熔噴非織造吸油材料的研究

孟麗平，錢(qián)曉明，張 恒，裴玉起，儲(chǔ)勝利

（1.天津工業(yè)大學(xué)，天津300387；2.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京100080）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)含油污的廢水，餐飲業(yè)廢水，海洋石油泄漏等造成的油污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。每年排入海洋的石油污染物約一千萬(wàn)噸，例如2010年5月發(fā)生的美國(guó)墨西哥灣原油泄露事件造成數(shù)千億美元的經(jīng)濟(jì)損失和超過(guò)9900平方公里的海洋污染以及大量海洋生物的死亡［1－3］。油污染造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染、巨大的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)油污染處理尤為必要。目前使用吸油材料對(duì)各種油污進(jìn)行吸附處理是一種非常有效的油污染處理方法，所以研究快速、高效的吸油材料具有良好的社會(huì)效益和極高的經(jīng)濟(jì)效益。

熔噴非織造加工技術(shù)制備的熔噴非織造吸油材料在結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)特的網(wǎng)狀疏松結(jié)構(gòu)，較高的孔隙率，具有很強(qiáng)的芯吸能力和較好的保油性能，同時(shí)又具有使用方便，可重復(fù)使用以及所吸收油品可回收利用的優(yōu)勢(shì)［4］，目前已成為海洋吸油材料研究的熱門(mén)。

1 熔噴工藝原理

圖1［5］所示為熔噴非織造材料的加工原理。熱塑性聚合物切片通過(guò)螺桿擠壓機(jī)后熔融成聚合物熔體，此后聚合物熔體經(jīng)過(guò)紡絲模頭噴絲孔擠出，通過(guò)噴絲孔擠出的熔體細(xì)流在高速熱空氣的拉伸作用下細(xì)化成聚合物超細(xì)纖維，此后超細(xì)纖維在成網(wǎng)簾上依靠自粘合加固或其它加固方法成為熔噴非織造材料。

圖1 熔噴工藝原理示意圖

2 熔噴非織造吸油材料的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)熔噴非織造吸油材料研究現(xiàn)狀

上海市紡織科學(xué)研究院熔噴吸油氈工藝設(shè)備小組［6］對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料的吸附油水性能的研究是國(guó)內(nèi)對(duì)于熔噴非織造吸油材料的最早文獻(xiàn)記錄，此后隨著國(guó)內(nèi)熔噴非織造技術(shù)的發(fā)展，熔噴非織造吸油材料逐漸成為了應(yīng)用廣泛的非織造吸油材料。鄭雯君［7］等經(jīng)過(guò)研究表明利用熔噴法制備的吸油氈用于處理海域溢油事故具有優(yōu)良的應(yīng)用前景。陳康振［8］認(rèn)為厚型SMS（紡粘－熔噴－紡粘）非織造材料可以用于工業(yè)廢水除油、海洋油污清理等領(lǐng)域作為高效非織造吸油材料。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)吸油材料的研究主要集中在利用化學(xué)接枝、紫外輻射誘導(dǎo)接枝、復(fù)合工藝等方法制備高性能的新型吸油材料。石艷錦等［9］采用化學(xué)接枝方法，以熔噴聚丙烯非織造布為基材，甲基丙烯酸丁酯為單體，過(guò)氧化苯甲酰為引發(fā)劑，甲苯、吐溫－80為表面活性劑，制備對(duì)甲苯的飽和吸附率為14.5g／g，保油率為13.1%的甲基丙烯酸丁酯接枝改性熔噴聚丙烯非織造布。裴玉起等［10］使用紫外輻照誘導(dǎo)接枝的方法，在異丙醇／水的混合溶液中，將丙烯酸丁酯單體引入熔噴聚丙烯（PP）非織造材料基布表面制備了新型吸油材料 PP－g－BA，PP－g－BA 具有吸附速度快、吸油倍率高、重復(fù)使用性能好、制備方法簡(jiǎn)單、成本小等特點(diǎn)。封嚴(yán)［11］提出了利用聚甲基丙烯酸酯系吸油纖維和聚丙烯熔噴非織造材料復(fù)合制備復(fù)合型熔噴非織造吸油材料的方法，成功地制備新型吸油材料。天津工業(yè)大學(xué)程博聞等［12］提出的復(fù)合法熔噴非織造技術(shù)包括納米摻雜耐久駐極復(fù)合熔噴技術(shù)、短纖插層高彈耐壓復(fù)合熔噴技術(shù)、在線噴射纖維狀熱熔膠的織物層間復(fù)合技術(shù)、雙組分熔噴納微纖維非織造材料技術(shù)，為生產(chǎn)新型熔噴非織造吸油材料提供了技術(shù)依據(jù)。研究學(xué)者們的研究為熔噴非織造吸油材料在性能改進(jìn)、產(chǎn)品的研發(fā)、技術(shù)的創(chuàng)新等方面提供了理論基礎(chǔ)、技術(shù)支持以及創(chuàng)新依據(jù)。

2.2 國(guó)外熔噴非織造吸油材料研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)熔噴非織造吸油材料的研究始于Wardley－Smith［13］，隨后出現(xiàn)了不同種類(lèi)的高吸油性能的熔噴非織造吸油材料。德國(guó)Reifenhauser公司［14］利用雙組分紡絲技術(shù)制備出雙組分的熔噴非織造吸油材料。Kimberly－Clark［15］開(kāi)發(fā)了纖維素填料和聚丙烯熔噴非織造復(fù)合而成的吸油材料，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅有助于提高吸油速度還大大節(jié)省了聚丙烯熔噴非織造的用量。Hussein M等［16］將棉花填充在聚丙烯熔噴非織造材料做成的包裹殼材內(nèi)制備成復(fù)合型吸油材料。美國(guó)PGT公司［17］利用一步法熔噴膜原纖工藝生產(chǎn)具有良好阻隔性，吸液性，柔軟性的熔噴非織造材料。美國(guó)Biax－Fiberfilm公司［17］成功生產(chǎn)出纖維直徑小于1μm的聚丙烯熔噴非織造材料，這種聚丙烯熔噴非織造材料具有良好的吸油性能、過(guò)濾性能等。

3 熔噴非織造吸油材料的特點(diǎn)

3.1 生產(chǎn)特點(diǎn)

（1）熔噴非織造吸油材料的原料從單一向多元化發(fā)展，從最開(kāi)始的聚丙烯為主要原料，發(fā)展到越來(lái)越多的新型原料以共混或者共聚改性的方式應(yīng)用于熔噴非織造吸油材料中，如聚乳酸、聚氨酯、丙烯酸酯類(lèi)、聚苯乙烯、聚氯乙烯等［18］。

（2）熔噴非織造生產(chǎn)方式具有流程短、成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)新型加工技術(shù)在熔噴非織造中的應(yīng)用日益廣泛，如熔噴技術(shù)和紡粘技術(shù)制備的SMS吸油材料不僅具有熔噴非織造吸油材料較高的吸油率、較強(qiáng)的疏水性、很好的持有性能還具有紡粘非織造材料的縱橫強(qiáng)力大、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)［12］。

（3）熔噴非織造吸油材料廣泛應(yīng)用于海面溢油事故處理和港口護(hù)理等環(huán)保工程、油水分離工程、化工及交通中滲漏現(xiàn)象的處理、生活油污治理等方面。

3.2 熔噴非織造吸油材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

熔噴非織造吸油材料具有纖維細(xì)（最細(xì)可以達(dá)到200nm）、比表面積大、獨(dú)特的三維立體結(jié)構(gòu)、孔隙小而孔隙率大等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，聚丙烯熔噴非織造材料由細(xì)度在2～6μm之間的纖維組成（見(jiàn)圖2），纖維細(xì)度的差異性為熔噴非織造吸油材料提供了較大的儲(chǔ)油空間和較快的吸油速度［19］。新型的復(fù)合型熔噴非織造材料也是為了增大吸油量、加快吸附速度的目的對(duì)熔噴非織造材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖3為短纖維復(fù)合式熔噴非織造吸油材料結(jié)構(gòu)，這類(lèi)材料利用細(xì)特、高卷曲短纖維插層復(fù)合于細(xì)特聚丙烯熔噴非織造材料內(nèi)部，形成較大的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高熔噴吸油材料的儲(chǔ)油量。圖4［11］為利用雙組分熔噴工藝制備的高吸油性聚甲基丙烯酸酯／聚丙烯復(fù)合熔噴非織造材料結(jié)構(gòu)，材料中聚甲基丙烯酸酯與聚丙烯纖維均勻分散，這類(lèi)材料利用聚甲基丙烯酸酯的高吸油特性和細(xì)特聚丙烯纖維的毛細(xì)效應(yīng)，從而具有較快的吸油速度和較大的保油能力。圖5［20］為纖維素纖維和聚丙烯熔噴復(fù)合型非織造材料結(jié)構(gòu)，此類(lèi)產(chǎn)品以纖維素纖維作為內(nèi)部填料，聚丙烯熔噴非織造材料作為包覆層，利用聚丙烯熔噴非織造材料疏水、吸油傳輸特性將吸附的油轉(zhuǎn)移到內(nèi)部的纖維素填充層的同時(shí)將水隔離在材料的外部。

圖2 聚丙烯熔噴非織造材料結(jié)構(gòu)

各種熔噴非織造吸油材料的結(jié)構(gòu)有所不同，但是它們都利用纖維的疏水親油特性以及纖維間的毛細(xì)效應(yīng)來(lái)達(dá)到吸油效果；利用熔噴材料的三維立體結(jié)構(gòu)、多孔空間來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油目的；通過(guò)較大的孔隙率來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的吸油倍率。

圖3 短纖維復(fù)合式熔噴非織造吸油材料結(jié)構(gòu)

圖4 聚甲基丙烯酸酯／聚丙烯復(fù)合熔噴非織造材料結(jié)構(gòu)

圖5 纖維素／聚丙烯熔噴復(fù)合非織造材料結(jié)構(gòu)

4 展望

熔噴非織造吸油材料具有質(zhì)量輕、纖維細(xì)、孔隙率大、吸油倍率高、疏水性好、無(wú)毒、使用和處理方便等優(yōu)點(diǎn)，在吸油材料占有很大比重［21］。目前，與國(guó)際上先進(jìn)的熔噴非織造材料相比，我國(guó)的熔噴技術(shù)在技術(shù)裝備、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，管理水平方面差距十分明顯，高技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展緩慢，尤其在技術(shù)上缺乏創(chuàng)新能力。未來(lái)我們對(duì)熔噴非織造吸油材料的研究主要有以下幾個(gè)方面：（1）將兩種吸油機(jī)理或多種吸油材料、吸油方法相結(jié)合。如將紡粘非織造材料與熔噴非織造等吸油材料以復(fù)合的方式結(jié)合，既滿足材料高吸油、高疏水強(qiáng)力等使用要求，又能提高吸油材料的保油性能。（2）研發(fā)出新產(chǎn)品以提高熔噴非織造產(chǎn)品的技術(shù)含量及我國(guó)在國(guó)際吸油市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。如將活性炭加入非織造材料內(nèi)部，提高材料的吸附性能。（3）進(jìn)一步研究不同種類(lèi)的高效吸油材料，降低成本，減少在使用吸油材料處理油污染時(shí)對(duì)環(huán)境造成的危害，增加其使用附加值，從而為人類(lèi)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等。

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