nm的纖維統稱為奈米纖維。由於奈米纖維有高比表面積及特殊的微奈米尺度效應，具有廣泛應用領域和巨大商業價值，已引起研究者廣泛重視及興趣。

製備奈米纖維的方法有：化合物蒸氣沉積法、模版聚合法、紡絲加工法等。化合物蒸氣沉積法主要應用於製備無機及金屬奈米纖維；模版聚合法是製備奈米纖維的新型方法，但效率較低；紡絲加工法是可以規模化製備聚合物奈米纖維最有前景的方法，紡絲加工法主要包括靜電紡絲法、熔噴法、及海島型複合紡絲法等。

靜電紡絲法是目前製備奈米纖維最常用的方法。惟，靜電紡絲法主要係針對高分子溶液紡絲體系，對於高分子溶液特性和加工參數要求較嚴格。熔融靜電紡絲雖然可以不受溶劑的限制， 但由於高分子聚合物在熔融時的粘度高導致以熔融靜電紡絲，所能獲得的纖維直徑不易小於500nm。

而熔噴法則可製備混合微米和超微米尺寸的超細纖維，纖維質靜一般在1~4μm範圍，主要以不織布的形式收集。隨著市場對奈米纖維的需求，期待具高產量、低成本及環境友好的奈米纖維製造技術。

因此，有許多改進方法被提出。諸如： 日本東麗公司於2008年申請大陸專利CN100363541，揭示一種奈米纖維集合體、聚合物合金纖維、混合纖維、纖維結構體以及它們的製造方法，其特徵係為採用海島型複合紡絲技術製備奈米纖維，主要以聚醯胺、聚酯等為“島”組分，並以聚酯為“海”組分，通過鹼溶除的技術將“海”組分溶解後即可獲得所設計的奈米纖維。

2016年本國專利I546115揭示一種複合奈米纖維的製法、其製得的複合奈米纖維、濾層體及具有該濾層體之口罩，其技術特徵為一種複合奈米纖維的製法係利用靜電紡絲形成多個奈米纖維，該靜電紡溶液包括聚甲基丙烯酸甲酯或其衍生物、幾丁聚醣、一寡聚體吸附劑及一溶劑，且該溶劑包括甲酸。該複合奈米纖維，其纖維直徑小於250nm。

2016年本國專利I541398揭示一種聚醯胺奈米纖維及藉由電紡技術製備聚醯胺奈米纖維之方法，其技術特徵為以電紡技術製備聚醯胺奈米纖維之方法，其中該方法為使用多噴頭裝置之多噴 頭電紡法，或使用無噴頭裝置之無噴頭電紡技術，包含下列步驟，其中施加一高電壓；並將含有一聚合物與一溶劑之聚合物溶液進料至該多噴頭裝置或無噴頭裝置中，並在高電壓作用下轉換為帶電荷之噴射流；該噴射流係沈積於基板上或以收集器收集；以及該噴射流中的聚合物會固化，因而形成奈米纖維。

2009年大陸專利CN 101553607 A及2012年美國專利US8105682揭示一種熱塑性聚合物微纖維、奈米纖維以及複合材料，其技術特徵為將熱塑性聚合物與基體混合形成混合物，其中所述熱塑性聚合物和基體材料(醋酸丁酸纖維素)是熱力學上不混溶的；隨後將所述混合物在足以形成微原纖複合材料的條件下擠出，其中所述複合材料包含很多嵌入所述基體材料中的熱塑性聚合物微纖維和/或奈米纖維。再以丙酮溶劑對上述微纖維和奈米纖維通過除去周圍的基體材料而分離出。

2010年大陸專利CN 101864609 A揭示一種熱塑性聚合物微納米纖維及其製備方法，其技術特徵為一種熱塑性聚合物微納米纖維及其製備方法，組分包括：100%熱塑性聚合物；製備包括：(1)將熱塑性聚合物與聚乳酸或聚羥基烷基酸酯共混，經雙螺杆紡絲機熔融擠出捲繞，形成熱塑性聚合物/聚乳酸或熱塑性聚合物/聚羥基烷基酸酯多組分共混纖維；(2)將上述共混纖維溶解在溶劑中，去除基體相聚乳酸或聚羥基烷基酸酯，即得。本發明的纖維的直徑範圍為50~1000nm；製備方法簡單高效，易於實現規模化生產。但仍存在需使用溶劑來溶除基質。

綜上所述，目前仍需一種奈米纖維製造技術，具產量、低成本及不會對環境造成衝擊的奈米纖維製造方法。

有鑑於此，本發明係提供一種以熱塑性聚合物與熱塑性PVA(聚乙烯醇)基體混摻複合體的熔融擠出相分離法製備聚合物奈米纖維及其製備方法，其技術特徵包含以熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體，其中該混摻複合體為兩相不互溶，其中該熱塑性聚合物可為聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)，聚羥基烷酸酯(PHA)、聚酯(PET)、聚醯胺(PA)、聚乳酸(PLA)、熱塑性聚胺基甲酸酯(TPU)、聚丙烯接枝馬來酸酐及乙烯/乙烯醇共聚物(EVOH)的一種或幾種的共混物。

該熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體，其中該熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體的混摻比為(2~40)：(60~98)，其共混溫度為160~220℃。再將該混摻複合體以雙螺桿擠壓機熔融紡絲，紡製熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體纖維，該混摻複合體纖維直徑小於50μm，較佳為小於20μm。

本發明熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體在熔融紡絲過程中熱塑性聚合物做為分散相，由於受到剪切拉伸和溫度及組分比、粘度比等因素，熱塑性聚合物能夠原位組裝形成奈米纖維。

再將該混摻複合體纖維置於室溫水中，以溶解去除PVA基體，可以形成聚合物奈米纖維，其中該奈米纖維的直徑範圍為100~700nm。

10‧‧‧熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體纖維

20‧‧‧熱塑性PVA基體

30‧‧‧熱塑性聚合物

第1圖為依據本發明之一具體實施例之熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體纖維斷面示意圖

第2圖為依據本發明之一具體實施例之聚丙烯奈米纖維之顯微圖

本發明主要係提供一種以熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體的熔融擠出相分離法製備熱塑性聚合物奈米纖維及其製備方法，該方法製程簡單、高效率、可大量生產及不使用溶劑，是一高效率及環境友好的熱塑性聚合物奈米纖維的製造方法。

本發明的一種熱塑性聚合物奈米纖維，其組份包括100%熱塑性聚合物，所述的熱塑性聚合物為聚丙烯、聚乙烯，聚羥基烷酸酯、聚酯、聚醯胺、聚乳酸、熱塑性聚胺基甲酸酯、聚丙烯接枝馬來酸酐及乙烯/乙烯醇共聚物中的一種或幾種的共混物。

本發明的熱塑性聚合物奈米纖維的直徑範圍為100~700nm。

本發明的一種熱塑性聚合物奈米纖維的製造方法，包括將混摻比為(2~40)：(60~98)的熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體相共混成混摻複合體，該混摻複合體經雙螺桿紡絲機熔融擠出，延伸及捲繞成熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體纖維如第1圖所示的斷面示意圖，該混摻複合體纖維直徑小於50μm，較佳為小於20μm。

將上述混摻複合體纖維置於室溫水中，以溶解去除PVA基 體，即可獲得熱塑性聚合物奈米纖維。該混摻複合體其共混溫度為160~220℃。

本發明熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體熔融紡絲過程中熱塑性聚合物做為分散相，由於受到剪切拉伸和溫度及組分比、粘度比等因素，熱塑性聚合物能夠原位組裝形成奈米纖維。

為讓本發明的上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，特舉出較佳實施例，作詳細說明如下：

實施例1

800克熱塑性PVA與200克聚丙烯共混，在真空烘箱乾燥後，再經雙螺桿紡絲機熔融擠出、延伸及捲繞成熱塑性PVA/聚丙烯混摻複合體纖維，該混摻複合體纖維直徑為10μm，加工溫度為190℃，混摻複合體纖維中的基體相成分為熱塑性PVA，採用室溫水在抽提器中溶解去除，即獲得聚丙烯奈米纖維如第2圖所示的顯微圖，該聚丙烯奈米纖維平均纖維直徑為264nm。

實施例2

800克熱塑性PVA與200克聚乳酸共混，在真空烘箱乾燥後，再經雙螺桿紡絲機熔融擠出、延伸及捲繞成熱塑性PVA/聚乳酸混摻複合體纖維，該混摻複合體纖維直徑為9μm，加工溫度為180℃，混摻複合體纖維中的基體相成分為熱塑性PVA採用室溫水在抽提器中溶解去除，即獲得聚乳酸奈米纖維，該聚乳酸奈米纖維平均纖維直徑為286nm。

實施例3

800克熱塑性PVA與200克聚酯聚合物共混，該聚酯聚合物為選用熔點小於200℃，在真空烘箱乾燥後，再經雙螺桿紡絲機熔融擠出、延伸及捲繞成聚酯聚合物/熱塑性PVA基體混摻複合體纖維，該混摻複合體纖維直徑為10μm，加工溫度為200℃，混摻複合體纖維中的基體相成分為熱塑性PVA，採用室溫水在抽提器中溶解去除，即獲得聚酯奈米纖維，該聚酯奈米纖維平均纖維直徑為324nm。

比較實施例1

800克醋酸丁酸纖維素與200克聚丙烯共混，在真空烘箱乾燥後，再經雙螺桿紡絲機熔融擠出、延伸及捲繞成醋酸丁酸纖維素/聚丙烯混摻複合體纖維，該混摻複合體纖維直徑為12μm，加工溫度為240℃，混摻複合體纖維中的基體相成分為醋酸丁酸纖維素，採用丙酮在抽提器中溶解去除，即獲得聚丙烯奈米纖維，該聚丙烯奈米纖維平均纖維直徑為312nm。

比較實施例2

800克聚乳酸與200克聚丙烯共混，在真空烘箱乾燥後，再經雙螺桿紡絲機熔融擠出、延伸及捲繞成聚乳酸/聚丙烯混摻複合體纖維，該混摻複合體纖維直徑為13μm，加工溫度為180℃，混摻複合體纖維中的基體相成分為聚乳酸，採用三氯甲烷在抽提器中溶解去除，即獲得聚丙烯奈米纖維，該聚丙烯奈米纖維平均纖維直徑為345nm。

由實施例1、實施例2及實施例3與比較實施例1、比較實施例 2可知如表1所示，本發明以熱塑性PVA混摻熔融擠出相分離法製備熱塑性聚合物奈米纖維，製備方法簡單高效，易於實現規模化生產，且不使用溶劑，是一具有高效率、低成本及環境友好的奈米纖維製造方法、具有產業應用及進步性。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用已限定本發明。任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。因此，本發明之保護範惟當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (5)

1. 一種熱塑性聚合物奈米纖維，其組份包括100%熱塑性聚合物，所述的熱塑性聚合物為聚丙烯、聚乙烯，聚羥基烷酸酯、聚酯、聚醯胺、聚乳酸、熱塑性聚胺基甲酸酯、聚丙烯接枝馬來酸酐及乙烯/乙烯醇共聚物中的一種或幾種的共混物。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱塑性聚合物奈米纖維，其中該熱塑性聚合物奈米纖維的平均直徑範圍為100~700nm。
3. 一種熱塑性聚合物奈米纖維的製造方法，包括將混摻比為(2~40)：(60~98)的熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體共混成混摻複合體，該混摻複合體經雙螺桿紡絲機熔融擠出，延伸及捲繞成熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體混摻複合體纖維，將上述混摻複合體纖維置於室溫水中，以溶解去除PVA基體，即可獲得熱塑性聚合物奈米纖維。
4. 如申請專利範圍第3項所述之熱塑性聚合物奈米纖維的製造方法，其中該混摻複合體纖維平均直徑小於50μm，較佳為小於20μm。
5. 如申請專利範圍第3項所述之熱塑性聚合物奈米纖維的製造方法，其中熱塑性聚合物與熱塑性PVA基體相共混溫度為160~220℃。