熔噴非織造材料的發(fā)展與應(yīng)用

熔噴非織造材料的發(fā)展與應(yīng)用

非織造法是通過(guò)高速、高溫氣流和聚合物熔斷器迅速膨脹而制作精細(xì)纖維的方法。20世紀(jì)50年代初,美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室為收集核試驗(yàn)產(chǎn)生的放射性微粒,開(kāi)始研究具有超細(xì)過(guò)濾功能過(guò)濾材料的制備方法,1954年發(fā)表了有關(guān)研究成果。20世紀(jì)60年代中期,美國(guó)Exxon(?？松?公司進(jìn)一步對(duì)這一工藝進(jìn)行研究,與Accurate公司合作制造出了第一臺(tái)熔噴非織造設(shè)備原型機(jī),并申請(qǐng)了專利。目前,除了?？松緭碛腥蹏姺强椩斓膶Ｓ屑夹g(shù)外,其它一些公司(如美國(guó)3M公司、Hills(希爾)公司,德國(guó)Freudenberg(科德寶)公司等)也成功開(kāi)發(fā)出了自己的熔噴非織造技術(shù)。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,熔噴非織造材料在全球增長(zhǎng)迅速,保持了10%~12%的年增長(zhǎng)率。熔噴非織造材料在過(guò)濾、阻菌、吸附、保暖、防水、醫(yī)療衛(wèi)生等方面性能優(yōu)異,受到國(guó)內(nèi)外企業(yè)的廣泛關(guān)注。近年來(lái),熔噴非織造新材料、新工藝、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。1超細(xì)化纖維在各類無(wú)紡布上的應(yīng)用隨著工業(yè)的飛速發(fā)展以及世界各國(guó)對(duì)于環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng),熔噴非織造布的市場(chǎng)越來(lái)越大,其纖維超細(xì)化所表現(xiàn)的特性,在許多工業(yè)、民用領(lǐng)域被人們發(fā)現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。近幾年,熔噴非織造技術(shù)發(fā)展迅速,各種可用于熔噴的原材料不斷涌現(xiàn),這些都促進(jìn)了熔噴非織造布行業(yè)的發(fā)展。1.1通過(guò)熔噴生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)材料Nanoval2011年,東華大學(xué)研發(fā)了一種制備亞微米纖維的熔噴模頭裝置,包括模頭噴絲板,噴絲板上部和下部對(duì)稱分布一個(gè)氣流入口,氣流入口各連接一個(gè)矩形槽,兩個(gè)矩形槽分別通過(guò)氣流通道連接到噴絲孔。如圖3所示,噴絲孔包括圓柱形的噴絲孔后段和與噴絲孔后段相接的截面逐漸變大的矩形截面柱體。該發(fā)明結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,不需添加任何額外配件,也非常適合在常規(guī)熔噴模頭上改進(jìn)。原料為聚丙烯,熔融流動(dòng)指數(shù)為1800。熔噴非織造設(shè)備及其工藝參數(shù)為:噴絲孔直徑0.06mm,聚合物熔體溫度350℃,空氣壓力0.3MPa。經(jīng)過(guò)常規(guī)熔噴工藝制備的纖維平均直徑約為500nm,而利用這種熔噴模頭形成的纖維平均直徑約為430nm,且其直徑分布較窄。在超細(xì)纖維加工領(lǐng)域,雙組分熔噴生產(chǎn)技術(shù)越來(lái)越受關(guān)注。單組分熔噴生產(chǎn)工藝中由于受噴絲板加工條件的限制,難以通過(guò)改變紡絲孔尺寸的方法使纖維進(jìn)一步細(xì)化。雙組分纖維為這種改變創(chuàng)造了條件,通過(guò)化學(xué)或物理的方法使雙組分纖維發(fā)生裂離,從而使纖維達(dá)到理想的細(xì)度。常用的開(kāi)纖方法有熱處理法、機(jī)械法、化學(xué)法等,但這些方法都在不同程度上對(duì)熔噴非織造產(chǎn)品造成負(fù)面影響。超聲波法作為一種新的開(kāi)纖方法逐漸展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。作為一種縱向波,超聲波作用于纖維的界面處引起共振,使紋隙進(jìn)一步擴(kuò)大,隨著作用時(shí)間的增加,導(dǎo)致纖維的最終裂離,尤其再結(jié)合適當(dāng)?shù)拈_(kāi)纖試劑,這種效果就更加明顯,并且經(jīng)超聲波處理后的試樣更加緊密,孔隙率降低,更能發(fā)揮熔噴非織造布的高效過(guò)濾性能。1.2多種復(fù)合技術(shù)結(jié)合使用,得到了顯著優(yōu)化紡熔復(fù)合非織造布生產(chǎn)技術(shù)是將紡粘法和熔噴法集成而產(chǎn)生的一種復(fù)合非織造生產(chǎn)工藝。紡熔工藝充分利用兩種不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì),將熔噴非織造布強(qiáng)度低、紡粘非織造布均勻性差的缺點(diǎn)通過(guò)復(fù)合互相彌補(bǔ)消除,使得紡熔產(chǎn)品既有紡粘層固有的高強(qiáng)耐磨性,又有中間熔噴層良好的過(guò)濾效率、阻隔性能、抗粒子穿透性、抗靜水壓、屏蔽性以及外觀均勻性,大大拓展了非織造布的應(yīng)用領(lǐng)域。為了達(dá)到高產(chǎn)、高效的目的,近幾年多模頭在線復(fù)合技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外企業(yè)的廣泛關(guān)注。如SMMS、SMMMS、SSMMMSS等。目前最多的多箱體復(fù)合產(chǎn)品可達(dá)7層。多個(gè)模頭的加入在提高產(chǎn)量的同時(shí),也改善了紡熔產(chǎn)品的質(zhì)量。德國(guó)Reifenhauser(萊芬豪舍)公司在ReicofilIII型機(jī)的基礎(chǔ)上研制出了ReicofilIV型紡熔設(shè)備,該設(shè)備在冷卻、牽伸、鋪網(wǎng)等工藝方面得到進(jìn)一步優(yōu)化,并且生產(chǎn)線配有在線檢測(cè)、自動(dòng)分切、無(wú)菌包裝等配套技術(shù),生產(chǎn)效率在很大程度上得到了提高。與此同時(shí),非織造布生產(chǎn)企業(yè)正越來(lái)越多地將雙組分紡粘技術(shù)與多頭紡熔技術(shù)相結(jié)合,開(kāi)發(fā)出雙模頭雙組分紡粘生產(chǎn)線和雙組分復(fù)合SMS生產(chǎn)線及其產(chǎn)品。Kasen(卡森)公司則將特有的雙組分復(fù)合熔噴和雙組分復(fù)合紡粘結(jié)合,形成了皮芯型雙組分復(fù)合SMS生產(chǎn)線,成為多頭紡熔技術(shù)中的一大亮點(diǎn)。2產(chǎn)品的特需化需求熔噴非織造技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的拓展促進(jìn)了高性能聚合物的使用,以滿足產(chǎn)業(yè)用紡織品的特別需求,如耐高溫、耐化學(xué)性、良好的強(qiáng)度和彈性、醫(yī)療用產(chǎn)品的舒適性、與食品接觸的安全性等要求。眾多熔噴非織造設(shè)備生產(chǎn)商提供的生產(chǎn)設(shè)備除使用傳統(tǒng)的PP、PET、PE、PA、PBT、PTT外,一些高性能的成纖高聚物在紡粘、熔噴非織造產(chǎn)品中也得以使用。2.1進(jìn)展之一:聚苯硫醚樹(shù)脂的熔噴聚乙烯纖維熔噴工藝的復(fù)雜性決定了影響熔噴非織造布物理機(jī)械性能的因素較多。聚合物原材料性能以及熔噴工藝條件直接影響產(chǎn)品的性能,因此在不斷改善熔噴工藝的同時(shí),一些公司長(zhǎng)期致力于開(kāi)發(fā)新型高性能聚合物材料以適應(yīng)于更多領(lǐng)域的應(yīng)用。日本Toyobo(東洋紡)公司利用其專利技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種名為“Tsunooga”的高強(qiáng)熔噴聚乙烯纖維。根據(jù)測(cè)試,Tsunooga纖維質(zhì)輕,其抗切割能力優(yōu)于對(duì)位芳綸,因此有望用于各種工業(yè)領(lǐng)域。此外,它還具有耐光、耐水和很好的化學(xué)穩(wěn)定性,同時(shí)也適于各種顏色的紡前染色。美國(guó)Celanese(塞拉尼斯)公司推出了一種可用于熔噴非織造布的聚苯硫醚樹(shù)脂——FortronPPS0203HS。據(jù)稱,這種原料在標(biāo)準(zhǔn)的通常使用PP原料的熔噴設(shè)備上就能加工成非織造布,但其熔體的熔融溫度需300~320℃,紡絲時(shí)溫度需要提高。這種PPS熔噴纖維的直徑大都在2~4μm,直徑分布較寬。由于PPS具有耐高溫的特點(diǎn),可適應(yīng)在惡劣環(huán)境中作過(guò)濾材料,因此很有發(fā)展前景,可用于水泥廠、鋼鐵廠等的煙氣過(guò)濾。2.2其他軟質(zhì)聚烯烴材料據(jù)Freedonia集團(tuán)研究報(bào)告稱,全球熱塑性彈性體(TPE)的需求預(yù)計(jì)將以6.3%的年均增速繼續(xù)增長(zhǎng),到2015年將增至560萬(wàn)t。熔噴彈性非織造布的生產(chǎn)主要以熱塑性彈性體為原料,理論上幾乎所有的熱塑性彈性體都可以應(yīng)用于熔噴非織造布的加工。目前熔噴彈性非織造布使用的聚合物切片主要有聚氨酯、聚酯類、聚酰胺類、A-B-A型嵌段共聚物(B為彈性段)、乙烯和α-烯烴共聚物、聚醚酯類等,以聚氨酯彈性體為最佳。日本IdemitsuKosan公司采用自有的單活性中心催化劑開(kāi)發(fā)了一種由丙烯和丁烯合成的新型軟質(zhì)聚烯烴,稱為L(zhǎng)MPO,其抗張模量為60MPa,斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到600%~900%。據(jù)稱,由LMPO制成的非織造布無(wú)需其他支撐就具有極好的彈性。此外,該材料還具有熱穩(wěn)定性高、熔融黏度低、無(wú)味、不粘連、無(wú)色透明、與PP相容等特性,且適用于某些溶劑。另外,還可根據(jù)需要來(lái)控制其分子量和熔融黏度。LMPO適用于紡粘和熔噴加工,該彈性材料在德國(guó)Saxon(薩克森)紡織研究所ReicofilIV雙組分試驗(yàn)設(shè)備上制備出了彈性熔噴非織造布產(chǎn)品,以LMPO為原料的紡粘或熔噴非織造布主要用于尿片的主體部分(正面和側(cè)翼),有望打入醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品領(lǐng)域。此外LMPO也可作為聚苯聚合物或添加劑用于熱溶膠、粘結(jié)劑、薄膜或其它纖維。2.3改性熔噴非織造布傳統(tǒng)的熔噴材料往往存在一些缺點(diǎn),如PP熔噴非織造布雖具有纖維孔徑小、過(guò)濾效率高等優(yōu)異的性能特點(diǎn),但由于PP吸水性差,其非織造布的使用性能受到限制,因此對(duì)聚合物進(jìn)行改性處理變得十分重要。目前,國(guó)內(nèi)的親水改性劑種類雖多,但可用于熔噴加工的熔融添加劑還比較少,而且性能不穩(wěn)定,制成的熔噴非織造布親水效果短暫。CHA(CommercialHydrophilicAdditive)是一種能夠賦予PP熔噴非織造布親水性能的熔融添加劑。與局部處理的方式相比,熔融添加劑能夠提供長(zhǎng)效的親水效果,并且經(jīng)CHA改性后的PP熔噴非織造布還具有良好的柔軟性能和抗靜電效果。東華大學(xué)于2010年研發(fā)了一種新型的具有抗菌功能的水過(guò)濾熔噴濾芯。PP和2,4-二氨基-6-二烯丙基氨基-1,3,5-三嗪(NDAM)抗菌單體在引發(fā)劑的作用下接枝共聚制成樹(shù)脂切片(簡(jiǎn)稱PP-g-NDAM),通過(guò)改進(jìn)熔噴工藝參數(shù),提高PP與NDAM接枝率等可進(jìn)一步提高熔噴過(guò)濾材料的抗菌性能,從而制成具有高濾率高殺菌率的飲用水濾芯。2.4pla樹(shù)酯可降解材料隨著世界各國(guó)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),一些可生物降解的聚合物材料日益受到開(kāi)發(fā)商的青睞。2009年,美國(guó)NatureWorks公司在國(guó)際非織造布技術(shù)會(huì)議(INTC)上推出兩種PLA樹(shù)酯——Ingeo衡龍科技有限公司在其發(fā)明專利中提到一種聚丙烯熔噴非織造布可降解專用復(fù)合材料,這種復(fù)合材料主要由納米碳酸鈣、玉米淀粉、表面處理劑、POE、聚丙烯和聚異丁烯制成。利用這種復(fù)合材料制成的非織造布不僅過(guò)濾性能好、可紡性好、不滴漿、著色性能好、鋪網(wǎng)均勻、克重正常、拉伸強(qiáng)度高、柔軟性能好、表面光澤度好,而且具有環(huán)保特點(diǎn)。3非織造布的應(yīng)用由于熔噴技術(shù)生產(chǎn)的纖維超細(xì)化,同時(shí)熔噴非織造布具有很大的比表面積、孔隙率大,故其過(guò)濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性等是用其它單獨(dú)工藝生產(chǎn)的非織造布所難以企及的,因此廣泛應(yīng)用于醫(yī)用和工業(yè)用口罩、保暖材料、過(guò)濾材料、醫(yī)療衛(wèi)生材料、吸油材料、擦拭布、電池隔板及隔音材料等領(lǐng)域。隨著新型熔噴材料的出現(xiàn)以及紡熔復(fù)合技術(shù)的發(fā)展,熔噴以及紡熔復(fù)合非織布的應(yīng)用領(lǐng)域變得更加廣泛。3.1空氣過(guò)濾材料熔噴非織造布早期的應(yīng)用主要是過(guò)濾材料,極適合作液固分離或氣固分離的過(guò)濾材料。在空氣過(guò)濾中適于作亞高效以上的過(guò)濾,如勞保及醫(yī)療口罩、防毒面具,濾除粉塵、細(xì)菌等有害顆粒,亦可作空調(diào)、汽車內(nèi)空氣過(guò)濾和發(fā)動(dòng)機(jī)空氣過(guò)濾,特別當(dāng)熔噴纖維經(jīng)駐極化處理后,空氣過(guò)濾的過(guò)濾效率可超過(guò)99%,甚至可達(dá)99.999%,這種材料在通風(fēng)、空調(diào)和凈化工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。過(guò)去,一些高要求的空氣過(guò)濾普遍采用微細(xì)玻璃纖維的濾料,近幾年來(lái)的研究表明,玻纖容易折斷脫落,對(duì)人體有害,甚至可能會(huì)致癌。世界衛(wèi)生組已將玻纖劃歸IB類,即可能致癌物質(zhì)。另外玻纖又不能加上靜電荷進(jìn)行駐極化,因此隨著時(shí)間的推移,熔噴過(guò)濾材料的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。由天津工業(yè)大學(xué)主持研究的863計(jì)劃項(xiàng)目“摻雜納米電氣石雙組分熔噴法制備耐久駐極納微纖維高效過(guò)濾材料的關(guān)鍵技術(shù)研究”,利用納米摻雜技術(shù)制備了電氣石改性聚丙烯熔噴母粒,掌握了雙組分熔噴納微米纖維非織造布生產(chǎn)及開(kāi)纖技術(shù),開(kāi)發(fā)出了納微米纖維非織造布高效過(guò)濾材料。這種濾材具有手感柔軟、強(qiáng)度大、蓬松度高、保暖性能好、過(guò)濾效率高等特點(diǎn),能廣泛應(yīng)用于高效低阻過(guò)濾材料。3.2合型熔噴材料由于熔噴非織造布中的纖維屬于超細(xì)纖維,質(zhì)量輕、手感柔軟、保暖性好,且透氣性優(yōu)越,因此熔噴非織造布也是十分優(yōu)異的保溫材料。天津工業(yè)大學(xué)研制了一種PP/PET混合型熔噴保暖材料。該非織造布纖網(wǎng)呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),纖維排列錯(cuò)亂,孔隙率大,具有良好的透氣性能,且隨著PET短纖維比例的增加,透氣性能有所增加,提高了作為保暖絮片的穿著舒適性。PP/PET混合型熔噴非織造布與傳統(tǒng)的保溫材料相比,具有更好的保溫性能,在保暖性能測(cè)試中,它的保溫率最大可達(dá)62.47%,比其它保溫材料提高了5%~8%。除了作為服裝絮片起保暖作用外,熔噴纖維絮片還可以包卷在輸汽管道、輸液管道或其它需要絕熱的貯存器具外表以作為有效的保溫層,不使熱量或冷量散失。3.3海上及港口廢水處理PP熔噴非織造布由于超細(xì)纖維結(jié)構(gòu),具有疏水親油性、密度小、吸水率為0.01%、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等特性,其吸油量可以達(dá)到本身重量的20~50倍,因此被廣泛用于海上、港口、河道溢油事故、工廠設(shè)備漏油以及污水處理等場(chǎng)合。由ExxonMobilChemical(埃克森美孚化工)公司開(kāi)發(fā)的茂金屬Achieve3.4熔噴非織造布在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用目前醫(yī)療用纖維材料及制品在醫(yī)療領(lǐng)域的地位越來(lái)越突出,熔噴非織造布在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)紡織品中發(fā)揮著重要作用,這類產(chǎn)品的醫(yī)用效果好、價(jià)格合理,受到醫(yī)療保健及護(hù)理行業(yè)的青睞。2009年,甲型H1N1流感襲來(lái)時(shí),大街上隨處可見(jiàn)戴著薄得像紙一樣的口罩的人。這種輕薄但阻隔效果很好的“紙”口罩就是由熔噴非織造布制成的。近年來(lái),紡熔復(fù)合非織布產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。江陰金鳳特種紡織品有限公司在其專利中提到一種防滲透、高透氣、超柔軟、超薄型復(fù)合非織造布,它是由外層紡粘法非織造布和內(nèi)層兩層熔噴法非織造布層按照紡粘、熔噴、熔噴、紡粘的順序組合并熱粘合在一起的,表面紡粘非織造布手感柔軟,與皮膚接觸時(shí)舒適性能高,中間熔噴非織造布層具有較強(qiáng)的拒水性,雙層熔噴疊加,可彌補(bǔ)單層熔噴不均勻的缺點(diǎn),且柔軟舒適,透氣性和防滲漏性能好,因此廣泛用于制作嬰兒尿不濕、成人失禁墊、婦女衛(wèi)生巾等一次性產(chǎn)品。3.5非織造擦理布的應(yīng)用據(jù)英國(guó)EuromonitorInternational公司調(diào)查,自2003年以來(lái)中國(guó)的擦拭布市場(chǎng)一直以10%的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),2008年其零售額達(dá)到1.58億美元,預(yù)計(jì)在2013年將達(dá)到2.3億美元。由于熔噴非織造布去污能力強(qiáng)、手感柔軟、不損傷被擦拭的表面,因此很有發(fā)展前景。日本Uni-Charm(尤尼佳)公司改進(jìn)了家用擦拭布,其主要特點(diǎn)在于把兩層非織造布粘合到一起,并賦予擦拭布結(jié)構(gòu)更高強(qiáng)度的熔融粘合線紋。與以前的技術(shù)相比,這種改良擦拭布抗彎曲(折曲)性能得到提高,表面擦拭性能得到改進(jìn),蓬松性有提高。該擦拭布可干用,也可以用清潔液浸漬制成濕擦拭布。擦拭布若用由乙醇、表面活性劑與乙二醇組成的溶液浸漬,擦拭效果更佳。超細(xì)纖維非織造布的成功引入,為非織造擦拭布的應(yīng)用與發(fā)展開(kāi)辟了新紀(jì)元。同時(shí)非織造擦拭布作為用即棄或者短期使用材料,會(huì)造成環(huán)境壓力,不利于可持續(xù)性發(fā)展,因此,尋求新的易降解纖維作為非織造擦拭布原料已成為目前新的研究方向之一。3.6汽車黨裝法非織造布的材料選擇近年來(lái),建筑物內(nèi)的噪音、排風(fēng)管道的噪音、運(yùn)輸業(yè)內(nèi)的噪音等各種各樣的噪音越來(lái)越受到公眾的重視和關(guān)注,雖然已有相關(guān)的措施及方法可以控制噪音,但還未出現(xiàn)一種令人滿意的、通用的材料來(lái)減少噪音。選擇一種合適的減噪材料,不只是單純的考慮其吸音能力,還要考慮更多的因素,包括成本、重量、厚度、阻燃性、環(huán)保性等。目前,汽車車廂內(nèi)的阻音材料主要采用毛氈、發(fā)泡材料、