梯度结构非织造材料的制备与性能研究进展_赵宣羽.pdf

2023年2月第1期随着时代的发展和科技的进步，污染物的净化与有害物质的阻隔逐渐成为了民生健康须重视并解决的要事。生活中因户外劳作防护性服装未能及时排汗而身感粘腻的经历让人们困扰，以往简单过滤污染物的材料已经不能满足目前的需求，于是科研工作者们开始将一些复合技术引入到导湿材料和过滤材料的加工中，研究开发复合材料，尤其是梯度结构的非织造滤材和单向导湿非织造材料。该材料有着强度好、透气防水、环保柔韧、无毒无味等特点，应用前景广阔，在医疗保健、功能型面料生产、工业用布等领域发挥着至关重要的作用。本研究将基于梯度结构，介绍梯度结构非织造材料的几种制备方法，总结其结构与性能，讨论其应用，展望其发展前景。1梯度结构非织造材料的制备方法梯度结构非织造材料的基本设计结构就是从一种成分逐渐向另外一种成分过渡，形成具有差异性能的梯度结构。当前制备该材料的方法有双组分纺粘水刺法、双组分热风法、喷涂法和静电纺丝法等。1.1双组分纺粘水刺非织造技术钱晓明课题组利用双组分纺粘水刺非织造技术开发的梯度结构非织造材料1是通过先将聚酯切片（PET）和聚酰胺6（PA6）的两种切片分别运输、烘干、用螺杆挤压机挤压熔融、再用过滤器过滤、最后用计量泵定量（PET/PA6质量比为73）后送入纺丝箱体中（280），经喷丝板喷出（16瓣中空桔瓣型:8+8型）；喷丝板喷出后用侧吹风冷却（15），再用管式牵伸器高速牵伸后，均匀地铺置在输网帘上形成纤网；纤网一定要加湿处理过后再进入水刺区，进而通过高压水流将纤维开纤并缠结在一起；最后再将湿纤网经烘干、切边、卷绕成卷，从而形成非织造材料。可以通过改变第3道水刺中水针板5的水针压力，在水刺固网时实现非织造材料断面的不同程度开纤，并制备不同面密度（80、120、160 g/m2）的梯度结构双组分纺粘水刺非织造材料，如图11所示。该材料的透气率达474.06 mm/s，透湿量为4486.32 g/（m224 h），超细纤维层结构致密，在国防军工、环境治理等领域具有潜在作用。图1双组分纺粘水刺长丝纤维网的正/反面结构图1.2双组分热风非织造技术张恒课题组利用双组分热风非织造技术制备的梯度结构非织造材料是通过合成纤维胶纤维、双组分纤维（PE/PP）和聚酯纤维按照一定比例进行开松、混纺形成单层平行顺直纤维网，进而把双组分纤维和聚酯纤维组成的纤维网通过交叉铺网铺叠成所需要的梯度结构非织造材料的制备与性能研究进展赵宣羽，胡鑫宇，李嘉琳，李家旺，夏宇轩（上海工程技术大学 纺织服装学院，上海201620）摘要：为制备高效空气过滤材料和单向导湿非织造材料，文章综述梯度结构材料的研究现状，介绍近年来几种制备梯度结构非织造材料的方法和流程，进一步对比其不足之处；阐述梯度结构非织造材料性能方面的应用，并展望其发展前景。目前对梯度结构非织造材料的研究已经取得较大的进展，性能优化方面也在不断进步，但是在梯度结构材料的后期降解和使用效率方面还有待优化。关键词：梯度结构；非织造技术；复合无纺布；纳米纤维膜Doi：10.3969/j.issn.2095-0101.2023.01.038中图分类号：TS176文献标识码：A文章编号：2095-0101（2023）01-0124-03收稿日期：2022-10-17基金项目：上海工程技术大学学生创新训练项目（cx2209016）第一作者：赵宣羽（2001），女，云南大理人，上海工程技术大学2020级本科学生，研究方向：纺织工程。专题与论述1242023年2月第1期蓬松舒适层（80 g/m2）的下方2，最后通过预针刺-热风复合加固的方法形成梯度结构的非织造材料，如图2所示。该梯度结构非织造材料实现了液体在样品上下表层间的非对称传输，在吸收性卫生用品和功能性敷料方面有潜在作用。图2双组分热风不同倍数样品结构截面图1.3喷涂法静电纺丝非织造技术静电纺丝技术是在高压电场的作用下，聚合物液滴克服表面张力后喷射而出，液滴的溶剂在空中蒸发，留下丝状纺织物。覃小红课题组利用喷涂法静电纺制备梯度膜时3，先分别配置10%、13%、15%、20%的N，N-二甲基甲酰胺（PAN-DMF）溶液作为纺丝原液放入供液装置，制备过程中保持温度40，空气湿度小于10%，电压保持在60 kV，纺丝速率控制在1mL/h，与接收辊筒的距离保持在20 cm。将制备得到的10%的聚丙烯腈二氧化钛（PAN/TiO2）纳米级别纤维膜与14%的PAN/TiO2的亚微米级别纤维进行深层次涂覆。静电纺制备出的梯度结构，如图34所示。该膜具有良好的过滤性能、力学强度和透气性能，可应用于口罩和空气净化器等空气过滤产品。图3静电纺丝下梯度结构GSFS的光学和扫描电镜图像前两组梯度结构非织造材料的制备都是用双组分的材料经过一系列的工艺过后形成。不同的是，双组分纺粘水刺非织造技术是通过切片的挤压、熔融、过滤，按照一定的质量比送进纺丝箱中，再经过冷却形成纤网，通过水刺形成梯度结构非织造材料，易受水刺压力的改变而影响性能。双组分热风非织造技术是通过合成纤维按照一定比例进行开松、混纺形成单层平行顺直纤维网，再将两组纤维材料铺叠成的蓬松舒适层放到两组材料组成的致密分流层下通过预针刺-热风复合加固形成梯度结构非织造材料。而喷涂法静电纺技术通过调控原纺液浓度，控制喷涂电压和喷射距离，该方法受外部条件影响较小并且制作速度快，纤维表面相应涂料分布均匀，负载量高。2梯度结构非织造材料的性能研究梯度结构非织造材料是由多种不同性能的非织造材料或同种不同含量比的非织造材料通过特殊的方式融合在一起的，因此梯度功能材料对改善材料本身的热学性能、力学性能和过滤性能等具有显著作用，已被广泛应用于纺织领域。2.1梯度结构非织造材料的过滤性能梯度过滤是通过多层纤维复合实现的，一般表层超细纤维起到阻隔灰尘颗粒的作用，里内层滤料进一步阻隔通过表层的更为细小的颗粒。刘兆麟等5采用双喷静电纺丝法制备的梯度结构由3层PA6珠粒纤维/纳米结构蓬松且具有空间网状曲折微孔的珠粒纤维/纳米纤维滤膜叠加而成，实现了对颗粒物的逐级过滤，过滤效率和阻力分别可达99.1%和116Pa，因此该材料过滤性强，压力降低。倪冰选等6以聚丙烯纺粘布为支撑层、丙纶熔喷布为中间滤层、静电纺聚乳酸纳米纤维布为表面滤层制备的梯度结构无纺布也在滤料上有所应用。我们要得到优良过滤性能的材料，可以使滤料的平均孔径比所捕集颗粒物尺寸约大一个数量级。2.2梯度结构非织造材料的液体非对称传输性能张衡等2在研究梯度结构的聚酯/粘胶热风非织造材料的性能时，罗列出了有梯度差异结构的液体扩散面积和时间的变化曲线后，发现了液体扩散面积和致密分流层中的粘胶纤维有关。当粘胶纤维的占比变大时，液体与其的接触面积也就随之增大，使其导湿性能变强，因此液体的非对称传输性能也就越好。2.3梯度结构非织造材料的力学性能梯度结构非织造材料的力学性能一般与水针压力有关，一开始水针压力逐渐变大，梯度非织造材料的受力能力逐渐增大，而断裂伸长率逐渐减小；但是当压力达到一定程度时，一些超细纤维可能会受到损伤，材料受力能力反而会变弱，断裂伸长率会增大。2.4梯度结构非织造材料的声学性能声音在梯度结构材料的横截面上有着不同频率的变化，无法产生回弹，所以其非常适合吸收噪音。梯度非织造材料因为内部结构不均匀，能够与空气产生摩擦力，一般梯度隔声材料把大孔摆在外面，有利于声音的进入，而内部用小孔，使摩擦力增大，生成热能来损耗声能，得到更好的吸声效果。梯度方向（孔隙率的排列）不同会导致声音的吸收性不同，除此之外，密度也会影响声音的吸收。沈岳7通过对正（孔隙率由低到高）、倒（孔隙率由高到低）梯度结构吸声曲线进行分析得出了在低频段、倒梯度结构的吸声性能更好，而在高频段反之，当它的总密度越大，低频段的吸声性能越好，而高频段的吸声性能越差的结论。冯襄阳专题与论述1252023年2月第1期等4制备的独特的梯度结构吸音材料，使得纤维海绵具有超轻性能、梯度孔径和良好的拉伸性能，压缩弹性优异，可用于宽带吸音。3梯度结构非织造材料的应用3.1医卫方面梯度结构非织造材料在医卫方面的潜在应用逐渐被发掘。为增强医卫用非织造材料内的液体扩散差异性，张恒等2用聚酯纤维和粘胶纤维、双组分纤维在预针刺-热风作用下制备出的双层梯度结构上层松下层密。对样品结构和液体扩散特性进行实验分析后发现，可以通过改变上下层的液体扩散面积，来改变上下层的液体传输效率，从而增强了这种材料在液体非对称传输方面的应用。研发人员李德超等8以壳聚糖纤维和聚酯纤维为原材料，利用一种特殊的针刺工艺法制备了一种壳聚糖纤维敷料样品，这种敷料样品由保湿层和导湿层组成且具有特殊的梯度结构。他们利用针刺反复作用将壳聚糖纤维和聚酯纤维相互穿刺，并抱合纠缠在一起，最后形成一个贯通上下表层的迂曲通道，该通道为液体的快速传输和渗透形成了可能性。黄丽等9通过在适当的湿度条件下调制纤维直径和集热器温度，得到具有梯度孔径的SF支架。静电纺丝支架能通过组装直径从纳米到微米的纤维以及电线和管子来构建从1D到3D结构的块，可以应用于仿生人体皮肤结构，全层皮肤组织修复或尿道重建。3.2防护与环保方面以往的过滤设施已无法满足目前的环保需求，于是具有梯度结构且能实现高精度过滤的非织造布材料应运而生。技术研发人员谷源明10设计的材料具有杂乱的三维梯度结构，经过不断实验对比和分析，发现它具有优异的过滤性能，对生态保护与特殊环境下的人类自我防护都有重要作用。山东泰鹏环保材料股份有限公司相关人员11制备出了一种双组分梯度结构非织造材料，这种材料可以有效增大滤材内部不同细度过滤的优势，提高滤材过滤效率，有效降低材料的损害率，而且这类材料具有非轧点，透气显著，过滤精度高，可以很好地替代之前的水过滤用材料。4展望目前不同梯度结构非织造膜的制备与研究还在进行，未来将继续向着多元化发展，但是梯度膜如果处理不当，将会对生态环境造成污染。所以在其发展过程中，可以做的方面有：一是继续研究与制备不同功能的梯度膜，增强单一膜的特性，其中分级纤维-水凝胶复合材料尚处于起步阶段，需要进一步研究，以使其成为软硬组织界面的生物学上可行的替代品。二是研究开发更多制备梯度非织造材料的方法，寻求向低成本高产能化发展。三是在功能强化的同时，也要不断提高梯度滤材在整个寿命使用周期内的过滤效率，以及兼顾膜的后期降解，开发对生态污染小的梯度非织造膜，从而更好地为环保事业做出贡献。5结 语文章从梯度结构非织造材料的制备入手，介绍了目前几种应用广泛的制备方法，总结了梯度结构非织造材料的显著性能，讨论其在医疗卫生、生产生活中的应用。随着高新技术的发展，梯度结构非织造材料的性能将会愈发优越，未来应用前景也将愈加广阔。参考文献1赵宝宝，钱幺，钱晓明，等.梯度结构双组分纺粘水刺非织造材料的制备及其性能J.纺织学报，2018，39（5）：56-61.2张恒，吕宏斌，车福生，等.梯度结构的聚酯/粘胶热风非织造材料及液体非对称传输特性J.丝绸，2019，56（7）:46-51.3杨雨琼，高涵超，陈薇，等.低阻化静电纺PAN/TiO_2梯度复合纳米纤维膜的制备J.东华大学学报（自然科学版），2018，44（6）:851-858，867.4Feng Y Y，Zong D D，Hou Y J，et al.Gradientstructuredmicro/nanofibrousspongeswithsuperiorcompressibility and stretchability for broadband soundabsorption J.Journal of Colloid And Interface Science，2021，593：59-66.5刘兆麟，张威.具有梯度结构的静电纺聚酰胺6珠粒纤维/纳米纤维空气过滤材料研究J.现代纺织技术，2018，26（2）:1-6.6倪冰选，张鹏，杨欣卉，等.密度梯度复合滤料的结构与过滤性能研究J.合成纤维工业，2018，41（1）:11-15.7沈岳，蒋高明，刘其霞.梯度结构活性碳纤维毡吸声性能分析J纺织学报，2020，41（10）：29-33.8李德超，王京斌，国平.具有梯度结构的壳聚糖纤维敷料的制备及其导保液特性J.魅力中国，2020（7）:340.9Huang L，Huang J W，Shao H L，et al.Silk scaf-folds with gradient pore structure and improved cell infil-tration performanceJ.Materials Science&Engineering,C.Materials for biological applications,2019,94:179-189.10谷源明.梯度过滤复合非织造布材料:CN201720989974.6P.2018-03-02.11王海平，王绪华，张书振，等.一种水过滤用双组分梯度结构非织造布及其制备方法和应用:CN201611110671.9P.2019-08-13.专题与论述126