閃蒸紡納微米纖維非織造技術(shù)的研究進(jìn)展

夏 磊， 程博聞， 西 鵬， 莊旭品， 趙義俠， 劉 亞， 康衛(wèi)民， 任元林

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津科技大學(xué) 化學(xué)工程與材料科學(xué)學(xué)院，天津 300222； 3. 天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387)

納微米纖維是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，其在醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境工程、生物科技、軍事國(guó)防等領(lǐng)域表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。目前，納微米纖維的制備方法主要有靜電紡絲法[3]、超拉伸法[4]、模板法[5]、相分離法[6]、熔噴法[7]等，但這些生產(chǎn)方法都存在生產(chǎn)效率或產(chǎn)品強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模的應(yīng)用需求，因此，開(kāi)發(fā)一種規(guī)?；苽浼{微米纖維的方法迫在眉睫。

閃蒸紡納微米纖維成形技術(shù)是一種新型的紡絲技術(shù)，通過(guò)該方法所制備的纖維直徑為0.2～5 μm[8]， 所形成的納微米纖維再經(jīng)鋪網(wǎng)固網(wǎng)后可制成非織造布，該技術(shù)生產(chǎn)的非織造布性能優(yōu)異，具有廣泛應(yīng)用，尤其適合用于醫(yī)衛(wèi)防護(hù)、醫(yī)療包裝等領(lǐng)域。為此，本文對(duì)閃蒸紡絲技術(shù)的紡絲工藝、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、閃蒸非織造布的特點(diǎn)和用途，及其在防護(hù)服方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并對(duì)閃蒸非織造布防護(hù)服研究的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 閃蒸紡絲原料及其工藝

1.1 紡絲原料

閃蒸紡絲的原料主要包括成纖聚合物、主溶劑、副溶劑以及添加劑。為了利于聚合物的溶解，閃蒸紡絲過(guò)程中使用的聚合物一般是一些線性高分子聚合物，如聚乙烯、聚丙烯等，目前最常用的為高密度聚乙烯。閃蒸紡非織造布用聚合物雖然開(kāi)發(fā)了幾種，但仍局限于烯烴類(lèi)的聚合物，或?yàn)樗麄兊墓簿畚铮虼?，有必要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)替代烯烴類(lèi)的聚合物進(jìn)行閃蒸紡非織造布及其制品的生產(chǎn)，拓展其原料的廣度和產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域[9]。

閃蒸紡絲所用主溶劑沸點(diǎn)一般較低(低于100 ℃)， 其種類(lèi)主要包括芳香烴(如苯、甲苯等)、鹵代烴(如二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、氯乙烷、三氯氟甲烷等)、脂肪烴(如丁烷、正己烷、戊烯、庚烷等)以及脂環(huán)烴(如環(huán)己烷、不飽和烴等)幾類(lèi)，根據(jù)成纖聚合物的不同進(jìn)行選擇或組合；閃蒸紡絲過(guò)程中副溶劑的主要作用是助溶、提高或降低紡絲溶液濁點(diǎn)壓力以及降低高聚物表面張力等，其主要種類(lèi)包括烷烴、鹵代烴、環(huán)烷烴、醇類(lèi)以及一些氣體。由于目前閃蒸非織造布紡絲所采用的溶劑大都為含鹵素的溶劑，會(huì)對(duì)自然環(huán)境和人類(lèi)健康產(chǎn)生危害，因此，有必要開(kāi)發(fā)新型溶劑，使聚烯烴類(lèi)聚合物在較低的溫度、壓力下就可溶解，且該溶劑還要求具有較高的揮發(fā)速度。另外，目前所采用的一些新型閃蒸用溶劑雖然不會(huì)給臭氧層造成破壞，但卻給靜電分絲系統(tǒng)帶來(lái)麻煩，使電流減小，并且造成大量的塵埃，這不僅會(huì)造成靜電系統(tǒng)的癱瘓，還可進(jìn)一步影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，開(kāi)發(fā)新型的符合環(huán)保要求的閃蒸用溶劑成為今后該生產(chǎn)工藝的一大研究方向[10]。

閃蒸紡絲過(guò)程中通常需要加入少量的添加劑，主要作用是使閃蒸紡絲過(guò)程能夠順利進(jìn)行或者是賦予產(chǎn)品某種特性，以滿(mǎn)足產(chǎn)品在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。常用的添加劑主要包括成核劑、抗氧化劑、穩(wěn)定劑、染料、功能性材料等。

1.2 紡絲工藝

閃蒸紡絲設(shè)備示意圖如圖1所示?，F(xiàn)有的閃蒸紡制備納微米纖維的生產(chǎn)工藝是將成纖聚合物在高溫(指溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于溶劑在常壓下的沸點(diǎn))高壓下溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲行纬杉徑z溶液；然后將紡絲溶液在壓力下注入紡絲組件并從噴絲孔噴出，由于紡絲溶液在噴出后壓力突然降低，溶劑吸收大量熱量急劇蒸發(fā)并產(chǎn)生高速氣流，同時(shí)聚合物冷卻固化，并被氣流拉伸從而形成納微米纖維網(wǎng)[11-12]。紡絲過(guò)程的高速攝影照片如圖2(a)所示。紡絲過(guò)程形成的納微米纖維根與根之間通過(guò)連接點(diǎn)與其他纖維相連(如圖2(b)中纖維1通過(guò)連結(jié)點(diǎn)2與其他纖維相連)形成錯(cuò)綜復(fù)雜的纖維網(wǎng)。該纖維網(wǎng)經(jīng)分絲鋪網(wǎng)后固網(wǎng)，得到閃蒸納微米纖維非織造布。圖3示出經(jīng)熱壓后制得的閃蒸非織造布電鏡照片?？煽闯觯w維直徑有所區(qū)別，所制備的非織造布中有一定的孔洞。

1—磁力攪拌; 2—冷卻水進(jìn)口; 3—冷卻水出口; 4—壓力表; 5—高壓釜; 6—加熱控制器; 7—二氧化碳罐; 8—高壓閥門(mén); 9—噴絲頭; 10—纖維絲束; 11—紡絲箱; 12—排風(fēng)機(jī); 13—接收裝置; 14—壓輥; 15—卷繞輥。圖1 閃蒸紡絲設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of flash spinning equipment

圖2 閃蒸紡絲過(guò)程及納微米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of flash spinning progress(a)and nano/micro-fiber network structure(b)

圖3 閃蒸非織造布的掃描電鏡照片(×600)Fig.3 SEM image of flash spinning nonwoven(×600)

溶劑的閃蒸過(guò)程一般是在一個(gè)紡絲箱體中進(jìn)行，蒸發(fā)后溶劑蒸汽被排出并回收。但由于閃蒸紡絲所使用的溶劑一般沸點(diǎn)較低，飽和蒸氣壓較高，不易被完全吸附，且吸附量易受到濕度影響，因此，開(kāi)發(fā)具有特種官能團(tuán)并對(duì)紡絲溶劑具有較高吸附量的吸附材料，來(lái)進(jìn)行溶劑的回收再利用也是科研人員努力的方向[13]。

2 閃蒸非織造技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

閃蒸紡絲技術(shù)是美國(guó)杜邦公司于1963年率先開(kāi)發(fā)出來(lái)的[14]，長(zhǎng)期以來(lái)杜邦公司多次對(duì)閃蒸紡非織造布技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，在溶劑選擇、聚合物選擇、提高非織造布阻隔性和通透性、提高非織造布均勻性等方面進(jìn)行了研究。

閃蒸紡絲最開(kāi)始使用的溶劑為三氯氟甲烷，但該溶劑對(duì)大氣臭氧層有害，所以早期關(guān)于溶劑的研究大都為了尋找三氯氟甲烷的替代品。但近期關(guān)于溶劑的研究不再是針對(duì)尋找三氯氟甲烷的替代品，而是為了改進(jìn)聚合物的溶解性或改善纖維網(wǎng)和非織造布的性能。有研究采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%的二氯甲烷和19%的2,3-二氫十氟戊烷混合物作為紡絲溶劑進(jìn)行閃蒸紡絲，可獲得同時(shí)具備高阻隔性和低透氣性纖維網(wǎng)片材[15]。其他研究所述溶劑由主溶劑和共溶劑組成，主溶劑選自二氯甲烷、順式-1,2-二氯乙烯和反式-1,2-二氯乙烯，共溶劑選自1H,6H-全氟乙烷、1H-全氟庚烷和1H-全氟己烷，該溶劑組合可溶解寬范圍的不同聚合物及其共混物進(jìn)行閃蒸紡絲[16]。

在聚合物選擇方面，研究早期主要使用聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚氯乙烯、聚酯等進(jìn)行紡絲，并對(duì)閃蒸紡絲制成的聚合物進(jìn)行研究。有專(zhuān)利[17]公開(kāi)了采用聚乙烯和聚丙烯共混物，或采用部分氟代共聚物(如聚偏二氯乙烯或乙烯/四氟乙烯共聚物與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～30%聚乙烯的共聚物)進(jìn)行閃蒸紡絲的技術(shù)方案。Schmitz 等[18]公開(kāi)了一種閃蒸紡絲成纖聚合物，包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～95%的第1聚合物和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～100%的第2聚合物。第1聚合物選自聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、聚乙烯；第2聚合物選自氟代烯烴基接枝后的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、全氟乙烯接枝后的聚乙烯等。對(duì)閃蒸紡絲所用聚合物的研究主要是為了提高或改變纖維的性能，使閃蒸非織造布滿(mǎn)足不同的使用需求。

在提高閃蒸非織造布產(chǎn)品性能方面，馬林等[19]采用正戊烷和環(huán)戊烷作為混合溶劑在205～220 ℃下對(duì)聚乙烯進(jìn)行閃蒸紡絲，所制備的纖維叢絲具有更小的比表面積和更低的黏聚性，從而可提高所制備非織造布的透氣性。Weiberg等[20]公開(kāi)了一種在紡絲過(guò)程中向紡絲溶液施加靜電的方法，使所制備的纖維網(wǎng)中具有相當(dāng)數(shù)量的亞微米纖維，可改善非織造布產(chǎn)品的透氣透濕性能和阻隔性能。Amantroth[12]公開(kāi)了一種纖維收集表面與紡絲頭之間距離動(dòng)態(tài)變化的紡絲方法，從而使所形成的纖維網(wǎng)分布較為均勻。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

閃蒸紡非織造布因其技術(shù)含量高、產(chǎn)品性能好等特點(diǎn)，近年來(lái)也引起了國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究興趣。冷純廷等[21]早在1998年就對(duì)閃蒸非織造布的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景進(jìn)行了分析，指出該產(chǎn)品有著巨大的潛在市場(chǎng)。文獻(xiàn)[22-24]都對(duì)閃蒸紡絲原理、工藝流程、產(chǎn)品性能進(jìn)行了論述。闞泓等[25]分析了杜邦公司的相關(guān)專(zhuān)利，研究了閃蒸紡絲技術(shù)中溶劑選擇、聚合物選擇以及提高纖維網(wǎng)均勻性等技術(shù)手段的發(fā)展歷史及最新研究進(jìn)展。廈門(mén)當(dāng)盛新材料有限公司也在閃蒸紡絲設(shè)備、閃蒸紡絲技術(shù)、閃蒸非織造產(chǎn)品后整理等方面申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利[26-27]。眾多科研院校和企業(yè)都對(duì)閃蒸紡非織造布的工藝和理論進(jìn)行了研究，盡管這些研究推動(dòng)了閃蒸紡非織布的研究與開(kāi)發(fā)，但均未能取得產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

（2）按照焊接技術(shù)及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)典型工作崗位-鎢極氬弧焊焊工的所必需的知識(shí)、能力和素質(zhì)要求來(lái)設(shè)定本課程的培養(yǎng)目標(biāo)；

天津工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)閃蒸紡絲工藝和應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了分析，并申請(qǐng)了閃蒸紡絲技術(shù)及設(shè)備專(zhuān)利，于2009年獲得授權(quán)[28]。長(zhǎng)期以來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展攻關(guān)研究，在閃蒸紡非織造布技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展。

1)設(shè)備研發(fā)。開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的單釜式紡絲設(shè)備，包括釜內(nèi)異型攪拌槳及冷卻系統(tǒng)、高溫高壓放料系統(tǒng)、釜內(nèi)可視系統(tǒng)、溶劑回收系統(tǒng)等，可對(duì)溶解和紡絲過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和精確控制，并對(duì)紡絲過(guò)程中產(chǎn)生的溶劑蒸汽進(jìn)行回收再利用[29]。

2)工藝開(kāi)發(fā)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，掌握了新型紡絲溶劑體系下多種成纖聚合物的最佳配方設(shè)計(jì)及紡絲工藝選擇，制備出了高密度聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯等多種納微米纖維及非織造布，并對(duì)閃蒸紡絲制備的納微米纖維及非織造布與其他常規(guī)方法制備出同類(lèi)產(chǎn)品的性能進(jìn)行了比較[30-31]。

3)理論研究。閃蒸紡絲工藝參數(shù)優(yōu)化，對(duì)閃蒸紡絲涉及的諸多工藝參數(shù)進(jìn)行篩選，得到對(duì)產(chǎn)品性能影響較大的幾個(gè)因素，并分析各因素對(duì)閃蒸紡絲過(guò)程影響的顯著性程度，確定出預(yù)測(cè)模型的回歸方程，擬合出了最佳工藝條件并進(jìn)行驗(yàn)證。噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了閃蒸紡絲噴嘴的流場(chǎng)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了紡絲噴嘴內(nèi)壓力和速度的分布云圖，為噴嘴形狀和尺寸的優(yōu)化提供理論參考。閃蒸紡納微米纖維成形機(jī)制研究，通過(guò)建立閃蒸紡絲噴射流場(chǎng)，選擇合適的纖維模型分析了纖維在流場(chǎng)中的成形、受力及運(yùn)動(dòng)情況，并用高速攝像儀對(duì)納微米纖維的成形過(guò)程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證[32-33]。

目前，天津工業(yè)大學(xué)聯(lián)合相關(guān)企業(yè)已建成了全套的中試試驗(yàn)線，該試驗(yàn)線包括溶解設(shè)備、紡絲設(shè)備、溶劑回收設(shè)備以及非織造布加工設(shè)備，既實(shí)現(xiàn)了閃蒸紡納微米纖維到非織造布生產(chǎn)的一體化，又可滿(mǎn)足環(huán)保的要求，降低了生產(chǎn)成本，相關(guān)研究工作仍在穩(wěn)步推進(jìn)中。

3 閃蒸非織造布的性能及其應(yīng)用趨勢(shì)

3.1 閃蒸非織造布的性能

閃蒸非織造布獨(dú)特的工藝條件，使其具有其他非織造布無(wú)法比擬的優(yōu)異性能[8]：強(qiáng)度較高，具有良好的抗刺穿和抗撕裂性能；阻隔性好，可有效過(guò)濾PM2.5等微小顆粒物；防水透氣性好，能將水氣迅速排出；由連續(xù)的纖維組成，表面光滑，裁剪加工時(shí)無(wú)線頭、不掉屑，尺寸穩(wěn)定性好；具有良好的漫反射功能，因而具有較強(qiáng)的抗紫外線能力。

3.2 閃蒸非織造布的應(yīng)用

3.3 閃蒸非織造布防護(hù)服發(fā)展趨勢(shì)

閃蒸非織造布防護(hù)服按產(chǎn)品性能及用途分為工業(yè)款及醫(yī)用款2種[34-35]。工業(yè)款防護(hù)服的防護(hù)性能是面料結(jié)構(gòu)本身所固有特性，不需要再與薄膜或?qū)訅翰牧蠌?fù)合(易擦破或磨損)，可為需要接觸有害物質(zhì)的工作人員提供可靠有效的防護(hù)。適用于化工、噴漆、風(fēng)力發(fā)電、農(nóng)藥噴涂、機(jī)械維修等行業(yè)，如隔離細(xì)小粉塵，包括鉛粉塵、石棉粉塵和霉菌粉塵等。 閃蒸醫(yī)用款防護(hù)服為膠條型連體防護(hù)服，兼具連體防護(hù)服的防護(hù)性能與閃蒸非織造防護(hù)服特有的持久性和舒適性?？舍槍?duì)多種低濃度水基無(wú)機(jī)化學(xué)品、小粒徑有害顆粒和生物危害提供有效防護(hù)，在禽流感、SARS病毒及新型冠狀病毒的防護(hù)中使用尤為廣泛。

對(duì)于閃蒸非織造防護(hù)服的使用者來(lái)說(shuō)，阻隔性、舒適性、強(qiáng)度、可選擇性是關(guān)注的幾個(gè)方面，目前閃蒸非織造布作為防護(hù)服面料仍存在較大發(fā)展空間[36]。1)提高強(qiáng)度。在防護(hù)服使用過(guò)程中，可能會(huì)被夾持導(dǎo)致破損；腋下等縫合處受外力破壞易裂開(kāi)；被剪刀、針頭等尖銳器物刺破，這些都會(huì)使防護(hù)服喪失防護(hù)能力，使用人員會(huì)暴露在危險(xiǎn)環(huán)境中。2)提高舒適性。對(duì)于在某些特殊場(chǎng)合使用的防護(hù)服而言，全封閉的環(huán)境使得穿著者發(fā)熱出汗，致使工作效率和質(zhì)量下降。如醫(yī)生長(zhǎng)時(shí)間在不透氣的極端防護(hù)水平下穿著防護(hù)服工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)身體不適；對(duì)防護(hù)服面料進(jìn)行技術(shù)革新，開(kāi)發(fā)新型閃蒸防護(hù)服面料，提高通透性和舒適性是閃蒸非織造防護(hù)服重點(diǎn)需要關(guān)注的方向。3)拓展防護(hù)服的種類(lèi)。防護(hù)服的分類(lèi)一般較少，尤其是醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供的一次性防護(hù)服品種極少，無(wú)法給醫(yī)護(hù)人員提供選擇的余地；開(kāi)發(fā)多品種閃蒸非織造防護(hù)服，既能適應(yīng)不同的使用要求，也可更有針對(duì)性地保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的安全。4)降低成本。目前閃蒸技術(shù)被國(guó)外公司壟斷，導(dǎo)致防護(hù)服價(jià)格較高，國(guó)內(nèi)亟需攻克難點(diǎn)技術(shù)，通過(guò)大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化來(lái)降低成本。5)可重復(fù)使用。目前大部分防護(hù)服都是一次性使用，嚴(yán)重浪費(fèi)資源，且污染環(huán)境，因此，開(kāi)發(fā)可重復(fù)使用防護(hù)服也是未來(lái)一個(gè)重要的發(fā)展方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

閃蒸紡非織造布因技術(shù)含量高，產(chǎn)品性能好而應(yīng)用前景廣闊，該技術(shù)的研發(fā)可提升我國(guó)防護(hù)服行業(yè)的技術(shù)水平，為人民群眾的身體健康和生命安全提供有力保障。但由于與國(guó)外差距較大，國(guó)內(nèi)對(duì)閃蒸技術(shù)的研究仍需繼續(xù)深入，可從以下3個(gè)方面入手。

1)基于閃蒸原理，對(duì)閃蒸紡絲設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)，探討溶劑在快速蒸發(fā)過(guò)程中對(duì)纖維成形的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)指導(dǎo)設(shè)備生產(chǎn)。

2)探索新型復(fù)配溶劑體系，采用不同聚合物進(jìn)行閃蒸紡絲制備納微米纖維及非織造布，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝，拓展產(chǎn)品種類(lèi)及應(yīng)用領(lǐng)域。

3)在閃蒸紡絲領(lǐng)域開(kāi)展精細(xì)的基礎(chǔ)研究工作，對(duì)閃蒸紡納微米纖維及非織造布涉及的多學(xué)科科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，為閃蒸紡絲工業(yè)化生產(chǎn)及產(chǎn)品應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

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