lyocell熔喷非织造布的制备与性能研究

lyocell熔喷非织造布的制备与性能研究

20世纪50年代初以来的熔喷法是聚合物在线输出法中的一种非织布技术。由于熔喷法非织造布技术生产的纤维直径为1~10µm,显示出其超细纤维的优点,使熔喷法非织造布在民用、工业等领域得到广泛的应用。随着各领域技术的发展及人们环保意识的增强,近年来熔喷法非织造布技术也得到了快速的发展。在新型原料的开发方面,目前国际上正努力研究以纤维素溶液为原料的熔喷法非织造布技术,但公开发表的专利和文献较少1实验1.1分离和甲基吗啉-n-氧化物水溶液纤维素原料:木浆,平均聚合度547,α-纤维素质量分数88%,国外进口。溶剂:N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)水溶液,质量分数50%,德国BASF公司产品。稳定剂:没食子酸正丙酯((HO)1.2纤维素熔喷原料粉碎的纤维素浆粕用浓缩至一定浓度的NMMO水溶液溶胀后,在纤维素溶解机中于100℃下保持真空搅拌4~5h,蒸发去除溶剂中过量的水,使纤维素完全溶解,由此得到琥珀色透明纤维素/NMMO/水溶液,溶液固化经敲碎后作为熔喷原料。1.3温度和转速测定熔喷装置为东华大学自制的聚合物成网实验系统,如图1所示。单螺杆挤出机一区温度80℃,二区温度105℃,三区温度110℃,四区温度115℃,热空气加热温度120~150℃,模头温度80~115℃,电动机转速10Hz,接收滚筒转速90r/min,接收距离6cm。1.4扫描电子显微镜采用扫描电子显微镜(SEM)对Lyocell熔喷非织造布形态结构进行观察。扫描电子显微镜型号为JSM-5600LV,日本JEOL公司制造。分辨率:高真空3.5nm,低真空4.5nm;放大倍数:150、1000、3000、8000、10000。用ImageTool图像处理软件测量纤维直径。2结果与讨论2.1lyocell熔喷纤维网的形态图2为Lyocell熔喷非织造布及其纤维的SEM图像。由图2a可知,Lyocell熔喷非织造纤网与传统热塑性树脂熔喷纤网一样,呈三维网状结构,纤维呈无序排列,扭曲缠结,并以热粘合形式结合,Lyocell熔喷非织造布中的纤维直径分布不均匀,同一纤维沿着其长度方向也存在着直径的变化,并且纤维在粘合点处的直径增大。而在高放大倍率下可观察到,图2b的Lyocell熔喷纤维具有与图2c的商业Lyocell长丝相似的光滑的表面,这与文献[1]的报道一致。而美国专利指出,熔喷得到的Lyocell纤维具有卵石细砾般的粗糙表面Lyocell熔喷纤网具有与传统热塑性树脂熔喷纤网相似的特性。如图2d所示,照片中的白点为Lyocell熔喷纤网中的“shots”。它的形成可能来源于断裂的溶液细流的弹性回缩或未经热风牵伸的溶液;而图2e则同时展示了纤维间的融合与枝化。关于纤维的枝化现象,Wadsworth2.2纤维再生方法本文探索了三种不同的成网方式对Lyocell熔喷非织布形貌的影响。方式Ⅰ为干法成网,即纤维被收集在干燥洁净的滚筒上,然后取下再生;方式Ⅱ也为干法成网,但与方式Ⅰ不同的是在纺丝线上对溶液细流吹横向冷风,所得纤维收集在干燥洁净的滚筒上,然后取下再生;方式Ⅲ为湿法成网,即纤维被收集在表面有非溶剂的滚筒上,然后取下再生。图3为在三种不同的成网方式下得到的Lyocell熔喷纤网的SEM图像。由图3可见,方式Ⅰ和方式Ⅱ得到的纤维高度粘连,较多的区域已形成薄膜,单丝数量较少,部分单丝镶嵌于薄膜中,部分单丝在薄膜之间高度交叉桥连;方式Ⅲ得到的纤维低度粘连,纤网由大量的离散单丝组成。这就说明成网方式对Lyocell熔喷非织布形态的影响十分显著。在方式Ⅰ中,由于本试验采用的接收距离为6cm,较小的接收距离使溶液细流来不及冷却,溶液细流被输送到接收滚筒上时仍处于半熔融甚至熔融状态,温度尚高,因此溶液细流具有较好的流动性,导致部分融合,在局部连成一片,从而形成薄膜;方式Ⅱ由于采用了横向吹风对溶液细流进行强制冷却,因此纤维的粘连程度稍有下降;方式Ⅲ由于及时去除了部分溶剂,因此再生后保持了纤维的最终形态。本文在研究其它工艺条件的影响时都采用湿法成网的方式进行收集。2.3气流初始温度对纤维直径的影响图4为在不同气流初始温度下制备的Lyocell熔喷纤网的SEM图像。由图可见,当气流初始温度由120℃升至140℃时,制得的纤维直径越来越小;而当气流初始温度达到150℃时,由于纤维间的碰撞、融合与并丝,纤维直径反而增大。因此,气流初始温度不仅影响纤维的细度,而且影响纤维及纤网的形貌2.4气流初始温度对纤维直径的影响图5为纤维素质量分数为9%的纤维素/NMMO/水溶液在不同气流初始温度下熔喷所得到的纤网放大1000倍时的SEM图像。由图可直观地看到,在保持其它工艺条件恒定的情况下,气流初始温度由120℃升至140℃,形成的熔喷纤维越来越细;当气流初始温度达到150℃时,纤维直径由于纤维间的融合与并丝而增大。对图5的SEM图像进行纤维直径测量与统计,可得到图6a~d纤维直径分布直方图。图6a~d的结果显示,气流初始温度在120~140℃范围内,随气流初始温度的升高,纤维直径的分布宽度越来越窄,直径更细的纤维所占的比重越来越大;当气流初始温度达到150℃时,纤维直径的分布宽度反而增大。将图6a~d得到的纤维平均直径对气流初始温度做图可得到图6e。由图6e可知,在其他工艺参数恒定时,在一定温度范围内,纤维平均直径随气流初始温度的升高而下降。这与许多文献报道的定性结果相一致2.5模头温度对纤维直径的影响图7为纤维素质量分数为8%的纤维素/NMMO/水溶液在不同模头温度下熔喷所得到的纤网放大1000倍时的SEM图像。由图可初步看出,在保持其它工艺条件恒定的情况下,模头温度越高,生产的熔喷纤维越细。对图7的SEM图像进行纤维直径测量与统计,可得到图8a~e纤维直径分布直方图。从图8a~e可以看出,随着模头温度的升高,纤维直径的分布宽度越来越窄,直径更细的纤维所占的比重越来越大。将图8a~e得到的纤维平均直径对模头温度做图可得到图8f。由图8f可知,在其他工艺参数恒定时,纤维平均直径随模头温度的升高而下降。并且在模头温度最初10℃的改变中,纤维平均直径改变较大,约为0.9µm;继续升高模头温度,纤维平均直径变化趋于平缓,这可能是由于整体上纤维直径已经很细,因此在本试验条件下要获得更细的纤维不易实现。Marla和Shambaugh3成网方式对lyocell熔喷非织造布形貌的影响1)Lyocell熔喷非织造纤网呈三维网状结构,纤维无序排列,扭曲缠结,非织造布中单丝的直径分布不均匀;此外,Lyocell熔喷纤网具有与传统热塑性树脂熔喷纤网相似的特性,存在“shots”、纤维间的融合与枝化现象,在本试验条件下得到的熔喷Lyocell纤维具有光滑的表面。2)成网方式和气流初始温度显著地影响Ly