基于電紡技術的復合纖維技術

與傳統(tǒng)的織物纖維（直徑約20m）相比，具有螺旋結構的微納米纖維材料不僅具有小纖維直徑、高孔孔隙和良好的彈性，而且通過引入螺釘結構，纖維的比面變得更大。通過熔噴紡絲技術,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,進行熔噴紡絲,制備出了具有螺旋結構的微納米纖維。一、產(chǎn)生的技術(一)靜電紡絲技術靜電紡絲是一種不同于常規(guī)方法的紡絲技術,是基于高壓靜電場下導電流體產(chǎn)生高速噴射原理發(fā)展而來的。聚合物溶液或熔體在高壓靜電場下,帶上幾千至上萬伏高壓靜電,帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管的Taylor錐頂點被加速。當電場力足夠大時,聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發(fā)或固化,最終落在接收裝置上,形成類似非織造布狀的纖維氈。電紡絲技術制得的纖維直徑一般在數(shù)十納米到數(shù)微米之間。目前,國內(nèi)外一些研究人員已經(jīng)利用不同的靜電紡絲技術制備了單組份或多組份的扭曲螺旋纖維材料。其中通過改變紡絲條件,如紡絲液濃度、紡絲電壓等,可以制備出單組份的螺旋纖維;通過利用不同的紡絲液成分,如采用一種高斷裂伸長率和一種低斷裂伸長率的高聚物共混溶液或者采用一種導電和一種非導電高聚物的共混液,可以制備出多組份的螺旋纖維。(二)復合纖維的組成復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,分別通過各自的熔體(或溶液)管道,在有多塊分配板組合而成的復合組件內(nèi)進行分配,到達噴絲板時以各種方式匯合,形成復合熔體流(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合纖維。其中兩組份的復合纖維稱為雙組份復合纖維。將兩種不同粘度或收縮性的高聚物復合紡絲,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。不同組份是復合纖維產(chǎn)生潛在三維卷曲的內(nèi)在原因和先決條件。因為各組份不同的微觀形態(tài)結構會產(chǎn)生不同的收縮性,在纖維截面上產(chǎn)生縱向的應力,使纖維發(fā)生變形,與此同時又會產(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。雙組份復合紡絲過程中形成的卷曲是三維螺旋立體卷曲,類似于彈簧的卷曲形態(tài)。這種卷曲的出現(xiàn)是由于內(nèi)應力的不均勻性。并列型復合纖維或偏心型皮芯復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別。二、熔噴技術(一)由聚合物制備成網(wǎng)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纖維的一步法技術。其主要的工藝流程是:聚合物切片通過料斗喂入,進入螺桿擠壓機。在螺桿擠壓力作用下向前輸送的過程中,聚合物被加熱加壓逐漸熔融成為熔體,熔體經(jīng)過分配流道到達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化,超細化的纖維冷卻固化沉積于集網(wǎng)裝置上,形成纖度極細的纖維網(wǎng)。(二)雙組熔噴技術1.用雙組份復合的熔噴非織造布雙組份熔噴技術的開發(fā)始于20世紀80年代,大都集中在德國、美國、日本等發(fā)達國家。德國Reifenhauser公司較早成功研制了Reicofil雙噴頭熔噴生產(chǎn)線。1999年美國田納西大學的紡織品與非織造布研制中心安裝了這條生產(chǎn)線,ChristineSun等在這條生產(chǎn)線上試驗了各種成分的熱塑性樹脂及其雙組份復合的熔噴非織造布產(chǎn)品,包括單組份聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺(PA)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(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。實驗證明大多數(shù)的雙組份熔噴非織造布表現(xiàn)出超過單組份熔噴非織造布的增強型抗?jié)B性能。2.高聚物熔體的制備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)過各自獨立的螺桿擠壓機,在螺桿擠壓力作用下向前輸送的過程中,高聚物被加熱加壓逐漸熔融成為熔體,熔體經(jīng)過分配流道到達特殊設計的熔噴模頭,在模頭處匯合。熔體細流在高速高溫氣流的作用下,拉伸形成超細纖維,纖維被吸附在成網(wǎng)簾裝置上,形成超細纖維的雙組份熔噴非織造布。三、在波浪結構中制備微納米纖維的實驗設計中(一)實驗原材料本實驗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)試壓機本課題熔噴紡絲所用設備為自行設計研發(fā)的單孔熔噴試驗機。采用一臺螺桿直徑為12mm的螺桿擠出機,電阻圈加熱系統(tǒng)及溫度控制裝置,一個轉(zhuǎn)速為0r/min~50r/min的計量泵,一個網(wǎng)帶寬度為120mm的鋪網(wǎng)簾和一臺排氣量為304L/min的空氣壓縮機。(三)噴無紡布的條件在熔噴紡絲生產(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)的設定將直接影響最終熔噴纖維或熔噴無紡布的質(zhì)量和性能。1.微納米纖維的制備TPU、TPEE切片準備:實驗前,把TPU切片在80℃下真空干燥24小時;TPEE切片在100℃下真空干燥8小時。因為TPU和TPEE均為極性聚合物,當其暴露在空氣中時會慢慢吸濕。用吸濕的TPU或TPEE粒料進行熔噴紡絲,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水分氣化引起的氣泡,在TPU和TPEE加工之前,一定要對粒料進行干燥處理。潮濕和干燥的TPU切片熔融擠出后的形態(tài)粉末狀原料準備:取一定質(zhì)量的PP、TPU和TPEE切片使用深冷低溫粉碎機,粉碎成100目(150微米)的超細粉末,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共混原料的準備:PP、TPU、TPEE三種高聚物具有不同的熔體流動性,PP與TPU(或TPEE)的混合程度對共混物的溶體流動性有很大影響。應合理控制PP與TPU(或TPEE)的混合比例,制備出性能良好的螺旋結構微納米纖維。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.螺桿擠出機加熱提供的溫度為了摸索出PP/TPU與PP/TPEE共混物的熔噴加工性能,在正式的實驗前,本課題進行了一些探索性實驗。在探索性試驗中,熔噴設備的噴頭為狹槽型,原料采用顆粒狀的共混物。在這些實驗進行中,有關工藝參數(shù)的設定:若聚合物熔體溫度設定為260℃,則螺桿擠出機加熱三區(qū)的溫度分別設定為250℃、255℃、260℃。螺桿擠出機加熱三區(qū)的溫度設定的原則為:在保持前段溫度的基礎上略微升高溫度,這樣既能提高熔體的流動性有利于紡絲加工;又不會升溫太快,致使原料發(fā)生降解。在實驗過程中,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,喂入熔噴設備,共混物經(jīng)過螺桿擠出機熔融共混,從噴頭的噴絲孔擠出,形成熔體細流,在熱空氣的高速牽伸下,形成超細纖維,將超細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)觀察其微觀形貌。3.熔噴工藝參數(shù)的影響通過實驗過程中的不斷摸索和分析,最終確定了PP/TPU和PP/TPEE熔噴螺旋結構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)熔噴工藝需求進行調(diào)整,并研究這些工藝參數(shù)的變化對纖維形貌的影響。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、tpee/pp指數(shù)本章對熔噴制備PP/TPU、PP/TPEE螺旋結構微納米纖維的制備工藝進行了探索并確定了最終實驗方案。1.研究了PP、TPU和TPEE的結構和性能,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.通過探索性實驗,確定了聚合物熔體溫度的適宜區(qū)間為220℃~250℃;接收距