可降解非织造布及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及过滤材料技术领域，具体而言，涉及一种可降解非织造布及其制备方法和应用。


背景技术：

2.非织造布，又称为无纺布，广泛应用于个人防护用品、环境净化过滤网、餐厨清洁布等领域，但传统非织造布都是采用聚丙烯等不可降解材料制得，由此产生的废弃物成为塑料污染的隐患。因此，开发可降解非织造布是大势所趋。
3.聚乳酸被认为是最有可能取代传统熔喷材料制备可降解非织造布的候选材料。但由于受到原材料或设备的制约，目前制备的聚乳酸可降解非织造布的层间粘接性差、拉伸强度和断裂伸长率均较低，限制了它的实际应用。另外，有部分研究者通过将两种或两种以上的可降解原材料共混熔融，通过熔喷法制备非织造布，但是不同的原材料之间普遍存在相容性较差的问题，从而影响了纺丝效果。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提供了一种能够提高过滤性和力学性能的可降解非织造布及其制备方法和应用。
5.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
6.本发明一方面，提供一种可降解非织造布的制备方法，包括以下步骤：
7.采用熔喷法制备聚乳酸纤维，再将所述聚乳酸纤维形成聚乳酸非织造布，所述熔喷法的工艺参数包括：熔融喷出温度为140℃～250℃，模头热风温度为230℃～270℃，模头热风压力为0.2mpa～1mpa；及
8.采用静电纺丝技术在所述聚乳酸非织造布上纺丝形成其他纤维层，所述其他纤维层的材质选自聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯及聚丁二酸丁二醇酯中的至少一种。
9.可选的，如上述所述的可降解非织造布的制备方法，所述静电纺丝技术的工艺参数包括：压差为10kv～30kv，接收距离为10cm～40cm，所述聚乳酸非织造布的接收速度为1m/min～5m/min。
10.可选的，如上述所述的可降解非织造布的制备方法，所述静电纺丝以聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯及聚丁二酸丁二醇酯中的至少一种的溶液进行纺丝，所述溶液中的溶剂为二氯甲烷和/或三氯甲烷。
11.可选的，如上述所述的可降解非织造布的制备方法，所述溶液的质量百分含量为5％～20％。
12.可选的，如上述所述的可降解非织造布的制备方法，所述聚乳酸非织造布的厚度为0.15mm～0.35mm，所述其他纤维层的厚度为0.03mm～0.07mm。
13.可选的，如上述所述的可降解非织造布的制备方法，所述聚乳酸非织造布中聚乳
酸纤维的平均直径为1μm～10μm，所述聚乳酸非织造布的孔隙率为40％～60％。
14.可选的，如上述所述的可降解非织造布的制备方法，所述其他纤维层中纤维的平均直径为0.1μm～1μm，所述其他纤维层的孔隙率为20％～40％。
15.可选的，如上述所述的可降解非织造布的制备方法，在所述静电纺丝后，所述制备方法还包括干燥的步骤，所述干燥的温度为30℃～70℃。
16.本发明一方面，还提供一种上述所述的制备方法制得的可降解非织造布。
17.本发明再一方面，还提供一种如上述所述的可降解非织造布在防护装置或过滤装置中的应用。
18.本发明另一方面，进一步提供一种过滤装置，所述过滤装置的过滤结构由包括上述所述的可降解非织造布形成。
19.本发明提供的可降解非织造布，采用熔喷工艺制备聚乳酸(pla)非织造布，同时采用静电纺丝技术在pla非织造布的表面连续生产制备聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(pbat)、聚对苯二甲酸丁二酯(pbt)及聚丁二酸丁二醇酯(pbs)等中的一种或多种形成的纤维层，从而制得了具有可降解性、优异力学性能和过滤性能的可降解非织造布，而且避免了pla和其他纤维相容性差所导致的纺丝效果不佳的问题。
20.此外，采用熔喷制得的pla非织造布在复合非织造布中的厚度占比达到了80％以上，更有利于工业化。而且静电纺丝制得的纤维层中的纤维更细，进一步提高了过滤性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例2中制得的pla非织造布的sem图；
23.图2为本发明实施例2中制得的pla和pbat复合非织造布的sem图。
具体实施方式
24.现将详细地提供本发明实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文。提供每一实例作为解释而非限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本发明进行多种修改和变化而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式。
25.因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求的范围及其等同范围中的此类修改和变化。本发明的其它对象、特征和方面公开于以下详细描述中或从中是显而易见的。本领域普通技术人员应理解本讨论仅是示例性实施方式的描述，而非意在限制本发明更广阔的方面。
26.除了在操作实施例中所示以外或另外表明之外，所有在说明书和权利要求中表示成分的量、物化性质等所使用的数字理解为在所有情况下通过术语“约”来调整。例如，因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值，本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性，适当改变这些近
似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围，例如，1至5包括1、1.1、1.3、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5等等。
27.本发明一方面，提供一种可降解非织造布非织造布的制备方法，包括以下步骤：
28.采用熔喷法制备聚乳酸纤维，再将所述聚乳酸纤维形成聚乳酸非织造布，所述熔喷法的工艺参数包括：熔融喷出温度为140℃～250℃，模头热风温度为230℃～270℃，模头热风压力为0.2mpa～1mpa；及
29.采用静电纺丝技术在所述聚乳酸非织造布上纺丝形成其他纤维层，所述其他纤维层的材质选自聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯及聚丁二酸丁二醇酯中的至少一种。优选的，其他纤维层的材质为pbat。
30.采用熔喷工艺制备pla非织造布，同时采用静电纺丝技术在pla非织造布的表面连续生产制备pbat、pbt、pbs等中的一种或多种形成的纤维层，从而制得了具有可降解性、优异力学性能和过滤性能的可降解非织造布，而且避免了pla和其他纤维相容性差所导致的纺丝效果不佳的问题。
31.此外，采用熔喷制得的pla非织造布在复合可降解非织造布中的厚度占比达到了80％以上，更有利于工业化。而且静电纺丝制得的纤维层中的纤维更细，进一步提高了过滤性。
32.在一些实施方式中，熔喷法的工艺参数还包括：熔喷流量为0.1m3/h～0.3m3/h。
33.在一些实施方式中，本领域技术人员有能力选择合适的熔喷工艺进行pla熔喷纺丝，示例性的，熔喷法的具体步骤可以包括：
34.将烘干的聚乳酸切片置于料仓中，由料路加热熔融形成熔体后，经计量泵送入模头并在热风作用下喷出牵伸后在网帘上粘合成聚乳酸非织造布。
35.在一些实施方式中，料路共分为5个加热区，第一个区的温度为140℃～180℃，后4个区的温度独立地选自200℃～250℃。优选的，后4个区的温度相同。
36.在一些实施方式中，烘干的温度可以为本领域任意公知温度，示例性的，可以为60℃～85℃。
37.在一些实施方式中，静电纺丝可以为熔体静电纺丝，也可以为溶液静电纺丝，熔体静电纺丝和溶液静电纺丝的具体工艺选用本领域常用工艺即可，示例性的，熔体静电纺丝可以包括以下步骤：将纺丝原料置于料筒中并加热熔融后在出料口出料并在聚乳酸非织造布上形成静电纺丝纤维层。溶液静电纺丝可以包括以下步骤：将纺丝原料溶于溶剂中形成纺丝原液，将纺丝原液置于注射器内，经由注射器的出料口出料并在聚乳酸非织造布上形成静电纺丝纤维层。
38.优选的，静电纺丝技术采用溶液静电纺丝工艺进行纺丝，即以聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯及聚丁二酸丁二醇酯中的至少一种的溶液进行纺丝，溶液中的溶剂可以为本领域任意公知的溶剂，以能够良好溶解聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯及聚丁二酸丁二醇酯为准，且具有优异挥发性即可，示例性的，可以为二氯甲烷和/或三氯甲烷。
39.在一些实施方式中，溶液的质量百分含量可以为5％～20％之间的任意值，例如还可以为10％、12％、15％、18％等。
40.在一些实施方式中，静电纺丝技术的工艺参数包括：压差为10kv～30kv，接收距离
为10cm～40cm，聚乳酸非织造布的接收速度为1m/min～5m/min。
41.在一些实施方式中，聚乳酸非织造布的厚度可以为0.15mm～0.35mm，其他纤维层的厚度可以为0.03mm～0.07mm。
42.在一些实施方式中，聚乳酸非织造布中聚乳酸纤维的平均直径为1μm～10μm，聚乳酸非织造布的孔隙率为40％～60％。
43.在一些实施方式中，其他纤维层中纤维的平均直径为0.1μm～1μm，聚其他纤维层的孔隙率为20％～40％。
44.在一些实施方式中，在静电纺丝后，所述制备方法还包括干燥的步骤，以除去非织造布中的残余溶剂。其中，干燥的温度和时间不作过多限制，以能够完全、快速除去溶剂为准，例如干燥的温度可以为30℃～70℃，干燥的时间可以为12h～24h。
45.本发明一方面，还提供一种可降解非织造布，其采用上述所述的制备方法制得。
46.本发明再一方面，还提供一种上述可降解非织造布在防护装置或过滤装置中的应用。
47.本发明另一方面，进一步提供一种过滤装置，其中过滤装置的过滤结构由包括上述所述的可降解非织造布形成。
48.在一些实施方式中，过滤装置可以为空气过滤器、水过滤器、口罩等。
49.以下结合具体实施例对本发明的可降解非织造布及其制备方法和应用作进一步详细的说明。
50.实施例1 pla和pbat复合可降解非织造布的制备
51.具体制备步骤如下：
52.将pla切片在80℃下烘干24h后加入到熔喷装置的料仓，经由料路加热熔融形成熔体，熔体经过计量泵计量后送入模头，并经由喷丝板挤出，最后经高压热气流喷吹牵伸形成超细纤维，在网帘上粘合形成pla非织造布，其中，料路中分为5个区，各个区的温度分别为160℃、210℃、210℃、210℃、210℃，计量泵处的加热温度为215℃，流量为0.1m3/h，喷丝板处的加热温度为220℃，模头处热风压力为0.3mpa，温度为230℃；
53.将pbat溶于二氯甲烷溶剂中配得溶液，在25℃下，真空除气泡，其中pbat的质量百分比为10％。采用静电纺丝将配置好的pabt溶液纺到上述pla非织造布上。其中，静电纺丝的压差为10kv(负高压-2kv，正高压 8kv)，注射推进速度为2ml/min，接收距离为15cm，pla非织造布的接收速度为1m/min。随后，在40℃下烘干除去残留溶剂，制得熔喷pla和电纺pbat可完全降解的复合非织造布。对制得的复合非织造布进行相关性能测试，测试结果如表1所示。
54.实施例2 pla和pbat复合可降解非织造布的制备
55.本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：熔喷工艺参数和静电纺丝工艺参数不同。具体步骤如下：
56.将pla切片在80℃下烘干24h后加入到熔喷装置的料仓，经由料路加热熔融形成熔体，熔体经过计量泵计量后送入模头，并经由喷丝板挤出，最后经高压热气流喷吹牵伸形成超细纤维，在网帘上粘合形成如图1所示的pla非织造布，其中，料路中分为5个区，各个区的温度分别为160℃、215℃、215℃、215℃、215℃，计量泵处的加热温度为220℃，流量为0.15m3/h，喷丝板处的加热温度为225℃，模头处热风压力为0.4mpa，温度为240℃；
57.将pbat溶于二氯甲烷溶剂中配得溶液，在25℃下，真空除气泡，其中pbat的质量百分比为12％。采用静电纺丝将配置好的pabt溶液纺到上述pla非织造布上。其中，静电纺丝的压差为15kv(负高压-2kv，正高压 13kv)，注射推进速度为4ml/min，接收距离为20cm，pla非织造布的接收速度为2m/min。随后，在45℃下烘干除去残留溶剂，制得如图2所示的熔喷pla和电纺pbat可完全降解的复合非织造布。对制得的复合非织造布进行相关性能测试，测试结果如表1所示。
58.实施例3 pla和pbat复合可降解非织造布的制备
59.本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：熔喷工艺参数和静电纺丝工艺参数不同。具体步骤如下：
60.将pla切片在80℃下烘干24h后加入到熔喷装置的料仓，经由料路加热熔融形成熔体，熔体经过计量泵计量后送入模头，并经由喷丝板挤出，最后经高压热气流喷吹牵伸形成超细纤维，在网帘上粘合形成pla非织造布，其中，料路中分为5个区，各个区的温度分别为160℃、220℃、220℃、220℃、220℃，计量泵处的加热温度为225℃，流量为0.2m3/h，喷丝板处的加热温度为230℃，模头处热风压力为0.5mpa，温度为250℃；
61.将pbat溶于二氯甲烷和三氯甲烷混合溶剂中配得溶液，在25℃下，真空除气泡，其中pbat的质量百分比为14％。采用静电纺丝将配置好的pabt溶液纺到上述pla非织造布上。其中，静电纺丝的压差为20kv(负高压-5kv，正高压 15kv)，注射推进速度为6ml/min，接收距离为25cm，pla非织造布的接收速度为3m/min。随后，在50℃下烘干除去残留溶剂，制得熔喷pla和电纺pbat可完全降解的复合非织造布。对制得的复合非织造布进行相关性能测试，测试结果如表1所示。
62.实施例4 pla和pbat复合可降解非织造布的制备
63.本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：熔喷工艺参数和静电纺丝工艺参数不同。具体步骤如下：
64.将pla切片在80℃下烘干24h后加入到熔喷装置的料仓，经由料路加热熔融形成熔体，熔体经过计量泵计量后送入模头，并经由喷丝板挤出，最后经高压热气流喷吹牵伸形成超细纤维，在网帘上粘合形成pla非织造布，其中，料路中分为5个区，各个区的温度分别为160℃、225℃、225℃、225℃、225℃，计量泵处的加热温度为230℃，流量为0.25m3/h，喷丝板处的加热温度为235℃，模头处热风压力为0.6mpa，温度为260℃；
65.将pbat溶于三氯甲烷溶剂中配得溶液，在25℃下，真空除气泡，其中pbat的质量百分比为16％。采用静电纺丝将配置好的pabt溶液纺到上述pla非织造布上。其中，静电纺丝的压差为25kv(负高压-5kv，正高压 20kv)，注射推进速度为8ml/min，接收距离为30cm，pla非织造布的接收速度为4m/min。随后，在55℃下烘干除去残留溶剂，制得熔喷pla和电纺pbat可完全降解的复合非织造布。对制得的复合非织造布进行相关性能测试，测试结果如表1所示。
66.实施例5 pla和pbat复合可降解非织造布的制备
67.本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：熔喷工艺参数和静电纺丝工艺参数不同。具体步骤如下：
68.将pla切片在80℃下烘干24h后加入到熔喷装置的料仓，经由料路加热熔融形成熔体，熔体经过计量泵计量后送入模头，并经由喷丝板挤出，最后经高压热气流喷吹牵伸形成
超细纤维，在网帘上粘合形成pla非织造布，其中，料路中分为5个区，各个区的温度分别为160℃、230℃、230℃、230℃、230℃，计量泵处的加热温度为235℃，流量为0.3m3/h，喷丝板处的加热温度为240℃，模头处热风压力为0.8mpa，温度为270℃；
69.将pbat溶于三氯甲烷溶剂中配得溶液，在25℃下，真空除气泡，其中pbat的质量百分比为18％。采用静电纺丝将配置好的pabt溶液纺到上述pla非织造布上。其中，静电纺丝的压差为30kv(负高压-10kv，正高压 20kv)，注射推进速度为10ml/min，接收距离为35cm，pla非织造布的接收速度为5m/min。随后，在60℃下烘干除去残留溶剂，制得熔喷pla和电纺pbat可完全降解的复合非织造布。对制得的复合非织造布进行相关性能测试，测试结果如表1所示。
70.实施例6 pla和pbt复合可降解非织造布的制备
71.本实施例pla非织造布工艺与实施例3的制备方法相同，不同之处在于：静电纺丝原料为pbt。
72.电纺pbt纤维层具体制备步骤如下：
73.将pbt溶于二氯甲烷和三氯甲烷混合溶剂中配得溶液，在25℃下，真空除气泡，其中pbt的质量百分比为14％。采用静电纺丝将配置好的pbt溶液纺到上述pla非织造布上。其中，静电纺丝的压差为20kv(负高压-5kv，正高压 15kv)，注射推进速度为6ml/min，接收距离为25cm，pla非织造布的接收速度为3m/min。随后，在50℃下烘干除去残留溶剂，制得熔喷pla和电纺pbt可完全降解的复合非织造布。
74.实施例7 pla和pbs复合可降解非织造布的制备
75.本实施例pla非织造布工艺与实施例4的制备方法相同，不同之处在于：静电纺丝原料为pbs。
76.电纺pbs纤维层具体制备步骤如下：
77.将pbs溶于三氯甲烷溶剂中配得溶液，在25℃下，真空除气泡，其中pbs的质量百分比为16％。采用静电纺丝将配置好的pbs溶液纺到上述pla非织造布上。其中，静电纺丝的压差为25kv(负高压-5kv，正高压 20kv)，注射推进速度为8ml/min，接收距离为30cm，pla非织造布的接收速度为4m/min。随后，在55℃下烘干除去残留溶剂，制得熔喷pla和电纺pbs可完全降解的复合非织造布。
78.对实施例1～5制得pla和pbat复合可降解非织造布进行相关性能测试：
79.1)力学性能测试：依照gb/t 24218.3-2010所规定的条件及方法测试复合非织造布的断裂强力和断裂伸长率，具体地，将复合非织造布裁切成宽度为50mm
±
0.5mm，长度满足加持距离为200mm
±
1mm的样条，以100mm/min恒定伸长速度拉伸试样直至断裂。测试结果如表1所示。
80.2)过滤性测试：参考gb 2626-2019中所规定的条件及方法测试复合非织造布的过滤效率及过滤阻力，具体地，在温度(25
±
5)℃，气流量(85
±
4)l/min条件下，测试上述实施例1～5分别制备的复合可降解非织造布对空气动力学质量中位径约为0.3μm的nacl颗粒物的过滤效率及过滤阻力。表1为对各实施例的可降解纳米纤维空气过滤材料的检测结果。
81.表1性能测试结果
[0082][0083]
由上述表格的测试结果可知，本发明通过将电纺纤维与熔喷pla纤维复合形成无纺布，拉伸强度和断裂伸长率均有所提升，且过滤性较好。
[0084]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0085]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。