plapp熔噴復(fù)合過(guò)濾非織造材料的制備及性能研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類創(chuàng)造了前所未有的物質(zhì)財(cái)富，加快了文明發(fā)展進(jìn)程。同時(shí)，也存在著環(huán)境與生態(tài)破壞等重大問(wèn)題，威脅著全球和平的未來(lái)生存和發(fā)展。我國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家,環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題則顯得更為重要。伴隨著我國(guó)空氣PM2.5濃度控制指標(biāo)的出臺(tái),將大大促進(jìn)空氣潔凈技術(shù)及其關(guān)鍵設(shè)備空氣過(guò)濾器的發(fā)展。非織造材料由于其復(fù)雜的三維纖維結(jié)構(gòu),以及在有限的材料空間內(nèi)包含有許多微小孔隙和彎曲通徑,使其成為眾多過(guò)濾工程中的首選過(guò)濾材料PLA纖維可由熔融紡絲方法制備,但該方法需要熔融的聚合物流體,存在耗能較大和PLA易分解等問(wèn)題,且紡出的纖維直徑在5μm以上。另外,有學(xué)者采用靜電紡絲方法制備出PLA微納米纖維非織造材料的過(guò)濾效率與纖維直徑密切相關(guān),組成過(guò)濾材料的纖維直徑越小,濾材中小直徑纖維的含量越多,濾材的比表面積和總纖維長(zhǎng)度就越大,過(guò)濾效率也就越高。因此,筆者擬采用溶液噴射側(cè)吹紡絲技術(shù)制備PLA微納米纖維,并探討該技術(shù)中的紡絲工藝參數(shù)對(duì)PLA微納米纖維直徑及其分布的影響。在此基礎(chǔ)上,以聚丙烯(PP)熔噴非織造布為基布,將兩種不同的超細(xì)纖維非織造布復(fù)合獲得PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布,對(duì)PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布的力學(xué)性能、透氣性能和過(guò)濾性能進(jìn)行研究,優(yōu)化PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布的綜合性能,開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的高效過(guò)濾非織造材料。1實(shí)驗(yàn)部分1.1主要原材料PP熔噴非織造布:克重為19g/mPLA:重均分子量為1.0×10二氯甲烷(DCM):分析純,中國(guó)國(guó)藥化學(xué)試劑公司。1.2儀器和檢測(cè)儀器掃描電子顯微鏡(SEM):HitachiS–4800型,日本日立公司;電子織物強(qiáng)力機(jī):YG065型,溫州際高檢測(cè)儀器有限公司;織物透氣測(cè)試儀:YG461E型,溫州際高檢測(cè)儀器有限公司;材料過(guò)濾綜合性能測(cè)試儀:LD–05型,蘇州華儀儀器設(shè)備有限公司;側(cè)吹液噴紡絲裝置:結(jié)構(gòu)如圖1所示,自制。1.3pla微納米纖維非織造布的制備如圖1所示,在液噴側(cè)吹紡絲過(guò)程中,空壓機(jī)輸出高速氣流,經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后連接到長(zhǎng)梭型噴嘴上,設(shè)定長(zhǎng)梭形噴嘴與微型注射器針頭相距3cm,微型計(jì)量泵在噴嘴處將紡絲溶液擠出,擠出的紡絲溶液細(xì)流在側(cè)面被長(zhǎng)梭型噴嘴噴出的高速氣流牽伸細(xì)化,溶劑在接收距離內(nèi)迅速揮發(fā),最終到達(dá)接收裝置固化形成超細(xì)纖維。設(shè)定PLA紡絲溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%,牽伸風(fēng)壓為0.3MPa,微型注射泵針孔直徑為0.9mm。紡絲外部環(huán)境溫度為30℃,濕度為48%。在不同的擠出速率、接收距離條件下,制得PLA微納米纖維非織造布,并在60℃下真空干燥24h。以PP熔噴非織造布為基布,將PLA微納米纖維非織造布沉積在PP熔噴非織造布上,使兩種不同的超細(xì)纖維非織造布復(fù)合,獲得PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布。1.4pla/pp復(fù)合過(guò)濾非織造布性能測(cè)試采用SEM對(duì)制備的PLA微納米纖維非織造布試樣進(jìn)行表征分析,掃描前對(duì)試樣表面進(jìn)行噴金處理,纖維直徑由Image-J軟件測(cè)量。采用材料過(guò)濾綜合性能測(cè)試儀測(cè)試PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布試樣的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力,在自動(dòng)操作模式下進(jìn)行測(cè)量。PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布斷裂強(qiáng)度按照GB/T3923.1–2013測(cè)試,試樣規(guī)格為120mm×60mm,夾持距離為200mm,設(shè)定拉伸速率為200.00mm/min。PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布透氣性參考GB/T5453–1997測(cè)試,試樣規(guī)格為50mm×50mm,噴嘴為32結(jié)果與討論2.1液體噴霧劑側(cè)噴霧劑的參數(shù)對(duì)pla微納米纖維的形成的影響(1)pla微納米纖維細(xì)度和均勻性設(shè)定接收距離為35mm,擠出速率分別為5,10,15,20,25,30mL/h,制備PLA微納米纖維非織造布,用SEM觀察PLA微納米纖維的形貌如圖2所示。測(cè)得的PLA微納米纖維平均直徑和離散系數(shù)(CV值)數(shù)據(jù)如表1所示。從圖2和表1可以看出,在液噴側(cè)吹紡絲工藝條件下,7%的PLA溶液在6種不同擠出速率下都可牽伸細(xì)化成微納米纖維。其中擠出速率為5mL/h時(shí),PLA微納米纖維的細(xì)度最小,平均直徑為0.96μm,但纖維的均勻性較差,纖維直徑的CV值達(dá)46.56%。當(dāng)擠出速率過(guò)小時(shí),擠出的溶液中PLA大分子鏈的數(shù)量較少,溶劑揮發(fā)后所得的纖維直徑最小。但過(guò)小的擠出量會(huì)造成大分子鏈纏結(jié)成纖能力變差和不均勻,因而成形纖維的均勻性變差,且紡絲的效率降低。擠出速率為30mL/h時(shí),PLA微納米纖維的細(xì)度最大,平均直徑為1.29μm,其纖維的均勻性也較差,纖維直徑的CV值為44.26%,且SEM圖片中顯示有未完全牽伸細(xì)化的聚合物液滴。這是因?yàn)楫?dāng)擠出速率過(guò)大時(shí),溶液中大分子鏈的纏結(jié)程度有所增加,因而聚合物的黏彈性能也相應(yīng)地增大。在相同的紡絲條件下,較大的黏彈力容易抑制PLA纖維成形過(guò)程中的拉伸和剪切作用力,因此會(huì)出現(xiàn)液滴現(xiàn)象,紡絲效果不佳。另外,較大的擠出速率,即單位時(shí)間內(nèi)PLA溶液的擠出量增加,而氣流牽伸作用力不變,從而導(dǎo)致所紡的纖維的直徑增大。當(dāng)擠出速率為10,15,20,25mL/h時(shí),PLA溶液在液噴側(cè)吹紡絲工藝條件下成纖狀況良好,所制備的PLA纖維直徑分別為1.19,0.98,1.02,1.12μm。在該擠出速率下,纖維直徑的均勻性也得到了提高,纖維直徑的CV值分別為28.24%,24.23%,25.11%和35.12%。在液噴側(cè)吹氣流場(chǎng)條件相同的條件下,擠出速率減小有利于紡絲細(xì)流溶劑的揮發(fā),使PLA得到充分的牽伸細(xì)化。因此在15~25mL/h范圍內(nèi),PLA微納米纖維直徑會(huì)隨著擠出速率的減少而減小,纖維直徑的均勻性也得到一定的改善,其CV值由原來(lái)的35.12%降為24.23%。纖維細(xì)度和均勻性對(duì)復(fù)合非織造材料的過(guò)濾性能影響顯著,PLA微納米纖維的均勻性好,可改善纖網(wǎng)的均勻性,纖維細(xì)度減小,可使纖網(wǎng)孔徑變小,從而提高復(fù)合非織造布的綜合性能。從纖維細(xì)度和生產(chǎn)效率出發(fā),筆者選擇在擠出速率為15,20mL/h和25mL/h的條件下進(jìn)行PLA和PP非織造布的復(fù)合。(2)圖1:《中國(guó)全面圖2.不同的接收距離,將會(huì)影響PLA微納米纖維的成形及在接收裝置上的纖網(wǎng)均勻性。設(shè)定擠出速率為20mL/h,紡絲接收距離分別為10,25,35,50cm,制備PLA微納米纖維非織造布,用SEM觀察PLA微納米纖維的形貌,如圖3所示。從圖3可以看出,當(dāng)接收距離為10cm和25cm時(shí),由于牽伸距離較小,PLA微納米纖維沒(méi)有完全牽伸,出現(xiàn)很多液滴降落到接收裝置上,同時(shí)纖維之間發(fā)生粘連現(xiàn)象,不利于纖維的成形。而接收距離為50cm時(shí),PLA微納米纖維在較長(zhǎng)的距離內(nèi)得到了充分的牽伸,但因纖維細(xì)度很小且處于發(fā)散的氣流場(chǎng)中,纖維易分散和吹斷,不利于纖維的接收。當(dāng)接收距離為35cm時(shí),PLA微納米纖維得到了充分的牽伸細(xì)化,纖維的細(xì)度均勻性較好,且隨機(jī)排列在接收裝置上,纖網(wǎng)均勻性最好。因此,筆者選擇接收距離為35cm,擠出速率分別為15,20,25mL/h,設(shè)定液噴側(cè)吹時(shí)間分別為10,20,30min,制備PLA/PP復(fù)合非織造布,并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。2.2pla微納米纖維復(fù)合過(guò)濾材料的斷裂強(qiáng)度在上述工藝參數(shù)條件下進(jìn)行PLA紡絲,通過(guò)改變擠出速率和液噴側(cè)吹時(shí)間,制得PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布,測(cè)其力學(xué)性能,結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,當(dāng)擠出速率和液噴側(cè)吹時(shí)間都為0,即測(cè)試試樣是復(fù)合前的PP熔噴非織造基布時(shí),其斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別是4.537N,0.091N/tex和14.70%。經(jīng)過(guò)PLA微納米纖維復(fù)合后,PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布的斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)度得到了提高,但斷裂伸長(zhǎng)率有所下降。例如,當(dāng)擠出速率為20mL/h、液噴側(cè)吹時(shí)間為30min時(shí),斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)度分別是8.357N和0.177N/tex,比原基布提高了84.20%和94.51%,而斷裂伸長(zhǎng)率下降23.33%。PP熔噴非織造基布中纖維的直徑較粗,纖網(wǎng)孔隙率較大,而直徑較小的PLA微納米纖維可以通過(guò)孔隙穿插進(jìn)相鄰的孔徑較大的PP熔噴非織造基布的纖維層中,形成纖維之間的密集糾纏,使得纖網(wǎng)在拉伸過(guò)程中,纖維與纖維之間的摩擦力增加,因而斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)度增大。另外,在拉伸力作用下,穿插在孔徑間的PP微納米纖維使得纖維間糾纏變緊,不易滑移,從而導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率下降。隨著液噴側(cè)吹時(shí)間的增加,PP熔噴非織造基布上所接收到的PLA微納米纖維量增多,也有利于斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)度的增加。另外,由表1可知,在不同的擠出速率下得到的PLA微納米纖維直徑和均勻度不同。當(dāng)纖維直徑較小時(shí),有利于纖維在空隙中的穿插和糾纏,也有利于PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布的斷裂強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)度的提高。(2)透氣性的下降在上述工藝參數(shù)條件下進(jìn)行PLA紡絲,改變擠出速率和液噴側(cè)吹時(shí)間,制得PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布,測(cè)定其透氣性,結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,不同擠出速率的PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布的透氣性都呈下降趨勢(shì)。當(dāng)側(cè)吹時(shí)間相同時(shí),隨著擠出速率的增加,單位時(shí)間得到的PLA微納米纖維的數(shù)量越多且纖維直徑較粗,復(fù)合過(guò)濾非織造布的厚度增加,孔隙變小,透氣率也隨著減小,從而透氣性呈下降趨勢(shì)。另外,圖4還表明,側(cè)吹時(shí)間不同,復(fù)合過(guò)濾非織造布透氣性的下降速率不同。當(dāng)側(cè)吹時(shí)間小于10min時(shí),透氣性下降最迅速。當(dāng)擠出速率分別為15,20,25mL/h時(shí),PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布的透氣性由原PP熔噴非織造布的141.1L/(m(3)pla/pp復(fù)合過(guò)濾非織造布的過(guò)濾效率在上述工藝參數(shù)條件下進(jìn)行PLA紡絲,通過(guò)改變擠出速率和液噴側(cè)吹時(shí)間,制得PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布。測(cè)定PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布對(duì)0.8μm顆粒的過(guò)濾效率及過(guò)濾阻力,結(jié)果如表3所示。由表3可以看出,PP熔噴非織造基布的過(guò)濾效率比較低,僅為57.0%,經(jīng)PLA微納米纖維復(fù)合后,PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布的過(guò)濾性能得到明顯改善。當(dāng)擠出速率為15mL/h時(shí),經(jīng)10,20,30min后,PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布對(duì)0.8μm顆粒的過(guò)濾效率分別達(dá)到67.3%、77.0%和87.7%,分別提高了18.07%,35.09%,53.86%。擠出速率越小,得到的PLA微納米纖維越細(xì),隨著側(cè)吹時(shí)間的增加,在同樣的擠出速率下,PP熔噴非織造布所接收到的PLA微納米纖維數(shù)量越多,PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布的孔徑越小,阻礙顆粒通過(guò)的能力變強(qiáng),從而過(guò)濾效率提高。同時(shí),因?yàn)镻LA微納米纖維的直徑小,覆蓋到PP熔噴非織造布上后,其復(fù)合結(jié)構(gòu)較為致密,從而引起復(fù)合過(guò)濾非織造布的過(guò)濾阻力有所增加,例如,擠出速率為15mL/h,液噴側(cè)吹時(shí)間為30min時(shí),過(guò)濾阻力增幅達(dá)45.21%,而過(guò)濾效率提高53.86%,會(huì)造成對(duì)細(xì)、粘物料的過(guò)濾均勻性變差。而當(dāng)擠出速率為20mL/h、液噴側(cè)吹時(shí)間為30min時(shí),過(guò)濾阻力增幅僅為22.79%,而過(guò)濾效率提高46.84%。需要指出的是,過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力是開(kāi)發(fā)復(fù)合過(guò)濾非織造過(guò)濾材料的兩個(gè)重要指標(biāo),在保證其具有較高的過(guò)濾效率的同時(shí),也應(yīng)盡可能減小過(guò)濾阻力。因此,結(jié)合PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造材料的力學(xué)性能、透氣性和過(guò)濾性能測(cè)試結(jié)果,以擠出速率為20mL/h、液噴側(cè)吹時(shí)間為30min時(shí),所得的PLA/PP復(fù)合過(guò)濾非織造布的綜合性能最優(yōu)。3pla微納米纖維與pp熔噴非織造布的復(fù)合(1)以PLA溶液為紡絲溶液,采用液噴側(cè)吹紡絲法,在PLA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%、風(fēng)壓為0.3MPa、接收距離為35cm、擠出速率為15~25mL/h的條