复合纳米纤维膜及其制备方法转让专利
申请号 : CN202010163802.X
文献号 : CN111455566B
文献日 : 2021-12-24
发明人 : 王栋 , 郭启浩 , 刘轲 , 赵青华 , 李沐芳
申请人 : 武汉纺织大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种复合纳米纤维膜的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:S1、复合无纺布基层的制备:按预定比例,将热塑性聚合物母粒和乙烯醇‑乙烯共聚物母粒进行双组份熔融纺丝,得到双组份复合纤维;然后,将所述双组份复合纤维进行纤维成型处理,制备得到复合无纺布基层;
S2、PVA‑co‑PE纳米纤维的制备:将乙烯醇‑乙烯共聚物母粒和醋酸丁酸纤维素母粒按预定质量比例共混得到混合母粒,将所述混合母粒熔融共混纺丝,制备得到PVA‑co‑PE/CAB复合纳米纤维;将所述PVA‑co‑PE/CAB复合纳米纤维用丙酮进行萃取,得到PVA‑co‑PE纳米纤维;
S3、复合纳米纤维膜的制备:将步骤S2制备的所述PVA‑co‑PE纳米纤维制备成悬浮液;
通过气压雾化工艺,将所述悬浮液与步骤S1制备的所述复合无纺布基层进行初步复合,得到由PVA‑co‑PE纳米纤维膜层与所述复合无纺布基层相互复合而成的复合膜;然后,将所述复合膜进行热压处理,使得所述复合无纺布基层与所述PVA‑co‑PE纳米纤维膜层中的乙烯醇‑乙烯共聚物部分熔融后粘合进行加固复合,实现了纳米纤维之间的点/面粘合增强结构,得到复合纳米纤维膜;
所述双组份复合纤维为并列型结构、皮芯型结构或者橘瓣型结构;
在步骤S3所述热压过程中,热压温度为150~210℃,热压压力为1~5MPa,热压时间为5~30s;在步骤S3所述气压雾化工艺中,雾化气压为0.1~0.5MPa;
复合无纺布基层采用异型结构的双组份复合纤维,用于纺丝的热塑性聚合物和乙烯醇‑乙烯共聚物两个组分之间互不相容且具有相似熔体黏度和相近的熔融温度,同时两个聚合物组分彼此间具有弱黏附性;异型结构双组份复合纤维中的乙烯醇‑乙烯共聚物与PVA‑co‑PE纳米纤维的聚合物为同一种材料。
2.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法,其特征在于:所述双组份复合纤维呈皮芯型结构,且其皮层为乙烯醇‑乙烯共聚物,芯层为热塑性聚合物。
3.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法,其特征在于:所述双组份复合纤维呈橘瓣型结构;所述橘瓣型结构的双组份复合纤维的制备包括裂离预处理过程。
4.根据权利要求3所述的复合纳米纤维膜的制备方法,其特征在于:所述裂离预处理过程是指利用化学助剂对所述双组份复合纤维进行浸泡处理,减少两组分纤维之间的界面粘合力使其分离,以得到裂离的截面异形化超细纳米纤维;或者所述裂离预处理过程是指利用水刺法产生的高压水流的机械能对所述双组份复合纤维进行机械裂离,以得到裂离的截面异形化超细纳米纤维。
5.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法,其特征在于:在步骤S1中,所述纤维成型处理的工艺为水刺工艺、热合工艺、SMS工艺、湿法工艺、纺粘工艺、浆粕气流成网工艺、熔喷工艺、针刺工艺中的一种。
6.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法,其特征在于:在步骤S1中,所述热塑性聚合物母粒和所述乙烯醇‑乙烯共聚物母粒的质量比为20~80%:20~80%;所述热塑性聚合物为PET、PP、PE中的一种或多种。
7.根据权利要求1‑6中任一项权利要求所述的复合纳米纤维膜的制备方法制备得到的复合纳米纤维膜,其特征在于:所述复合纳米纤维膜由PVA‑co‑PE纳米纤维悬浮液通过气压雾化工艺与所述复合无纺布基层进行初步复合后,再经过热压处理加固复合而成;所述复合无纺布基层与所述PVA‑co‑PE纳米纤维膜层中均具有乙烯醇‑乙烯共聚物;所述PVA‑co‑PE纳米纤维膜层与所述复合无纺布基层的质量比例为5~20%:80~95%;所述复合纳米纤维膜的断裂强度为80~250N/5cm,90°剥离强度为0.05~5KN/m。
8.根据权利要求7所述的复合纳米纤维膜,其特征在于:所述复合无纺布基层的纤维为双组份复合纤维,所述双组份复合纤维为皮芯型结构,且其皮层为乙烯醇‑乙烯共聚物,芯层为热塑性聚合物;或者所述双组份复合纤维为橘瓣型结构,其包括若干通过裂离预处理过程得到的裂离的截面异形化超细纳米纤维;或者所述双组份复合纤维为并列型结构。
说明书 :
复合纳米纤维膜及其制备方法
技术领域
背景技术
输送距离远等特点,成为危害人类的首要污染物。其中,直径小于2.5μm的气溶胶颗粒,不仅
会引起人体各种呼吸系统疾病,还可能引发各种心脑血管疾病,甚至会引发心力衰竭与肺
源性心脏病等。
独作为过滤材料使用,因此纳米纤维通常被负载在基材上形成复合过滤材料,即将两种及
以上独立的单层过滤材料复合成一个整体,此法可结合不同层过滤材料的优点。同时,纳米
纤维的排列与基材的表面形貌有关,具有相对均匀平整的表面和较低的厚度的基材能得到
均匀的纳米纤维膜,从而得到均匀性良好的复合材料。机织布、非织造布等成型基布是最常
用的基材,但是与纳米纤维膜复合属于面与面复合,存在复合牢固性差的问题,不能满足实
际应用的需求。将纳米纤维与基布直接复合时,二者间的粘合牢度往往较小,实际使用时,
在外力作用下,纳米纤维膜与基布容易发生分离。
成纳米纤维膜的纳米纤维由连续相的热塑性聚合物和分散相的纳米活性颗粒组成。制备过
程采用将纳米活性颗粒与热塑性聚合物按比例进行双螺杆挤出造粒,制备出复合材料,再
与醋酸丁酸纤维素按比例共混熔融纺丝,并经过溶剂萃取,制备得到含有纳米活性颗粒的
热塑性纳米纤维,最后将热塑性纳米纤维的乙醇悬浮液涂覆于非织造布基材表面,干燥后
即得高吸附纳米纤维复合过滤材料。但是该方法的不足之处在于:过滤材料的力学性能以
及纳米纤维基体与无纺布基层之间的界面稳定性并没有得到很大程度上的提升。
纳米纤维膜的方法。该方法采用含有熔点比其它组分低至少20℃的几种热塑性高聚物或低
熔点热塑性聚合物与非热塑性聚合物进行相间混合静电纺丝,纤维随机交错排布;将混纺
电纺纤维膜进行热轧后处理,热压温度略高于低熔点高聚物的起始熔融温度,热压后热塑
性低熔点高聚物发生部分熔融,在纳米纤维交叉处形成点粘结。但是该方法的不足之处在
于:纳米纤维的强度并没有得到很大程度上的改善,且静电纺丝工艺不适合量产,限制了其
应用范围。
纤维膜的应用范围。
发明内容
维成型处理,制备得到复合无纺布基层;
PE/CAB复合纳米纤维;将所述PVA‑co‑PE/CAB复合纳米纤维用丙酮进行萃取,得到PVA‑co‑
PE纳米纤维;
得到由PVA‑co‑PE纳米纤维膜层与所述复合无纺布基层相互复合而成的复合膜;然后,将所
述复合膜进行热压处理,使得所述复合无纺布基层与所述PVA‑co‑PE纳米纤维膜层中的乙
烯醇‑乙烯共聚物部分熔融后粘合,得到复合纳米纤维膜。
维;或者所述裂离预处理过程是指利用水刺法产生的高压水流的机械能对所述双组份复合
纤维进行机械裂离,以得到裂离的截面异形化超细纳米纤维。
合无纺布基层进行初步复合后,再经过热压处理加固复合而成;所述复合无纺布基层与所
述PVA‑co‑PE纳米纤维膜层中均具有乙烯醇‑乙烯共聚物;所述PVA‑co‑PE纳米纤维膜层与
所述复合无纺布基层的质量比例为5~20%:80~95%;所述复合纳米纤维膜的断裂强度为
80~250N/5cm,90°剥离强度为0.05~5KN/m。
纤维为橘瓣型结构,其包括若干通过裂离预处理过程得到的裂离的截面异形化超细纳米纤
维;或者所述双组份复合纤维为并列型结构。
而成的复合纳米纤维膜的力学强度得到了很大程度上的提高,更进一步解决了纳米纤维膜
界面结合力不够牢固的弊端。这主要是由于:
的缺点,赋予了异型结构双组份纤维独特的组合性能,提高了纤维的整体力学强度,进而提
高了复合无纺布基层的力学性能。
两个聚合物组分彼此间具有弱黏附性;同时,异型结构双组份复合纤维中的乙烯醇‑乙烯共
聚物与PVA‑co‑PE纳米纤维的聚合物为同一种材料,这为第二步热压粘合的加固复合过程
提供了两层结构之间的界面粘合基础。
与PVA‑co‑PE纳米纤维膜层的纤维为同一种聚合物材料,通过热压熔融粘合加固了复合效
果,很大程度上提高了复合纳米纤维膜的两层结构的结合稳定性。这主要是由于:将复合无
纺布基层与PVA‑co‑PE纳米纤维膜层进行热压工艺处理(第二步加固复合过程)中,复合无
纺布基层的纤维为乙烯醇‑乙烯共聚物和热塑性聚合物混合纤维结构,设置热压温度略高
于乙烯醇‑乙烯共聚物的熔融温度,热压处理后无纺布基层和纳米纤维膜层中乙烯醇‑乙烯
共聚物发生部分熔融,在两层结构的交界面中的纳米纤维连接和交叉处形成聚合物面与面
的粘结(皮芯结构)或者点与点的粘结(橘瓣结构和并列结构),即PVA‑co‑PE纳米纤维膜层
中的乙烯醇‑乙烯共聚物与复合无纺布基层表面的乙烯醇‑乙烯共聚物形成点/面接触,进
而使得复合无纺布基层和纳米纤维膜层两者相交界面的两层熔融状态的乙烯醇‑乙烯共聚
物发生粘合,实现了纳米纤维之间的点/面粘合增强结构,改善了纳米纤维膜的整体力学强
度,以及两层结构之间的界面结合力,很大程度上提高了复合纳米纤维膜的两层结构的结
合稳定性,且二者间的粘合牢度大,在外力作用下,纳米纤维膜与基布结合紧密稳定,且不
易发生分离。
烯醇‑乙烯共聚物作为纳米纤维膜复合结构中两层结构表面的聚合物热压粘合的主体材
料,进行热压处理后,两层结构之间的粘合牢度大,在外力作用下,PVA‑co‑PE纳米纤维膜层
与复合无纺布基层结合紧密稳定,且不易发生分离。
过程中,两种组分原丝径向分离,在溶解去除基质时,纳米纤维径向组成不变,不会发生断
裂,提高纤维稳定性。
附图说明
具体实施方式
领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都属于本发
明所保护的范围。
维成型处理,制备得到复合无纺布基层;
PE/CAB复合纳米纤维;将所述PVA‑co‑PE/CAB复合纳米纤维用丙酮进行萃取,得到PVA‑co‑
PE纳米纤维;
得到由PVA‑co‑PE纳米纤维膜层与所述复合无纺布基层相互复合而成的复合膜;然后,将所
述复合膜进行热压处理,使得所述复合无纺布基层与所述PVA‑co‑PE纳米纤维膜层中的乙
烯醇‑乙烯共聚物部分熔融后粘合,得到复合纳米纤维膜。
纤维;或者所述裂离预处理过程是指利用水刺法产生的高压水流的机械能对所述双组份复
合纤维进行机械裂离,以得到裂离的截面异形化超细纳米纤维。进一步地,在步骤S3所述热
压过程中,热压温度为150~210℃,热压压力为1~5MPa,热压时间为5~30s。
喷复合无纺布基层;其中,皮层为乙烯醇‑乙烯共聚物,芯层为热塑性聚合物。
行熔融共混纺丝,制备得到PVA‑co‑PE/CAB复合纳米纤维,其中,其中双螺杆挤出机一区到
六区的温度分别设置为160、180、200、210、215、225℃;然后,将所述PVA‑co‑PE/CAB复合纳
米纤维用丙酮进行萃取,去掉基体相醋酸丁酸纤维,得到PVA‑co‑PE纳米纤维。
后进行热压处理,得到所述复合纳米纤维膜;在所述热压过程中,热压温度为150℃,热压压
力为1MPa,热压时间为10s。
组分层层相互包覆,并沿纤维轴向复合而成。由于双组份复合纤维的皮层较薄,在进行热压
处理时,皮层组分融化,所以无纺布基层和纳米纤维膜层之间的粘结细腻均匀且稳定。
的质量比例为1:10。
异的力学强度,同时其双层结构之间界面粘结作用牢固稳定。
实施例2 160 213 3.4
实施例3 170 216 3.6
实施例4 180 220 3.9
实施例5 210 224 4.5
高,进一步,也使得复合膜的整体强度有所增强。
实施例1 1 210 3.0
实施例6 2 214 3.3
实施例7 3 222 4.0
实施例8 5 225 5.0
的整体强度有所增强。
实施例1 10 210 3.0
实施例9 5 201 1.8
实施例10 15 218 3.5
实施例11 30 225 4.0
强度越高,进一步,也使得复合膜的整体强度有所增强。
合强度越高;但是由于PE含量的减少,导致复合膜的断裂强度随之降低。
实施例16 PET 250 2.5
实施例17 PP 230 2.1
后将所述双组份复合纤维采用了水刺剥离技术,将橘瓣型双组份复合纤维进行裂离加固工
艺处理,最后制备得到水刺复合无纺布基层。
PVA‑co‑PE/CAB复合纳米纤维,其中,其中双螺杆挤出机一区到六区的温度分别设置为160、
180、200、210、215、225℃;然后,将所述PVA‑co‑PE/CAB复合纳米纤维用丙酮进行萃取,去掉
基体相醋酸丁酸纤维,干燥得到/PVA‑co‑PE纳米纤维。
复合,得到复合膜,然后进行热压处理,得到复合纳米纤维膜;在所述热压过程中,热压温度
为200℃,热压压力为2MPa,热压时间为20s。
层的质量比例为1:10。
优异的力学强度,同时其双层结构之间界面粘结作用牢固稳定。
善,而且橘瓣结构双组份复合纤维的特殊截面形状在很大程度上提高了超细纤维及其复合
无纺布基层的比表面积,使得其在进行过滤分离过程中,介质中欲分离粒子与复合纳米纤
维过滤膜中纤维碰撞或粘附的机会就越多,过滤性能更为优越,因此该结构在一定程度上
提高了复合纳米纤维过滤膜的过滤性能。
刺复合无纺布基层。
行熔融共混纺丝,制备得到PVA‑co‑PE/CAB复合纳米纤维,其中,其中双螺杆挤出机一区到
六区的温度分别设置为160、180、200、210、215、225℃;然后,将所述PVA‑co‑PE/CAB复合纳
米纤维用丙酮进行萃取,去掉基体相醋酸丁酸纤维,得到PVA‑co‑PE纳米纤维。
后进行热压处理,得到所述复合纳米纤维膜;在所述热压过程中,热压温度为170℃,热压压
力为2MPa,热压时间为10s。
层的质量比例为2:4。
不同,实际操作中,需要按热塑性聚合物的熔点进行熔融纺丝温度和热压温度等参数的调
节设置。复合无纺布基层的纤维成型处理的工艺还可以为热合工艺、SMS工艺、湿法工艺、纺
粘工艺、浆粕气流成网工艺中的一种。
成型处理得到复合无纺布基层;然后,将乙烯醇‑乙烯共聚物母粒和醋酸丁酸纤维素母粒共
混,采用熔融挤出相分离法制备得到PVA‑co‑PE纳米纤维;最后,将PVA‑co‑PE纳米纤维制备
成悬浮液,通过气压雾化与复合无纺布基层初步复合后,再进行热压处理,得到复合纳米纤
维膜。该制备方法采用同一种材料作为纳米纤维膜复合结构中两层结构的聚合物材料,进
行热压粘合,制备得到的复合纳米纤维膜具备优异的力学强度,且两层结构的界面结合稳
定性高,粘合牢度大,不易发生分离。
以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同
替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。