【集萃網(wǎng)觀察】

21世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)外疫情頻發(fā),給人類生命安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅,以熔噴非織造材料為“核心”的高防護(hù)、低濾阻、持久耐用過(guò)濾材料鑄就了保障健康的重要防線。隨著我國(guó)提出“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)愿景,以及國(guó)內(nèi)外各地區(qū)先行“禁塑”政策的細(xì)化和推進(jìn),高性能、多功能的生物可降解過(guò)濾防護(hù)材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已成為解決以上問(wèn)題的一大有效舉措。除此之外,生物可降解熔噴非織造材料在其他諸多領(lǐng)域應(yīng)用,如衛(wèi)生保健、組織工程、清潔擦拭、吸油、保暖、隔音吸聲等領(lǐng)域體現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

聚乳酸(PLA)是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的一種兼具生物基和生物可降解的新型高分子材料,其原料使用可再生的植物資源(如玉米)所提出的淀粉原料制成,具有良好的生物可降解性和生物相容性,是公認(rèn)的環(huán)境友好材料。PLA在熔噴非織造材料的研究加工和應(yīng)用逐漸受到研究者和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注,產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用始于“COVID-19后疫情時(shí)代”,在PP熔噴材料產(chǎn)能過(guò)剩以及國(guó)內(nèi)PLA原材料產(chǎn)能迅速擴(kuò)建的態(tài)勢(shì)下,國(guó)內(nèi)企業(yè)為追求轉(zhuǎn)型而加速了發(fā)展。

單一PLA材料在應(yīng)用方面仍存在諸多局限性,因其本身存在韌性、耐熱性差等缺點(diǎn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者已采用諸多手段對(duì)PLA原料和制品進(jìn)行性能改良提升�；�于此,本文總結(jié)介紹了PLA基熔噴非織造材料在加工成形、原料設(shè)計(jì)與改性、后整理改性等研究和應(yīng)用方面的最新進(jìn)展,并對(duì)其研究和發(fā)展方向與前景進(jìn)行了展望。

主要內(nèi)容

PLA基熔噴材料的加工成形

PLA基熔噴非織造材料的加工是將PLA基母粒經(jīng)干燥、螺桿加熱熔融(擠出溫度210~240℃)、輸送、過(guò)濾、計(jì)量后從熔噴模頭的噴絲孔(孔徑0.15~0.3 mm)定量擠出,然后受到模頭兩測(cè)的高溫(230~280℃)、高速(200~400 m/s)氣流牽伸后,在室溫環(huán)境開(kāi)放場(chǎng)中直接冷卻或加溫受限場(chǎng)中進(jìn)一步牽伸,經(jīng)熔噴纖維余熱自黏合、纏結(jié)至接收裝置成網(wǎng),最后經(jīng)卷繞得到的非織造材料。典型的PLA基熔噴非織造材料生產(chǎn)過(guò)程如圖1所示。

熔噴工藝研究表明:擠出速度和溫度、熱風(fēng)溫度和壓力(速度)、狹縫距離、接收距離、網(wǎng)簾收卷速率、負(fù)壓抽吸強(qiáng)度等均對(duì)其最終PLA基熔噴材料的面密度、線密度、厚度、透氣和過(guò)濾性能有顯著影響。除了常規(guī)的熔噴開(kāi)放外場(chǎng)制備PLA基熔噴材料外,靜電、熱、超聲波-熱、熱-磁耦合、外場(chǎng)冷卻輔助等手段也不斷涌現(xiàn),并應(yīng)用于PLA基熔噴材料的加工過(guò)程。多級(jí)耦合和輔助熔噴流場(chǎng)的目的在于通過(guò)促進(jìn)牽伸、雜亂響應(yīng)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PLA基熔噴纖維進(jìn)一步細(xì)化、雜亂取向,從而得到過(guò)濾效率更高、更柔軟、各項(xiàng)力學(xué)性能更加均勻的PLA基熔噴材料。

PLA基熔噴原料設(shè)計(jì)與改性

PLA基熔噴非織造材料的加工對(duì)原料的物性要求較高,主要包括熱穩(wěn)定性、相對(duì)分子質(zhì)量及分布、熔點(diǎn)、黏度/熔體流動(dòng)速率、黏彈性和灰分等方面。熔噴用聚合物原料往往需要相對(duì)較高的熔融指數(shù)(MI)。與熔噴級(jí)PP有所差異,目前市售的、成熟的熔噴級(jí)PLA牌號(hào)有NatureWorks公司的IngeoTM6系列牌號(hào),其MI僅約80 g/(10 min)(溫度190℃),國(guó)內(nèi)外近10余年開(kāi)展的PLA熔噴材料研究和應(yīng)用大多基于該原料,PLA熔噴原料的國(guó)產(chǎn)化替代顯得尤為重要。2021年,浙江海正生物材料有限公司推出了REVODE 210系列、安徽豐原福泰來(lái)聚乳酸有限公司推出了FY 201系列、中廣核俊爾新材料有限公司推出了F02-M02的熔噴級(jí)PLA原料,但這些國(guó)產(chǎn)PLA基熔噴材料的熔噴可紡性和熔噴材料的性能還未見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)道。

PLA基熔噴材料的改性

由于PLA本身存在韌性不足、耐熱性差等固有缺陷,單一PLA熔噴材料的應(yīng)用過(guò)程中仍存在諸多局限。此外,基于應(yīng)用領(lǐng)域的差別化需求,PLA熔噴材料的改性勢(shì)在必行。PLA基熔噴材料的改性主要有母粒原位改性(嵌段、共聚、共混等)和后整理(浸漬、等離子、磁控濺射等)2種方法。其中,PLA熔噴母粒熔融共混改性(接枝、增強(qiáng)增韌、功能改性)相對(duì)生產(chǎn)高效、經(jīng)濟(jì)、污染少,易于產(chǎn)業(yè)化;PLA熔噴材料的后整理改性(靜電駐極、抗菌、親水、催化吸附)更易于發(fā)揮其所負(fù)載材料本身的功能特性,功能發(fā)揮更加高效。

PLA基熔噴材料的應(yīng)用

熔噴非織造材料具有纖維細(xì)、比表面積大、孔隙率高、孔隙小等特點(diǎn),易發(fā)揮高效、低阻、節(jié)能的過(guò)濾特性,可對(duì)粉塵、細(xì)菌等有害物質(zhì)的有效阻隔;與此同時(shí),柔軟親膚、天然抑菌,舒適性高�；�于以上諸多特性,PLA基熔噴非織造材料可廣泛應(yīng)用于空氣過(guò)濾、醫(yī)療防護(hù)、衛(wèi)生保健、清潔擦拭、隔音吸聲、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

研究方向展望

PLA基熔噴非織造材料在以上諸多領(lǐng)域體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)的同時(shí),其柔韌性、耐熱性、耐久駐極等問(wèn)題也亟待解決,與此同時(shí),多功能和高附加值提升也更有利于拓寬PLA基熔噴材料的應(yīng)用領(lǐng)域�？傮w而言,隨著紡織科技的進(jìn)一步發(fā)展以及多學(xué)科的進(jìn)一步交叉衍生,本文研究認(rèn)為PLA基熔噴非織造在纖維亞微米及納米化、多組分化、材料和工藝復(fù)合化、耐久駐極化、功能和智能化方面具有較大的研究和發(fā)展前景。

結(jié)束語(yǔ)

聚乳酸(PLA)作為近十年產(chǎn)業(yè)化最熱門(mén)的生物基/生物可降解塑料之一,PLA基熔噴非織造材料獲得了廣泛的關(guān)注和長(zhǎng)足發(fā)展,并實(shí)現(xiàn)了部分關(guān)鍵技術(shù)的突破。通過(guò)熔噴原料的設(shè)計(jì)(特別是國(guó)產(chǎn)熔噴用PLA的研發(fā))、熔噴母粒改性及非織造材料的后整理,PLA基熔噴非織造材料在空氣過(guò)濾、醫(yī)療防護(hù)、衛(wèi)生保健、組織工程、清潔擦拭、吸油和保暖等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了成功應(yīng)用,并在纖維亞微米化及微納化、多組分化、材料和工藝復(fù)合化、耐久靜電駐極化,以及功能和智能化方向研究和發(fā)展具有巨大潛力。目前正處在后疫情時(shí)代,同時(shí)在“碳達(dá)峰、碳中和”“凈土計(jì)劃”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下,更加嚴(yán)格的環(huán)保政策和方案將進(jìn)一步細(xì)化、落實(shí)和推進(jìn),相信高性能、多功能的全生物可降解PLA基熔噴非織造材料及其制品將迎來(lái)進(jìn)一步跨越式發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)介紹

浙江省產(chǎn)業(yè)用紡織材料制備技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式成立于2012年，依托浙江理工大學(xué)，以瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿科學(xué)、提高浙江省及國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)用紡織材料和制備技術(shù)水平、開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和原創(chuàng)性研究、促進(jìn)和加快科技成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程為目標(biāo)，以功能性和高性能產(chǎn)業(yè)用紡織材料為主要研究方向。在海洋工程用紡織材料、環(huán)境凈化與分離用紡織材料、醫(yī)療衛(wèi)生用紡織材料、土工與交通用紡織材料等方面開(kāi)展研究工作。近三年承擔(dān)完成了包括國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等國(guó)家和省部級(jí)項(xiàng)目62項(xiàng)，企業(yè)委托科研項(xiàng)目200余項(xiàng)；獲國(guó)家和省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)14項(xiàng)；在國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文325篇；獲得授權(quán)發(fā)明專利78項(xiàng)，為浙江省乃至中國(guó)產(chǎn)業(yè)用紡織材料發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。

來(lái)源：中國(guó)非織造網(wǎng)