基于电纺技术的复合纤维技术

基于电纺技术的复合纤维技术

与传统的织物纤维（直径约20m）相比，具有螺旋结构的微纳米纤维材料不仅具有小纤维直径、高孔孔隙和良好的弹性，而且通过引入螺钉结构，纤维的比面变得更大。通过熔喷纺丝技术,采用热塑性聚氨酯弹性体(TPU)和热塑性聚酯弹性体(TPEE)分别和聚丙烯(PP)组成共混体系,进行熔喷纺丝,制备出了具有螺旋结构的微纳米纤维。一、产生的技术(一)静电纺丝技术静电纺丝是一种不同于常规方法的纺丝技术,是基于高压静电场下导电流体产生高速喷射原理发展而来的。聚合物溶液或熔体在高压静电场下,带上几千至上万伏高压静电,带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时,聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化,最终落在接收装置上,形成类似非织造布状的纤维毡。电纺丝技术制得的纤维直径一般在数十纳米到数微米之间。目前,国内外一些研究人员已经利用不同的静电纺丝技术制备了单组份或多组份的扭曲螺旋纤维材料。其中通过改变纺丝条件,如纺丝液浓度、纺丝电压等,可以制备出单组份的螺旋纤维;通过利用不同的纺丝液成分,如采用一种高断裂伸长率和一种低断裂伸长率的高聚物共混溶液或者采用一种导电和一种非导电高聚物的共混液,可以制备出多组份的螺旋纤维。(二)复合纤维的组成复合纺丝是将两种或两种以上的高聚物,利用其粘度或配比的不同,分别通过各自的熔体(或溶液)管道,在有多块分配板组合而成的复合组件内进行分配,到达喷丝板时以各种方式汇合,形成复合熔体流(或溶液流),从同一喷丝孔中喷出形成丝,这样形成的丝束即复合纤维。其中两组份的复合纤维称为双组份复合纤维。将两种不同粘度或收缩性的高聚物复合纺丝,由于两种高聚物收缩性能的不同,经拉伸定型松弛后,纤维出现卷曲,表现出高的蓬松性和卷曲性。不同组份是复合纤维产生潜在三维卷曲的内在原因和先决条件。因为各组份不同的微观形态结构会产生不同的收缩性,在纤维截面上产生纵向的应力,使纤维发生变形,与此同时又会产生偏离其纵轴的扭转,使纤维呈现出潜在的三维卷曲。双组份复合纺丝过程中形成的卷曲是三维螺旋立体卷曲,类似于弹簧的卷曲形态。这种卷曲的出现是由于内应力的不均匀性。并列型复合纤维或偏心型皮芯复合纤维都比较容易形成自卷曲纤维。目前商业化的纤维都属于这一类别。二、熔喷技术(一)由聚合物制备成网典型熔喷非织造工艺是以高聚物熔体为原料直接制备超细纤维的一步法技术。其主要的工艺流程是:聚合物切片通过料斗喂入,进入螺杆挤压机。在螺杆挤压力作用下向前输送的过程中,聚合物被加热加压逐渐熔融成为熔体,熔体经过分配流道到达喷头前端的喷丝孔挤出,再经高速高温气流牵伸使之超细化,超细化的纤维冷却固化沉积于集网装置上,形成纤度极细的纤维网。(二)双组熔喷技术1.用双组份复合的熔喷非织造布双组份熔喷技术的开发始于20世纪80年代,大都集中在德国、美国、日本等发达国家。德国Reifenhauser公司较早成功研制了Reicofil双喷头熔喷生产线。1999年美国田纳西大学的纺织品与非织造布研制中心安装了这条生产线,ChristineSun等在这条生产线上试验了各种成分的热塑性树脂及其双组份复合的熔喷非织造布产品,包括单组份聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT),以及双组份PP/PE、PET/PE、PET/PP、PA6/PP、PBT/PP、PTT/PP,两种组份的比率为25/75、50/50、75/25。实验证明大多数的双组份熔喷非织造布表现出超过单组份熔喷非织造布的增强型抗渗性能。2.高聚物熔体的制备双组份熔喷工艺原理与单组份熔喷工艺原理基本相同,它是由两种不同的高聚物,或具有不同性能的同种高聚物,分别经过各自独立的螺杆挤压机,在螺杆挤压力作用下向前输送的过程中,高聚物被加热加压逐渐熔融成为熔体,熔体经过分配流道到达特殊设计的熔喷模头,在模头处汇合。熔体细流在高速高温气流的作用下,拉伸形成超细纤维,纤维被吸附在成网帘装置上,形成超细纤维的双组份熔喷非织造布。三、在波浪结构中制备微纳米纤维的实验设计中(一)实验原材料本实验采用熔喷常用料聚丙烯(PP)和两种弹性高聚物:热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、热塑性聚酯弹性体(TPEE)为原料。(二)试压机本课题熔喷纺丝所用设备为自行设计研发的单孔熔喷试验机。采用一台螺杆直径为12mm的螺杆挤出机,电阻圈加热系统及温度控制装置,一个转速为0r/min~50r/min的计量泵,一个网带宽度为120mm的铺网帘和一台排气量为304L/min的空气压缩机。(三)喷无纺布的条件在熔喷纺丝生产中,良好稳定的工艺参数是制备优良纤维或熔喷无纺布的前提条件。熔喷工艺参数包含聚合物熔体温度、热空气温度、熔体流量、空气压力和接收距离等众多参数,这些参数的设定将直接影响最终熔喷纤维或熔喷无纺布的质量和性能。1.微纳米纤维的制备TPU、TPEE切片准备:实验前,把TPU切片在80℃下真空干燥24小时;TPEE切片在100℃下真空干燥8小时。因为TPU和TPEE均为极性聚合物,当其暴露在空气中时会慢慢吸湿。用吸湿的TPU或TPEE粒料进行熔喷纺丝,水在加工温度下气化,使聚合物在高温下发生热裂解和水解反应等,聚合物分子量显著下降,内部产生气泡,大大降低纤维的质量,因此为了保证纤维的性能和防止熔喷加工时水分气化引起的气泡,在TPU和TPEE加工之前,一定要对粒料进行干燥处理。潮湿和干燥的TPU切片熔融挤出后的形态粉末状原料准备:取一定质量的PP、TPU和TPEE切片使用深冷低温粉碎机,粉碎成100目(150微米)的超细粉末,备用。图2-5为粉碎前后的PP切片。PP切片粉碎前PP切片粉碎前后的PP切片PP/TPU和PP/TPEE共混原料的准备:PP、TPU、TPEE三种高聚物具有不同的熔体流动性,PP与TPU(或TPEE)的混合程度对共混物的溶体流动性有很大影响。应合理控制PP与TPU(或TPEE)的混合比例,制备出性能良好的螺旋结构微纳米纤维。在本课题中,PP与TPU配置10种不同质量比的共混原料,即TPU的质量百分比分别为:50%、42%、33%、25%、20%、17%、14%、11%、8%、5%。PP与TPEE配置6种不同质量比的共混原料,即TPEE的质量百分比分别为5%、8%、16%、24%、32%、40%。2.螺杆挤出机加热提供的温度为了摸索出PP/TPU与PP/TPEE共混物的熔喷加工性能,在正式的实验前,本课题进行了一些探索性实验。在探索性试验中,熔喷设备的喷头为狭槽型,原料采用颗粒状的共混物。在这些实验进行中,有关工艺参数的设定:若聚合物熔体温度设定为260℃,则螺杆挤出机加热三区的温度分别设定为250℃、255℃、260℃。螺杆挤出机加热三区的温度设定的原则为:在保持前段温度的基础上略微升高温度,这样既能提高熔体的流动性有利于纺丝加工;又不会升温太快,致使原料发生降解。在实验过程中,聚合物熔体温度的变化区间为220℃~270℃,接收距离的变化区间为:8cm~20cm。将混合均匀的共混物,喂入熔喷设备,共混物经过螺杆挤出机熔融共混,从喷头的喷丝孔挤出,形成熔体细流,在热空气的高速牵伸下,形成超细纤维,将超细纤维直接收集到光滑的铝箔上,表面喷金处理后,用扫描电子显微镜(SEM)观察其微观形貌。3.熔喷工艺参数的影响通过实验过程中的不断摸索和分析,最终确定了PP/TPU和PP/TPEE熔喷螺旋结构微纳米纤维的熔喷制备工艺。接收距离固定为15cm,热空气温度比聚合物熔体温度高20℃~30℃,采用熔融指数为1300g/10min的PP。聚合物熔体温度、空气压力、熔体流量根据熔喷工艺需求进行调整,并研究这些工艺参数的变化对纤维形貌的影响。本课题研究的混合百分比为:PP/TPU共混物中,TPU的质量百分比为25%、20%、17%、14%、11%;PP/TPEE共混物中,TPEE的质量百分比为8%、16%、24%、32%。四、tpee/pp指数本章对熔喷制备PP/TPU、PP/TPEE螺旋结构微纳米纤维的制备工艺进行了探索并确定了最终实验方案。1.研究了PP、TPU和TPEE的结构和性能,确定了熔喷加工的原料。即采用熔融指数高于25g/10min的PP,聚醚型TPU,热塑性聚酯弹性体TPEE。2.通过探索性实验,确定了聚合物熔体温度的适宜区间为220℃~250℃;接收距