熔噴螺旋微納米纖維

■張曉軍

〔塔城地區(qū)纖維檢驗(yàn)所，新疆烏蘇834700〕

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熔噴螺旋微納米纖維

■張曉軍

〔塔城地區(qū)纖維檢驗(yàn)所，新疆烏蘇834700〕

與傳統(tǒng)無(wú)紡布纖維（直徑約20μm）相比，具有螺旋結(jié)構(gòu)的微納米纖維材料，不僅具有較小的纖維直徑、具有較高的孔隙率和較好的彈性，而且由于螺旋結(jié)構(gòu)的引入，大幅度提高了纖維的比表面積。通過(guò)熔噴紡絲技術(shù)，采用熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）和熱塑性聚酯彈性體（TPEE）分別和聚丙烯（PP）組成共混體系，進(jìn)行熔噴紡絲，制備出了具有螺旋結(jié)構(gòu)的微納米纖維。

一、螺旋結(jié)構(gòu)纖維的制備技術(shù)

（一）靜電紡絲制備螺旋微納米纖維

靜電紡絲是一種不同于常規(guī)方法的紡絲技術(shù)，是基于高壓靜電場(chǎng)下導(dǎo)電流體產(chǎn)生高速?lài)娚湓戆l(fā)展而來(lái)的。聚合物溶液或熔體在高壓靜電場(chǎng)下，帶上幾千至上萬(wàn)伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場(chǎng)力的作用下在毛細(xì)管的Taylor錐頂點(diǎn)被加速。當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流。細(xì)流在噴射過(guò)程中溶劑蒸發(fā)或固化，最終落在接收裝置上，形成類(lèi)似非織造布狀的纖維氈。電紡絲技術(shù)制得的纖維直徑一般在數(shù)十納米到數(shù)微米之間。目前，國(guó)內(nèi)外一些研究人員已經(jīng)利用不同的靜電紡絲技術(shù)制備了單組份或多組份的扭曲螺旋纖維材料。其中通過(guò)改變紡絲條件，如紡絲液濃度、紡絲電壓等，可以制備出單組份的螺旋纖維；通過(guò)利用不同的紡絲液成分，如采用一種高斷裂伸長(zhǎng)率和一種低斷裂伸長(zhǎng)率的高聚物共混溶液或者采用一種導(dǎo)電和一種非導(dǎo)電高聚物的共混液，可以制備出多組份的螺旋纖維。

（二）復(fù)合紡絲法制備卷曲纖維

復(fù)合紡絲是將兩種或兩種以上的高聚物，利用其粘度或配比的不同，分別通過(guò)各自的熔體（或溶液）管道，在有多塊分配板組合而成的復(fù)合組件內(nèi)進(jìn)行分配，到達(dá)噴絲板時(shí)以各種方式匯合，形成復(fù)合熔體流（或溶液流），從同一噴絲孔中噴出形成絲，這樣形成的絲束即復(fù)合纖維。其中兩組份的復(fù)合纖維稱(chēng)為雙組份復(fù)合纖維。將兩種不同粘度或收縮性的高聚物復(fù)合紡絲，由于兩種高聚物收縮性能的不同，經(jīng)拉伸定型松弛后，纖維出現(xiàn)卷曲，表現(xiàn)出高的蓬松性和卷曲性。不同組份是復(fù)合纖維產(chǎn)生潛在三維卷曲的內(nèi)在原因和先決條件。因?yàn)楦鹘M份不同的微觀(guān)形態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同的收縮性，在纖維截面上產(chǎn)生縱向的應(yīng)力，使纖維發(fā)生變形，與此同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生偏離其縱軸的扭轉(zhuǎn)，使纖維呈現(xiàn)出潛在的三維卷曲。雙組份復(fù)合紡絲過(guò)程中形成的卷曲是三維螺旋立體卷曲，類(lèi)似于彈簧的卷曲形態(tài)。這種卷曲的出現(xiàn)是由于內(nèi)應(yīng)力的不均勻性。并列型復(fù)合纖維或偏心型皮芯復(fù)合纖維都比較容易形成自卷曲纖維。目前商業(yè)化的纖維都屬于這一類(lèi)別。

二、熔噴技術(shù)

（一）典型熔噴非織造工藝

典型熔噴非織造工藝是以高聚物熔體為原料直接制備超細(xì)纖維的一步法技術(shù)。其主要的工藝流程是：聚合物切片通過(guò)料斗喂入，進(jìn)入螺桿擠壓機(jī)。在螺桿擠壓力作用下向前輸送的過(guò)程中，聚合物被加熱加壓逐漸熔融成為熔體，熔體經(jīng)過(guò)分配流道到達(dá)噴頭前端的噴絲孔擠出，再經(jīng)高速高溫氣流牽伸使之超細(xì)化，超細(xì)化的纖維冷卻固化沉積于集網(wǎng)裝置上，形成纖度極細(xì)的纖維網(wǎng)。

（二）雙組份熔噴技術(shù)

1.雙組份熔噴技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史。

雙組份熔噴技術(shù)的開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)80年代，大都集中在德國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。德國(guó)Reifenhauser公司較早成功研制了Reicofil雙噴頭熔噴生產(chǎn)線(xiàn)。1999年美國(guó)田納西大學(xué)的紡織品與非織造布研制中心安裝了這條生產(chǎn)線(xiàn)，ChristineSun等在這條生產(chǎn)線(xiàn)上試驗(yàn)了各種成分的熱塑性樹(shù)脂及其雙組份復(fù)合的熔噴非織造布產(chǎn)品，包括單組份聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚酰胺（PA）、聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯（PTT），以及雙組份PP/PE、PET/PE、PET/PP、PA6/PP、PBT/PP、PTT/PP，兩種組份的比率為25/75、50/50、75/25。實(shí)驗(yàn)證明大多數(shù)的雙組份熔噴非織造布表現(xiàn)出超過(guò)單組份熔噴非織造布的增強(qiáng)型抗?jié)B性能。

2.雙組份熔噴工藝原理。

雙組份熔噴工藝原理與單組份熔噴工藝原理基本相同，它是由兩種不同的高聚物，或具有不同性能的同種高聚物，分別經(jīng)過(guò)各自獨(dú)立的螺桿擠壓機(jī)，在螺桿擠壓力作用下向前輸送的過(guò)程中，高聚物被加熱加壓逐漸熔融成為熔體，熔體經(jīng)過(guò)分配流道到達(dá)特殊設(shè)計(jì)的熔噴模頭，在模頭處匯合。熔體細(xì)流在高速高溫氣流的作用下，拉伸形成超細(xì)纖維，纖維被吸附在成網(wǎng)簾裝置上，形成超細(xì)纖維的雙組份熔噴非織造布。

三、熔噴制備螺旋結(jié)構(gòu)微納米纖維的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)采用熔噴常用料聚丙烯（PP）和兩種彈性高聚物：熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）、熱塑性聚酯彈性體（TPEE）為原料。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本課題熔噴紡絲所用設(shè)備為自行設(shè)計(jì)研發(fā)的單孔熔噴試驗(yàn)機(jī)。采用一臺(tái)螺桿直徑為12mm的螺桿擠出機(jī)，電阻圈加熱系統(tǒng)及溫度控制裝置，一個(gè)轉(zhuǎn)速為0r/min～50r/min的計(jì)量泵，一個(gè)網(wǎng)帶寬度為120mm的鋪網(wǎng)簾和一臺(tái)排氣量為304L/min的空氣壓縮機(jī)。

（三）制備工藝的設(shè)計(jì)

在熔噴紡絲生產(chǎn)中，良好穩(wěn)定的工藝參數(shù)是制備優(yōu)良纖維或熔噴無(wú)紡布的前提條件。熔噴工藝參數(shù)包含聚合物熔體溫度、熱空氣溫度、熔體流量、空氣壓力和接收距離等眾多參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)定將直接影響最終熔噴纖維或熔噴無(wú)紡布的質(zhì)量和性能。

1.原料準(zhǔn)備。

TPU、TPEE切片準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)前，把TPU切片在80℃下真空干燥24小時(shí)；TPEE切片在100℃下真空干燥8小時(shí)。因?yàn)門(mén)PU和TPEE均為極性聚合物，當(dāng)其暴露在空氣中時(shí)會(huì)慢慢吸濕。用吸濕的TPU或TPEE粒料進(jìn)行熔噴紡絲，水在加工溫度下氣化，使聚合物在高溫下發(fā)生熱裂解和水解反應(yīng)等，聚合物分子量顯著下降，內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，大大降低纖維的質(zhì)量，因此為了保證纖維的性能和防止熔噴加工時(shí)水分氣化引起的氣泡，在TPU和TPEE加工之前，一定要對(duì)粒料進(jìn)行干燥處理。潮濕和干燥的TPU切片熔融擠出后的形態(tài)粉末狀原料準(zhǔn)備：取一定質(zhì)量的PP、TPU和TPEE切片使用深冷低溫粉碎機(jī)，粉碎成100目（150微米）的超細(xì)粉末，備用。圖2-5為粉碎前后的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共混原料的準(zhǔn)備：PP、TPU、TPEE三種高聚物具有不同的熔體流動(dòng)性，PP與TPU（或TPEE）的混合程度對(duì)共混物的溶體流動(dòng)性有很大影響。應(yīng)合理控制PP與TPU（或TPEE）的混合比例，制備出性能良好的螺旋結(jié)構(gòu)微納米纖維。在本課題中，PP與TPU配置10種不同質(zhì)量比的共混原料，即TPU的質(zhì)量百分比分別為：50%、42%、33%、25%、20%、17%、14%、11%、8%、5%。PP與TPEE配置6種不同質(zhì)量比的共混原料，即TPEE的質(zhì)量百分比分別為5%、8%、16%、24%、32%、40%。

2.工藝探索。

為了摸索出PP/TPU與PP/TPEE共混物的熔噴加工性能，在正式的實(shí)驗(yàn)前，本課題進(jìn)行了一些探索性實(shí)驗(yàn)。在探索性試驗(yàn)中，熔噴設(shè)備的噴頭為狹槽型，原料采用顆粒狀的共混物。在這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，有關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)定：若聚合物熔體溫度設(shè)定為260℃，則螺桿擠出機(jī)加熱三區(qū)的溫度分別設(shè)定為250℃、255℃、260℃。螺桿擠出機(jī)加熱三區(qū)的溫度設(shè)定的原則為：在保持前段溫度的基礎(chǔ)上略微升高溫度，這樣既能提高熔體的流動(dòng)性有利于紡絲加工；又不會(huì)升溫太快，致使原料發(fā)生降解。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，聚合物熔體溫度的變化區(qū)間為220℃～270℃，接收距離的變化區(qū)間為：8cm～20cm。將混合均勻的共混物，喂入熔噴設(shè)備，共混物經(jīng)過(guò)螺桿擠出機(jī)熔融共混，從噴頭的噴絲孔擠出，形成熔體細(xì)流，在熱空氣的高速牽伸下，形成超細(xì)纖維，將超細(xì)纖維直接收集到光滑的鋁箔上，表面噴金處理后，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察其微觀(guān)形貌。

3.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不斷摸索和分析，最終確定了PP/TPU和PP/TPEE熔噴螺旋結(jié)構(gòu)微納米纖維的熔噴制備工藝。接收距離固定為15cm，熱空氣溫度比聚合物熔體溫度高20℃～30℃，采用熔融指數(shù)為1300g/10min的PP。聚合物熔體溫度、空氣壓力、熔體流量根據(jù)熔噴工藝需求進(jìn)行調(diào)整，并研究這些工藝參數(shù)的變化對(duì)纖維形貌的影響。本課題研究的混合百分比為：PP/TPU共混物中，TPU的質(zhì)量百分比為25%、20%、17%、14%、11%；PP/TPEE共混物中，TPEE的質(zhì)量百分比為8%、16%、24%、32%。

四、結(jié)論

本章對(duì)熔噴制備PP/TPU、PP/TPEE螺旋結(jié)構(gòu)微納米纖維的制備工藝進(jìn)行了探索并確定了最終實(shí)驗(yàn)方案。

1.研究了PP、TPU和TPEE的結(jié)構(gòu)和性能，確定了熔噴加工的原料。即采用熔融指數(shù)高于25g/10min的PP，聚醚型TPU，熱塑性聚酯彈性體TPEE。

2.通過(guò)探索性實(shí)驗(yàn)，確定了聚合物熔體溫度的適宜區(qū)間為220℃～250℃；接收距離固定為15cm；PP/TPU共混物中，TPU的質(zhì)量百分比范圍為25%、20%、17%、14%、11%；PP/TPEE共混物中，TPEE的質(zhì)量百分比范圍為8%、16%、24%、32%；采用熔融指數(shù)為1300g/10min的PP。

3.確立了最終的實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)對(duì)熔噴工藝參數(shù)的合理調(diào)控，制備了13種不同的PP/TPU熔噴非織造材料，11種不同的PP/TPEE非織造材料。☆