【集萃網(wǎng)觀察】
21世紀以來國內外疫情頻發(fā),給人類生命安全帶來嚴重威脅,以熔噴非織造材料為“核心”的高防護、低濾阻、持久耐用過濾材料鑄就了保障健康的重要防線。隨著我國提出“碳達峰”“碳中和”的目標愿景,以及國內外各地區(qū)先行“禁塑”政策的細化和推進,高性能、多功能的生物可降解過濾防護材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應用已成為解決以上問題的一大有效舉措。除此之外,生物可降解熔噴非織造材料在其他諸多領域應用,如衛(wèi)生保健、組織工程、清潔擦拭、吸油、保暖、隔音吸聲等領域體現(xiàn)出競爭優(yōu)勢。
聚乳酸(PLA)是目前研究和應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,是公認的環(huán)境友好材料。PLA在熔噴非織造材料的研究加工和應用逐漸受到研究者和產(chǎn)業(yè)界的關注,產(chǎn)業(yè)化推廣和應用始于“COVID-19后疫情時代”,在PP熔噴材料產(chǎn)能過剩以及國內PLA原材料產(chǎn)能迅速擴建的態(tài)勢下,國內企業(yè)為追求轉型而加速了發(fā)展。 單一PLA材料在應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,國內外學者已采用諸多手段對PLA原料和制品進行性能改良提升。基于此,本文總結介紹了PLA基熔噴非織造材料在加工成形、原料設計與改性、后整理改性等研究和應用方面的最新進展,并對其研究和發(fā)展方向與前景進行了展望。 主要內容 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、過濾、計量后從熔噴模頭的噴絲孔(孔徑0.15~0.3 mm)定量擠出,然后受到模頭兩測的高溫(230~280℃)、高速(200~400 m/s)氣流牽伸后,在室溫環(huán)境開放場中直接冷卻或加溫受限場中進一步牽伸,經(jīng)熔噴纖維余熱自黏合、纏結至接收裝置成網(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)過程如圖1所示。 熔噴工藝研究表明:擠出速度和溫度、熱風溫度和壓力(速度)、狹縫距離、接收距離、網(wǎng)簾收卷速率、負壓抽吸強度等均對其最終PLA基熔噴材料的面密度、線密度、厚度、透氣和過濾性能有顯著影響。除了常規(guī)的熔噴開放外場制備PLA基熔噴材料外,靜電、熱、超聲波-熱、熱-磁耦合、外場冷卻輔助等手段也不斷涌現(xiàn),并應用于PLA基熔噴材料的加工過程。多級耦合和輔助熔噴流場的目的在于通過促進牽伸、雜亂響應等方式來實現(xiàn)PLA基熔噴纖維進一步細化、雜亂取向,從而得到過濾效率更高、更柔軟、各項力學性能更加均勻的PLA基熔噴材料。 PLA基熔噴原料設計與改性 PLA基熔噴非織造材料的加工對原料的物性要求較高,主要包括熱穩(wěn)定性、相對分子質量及分布、熔點、黏度/熔體流動速率、黏彈性和灰分等方面。熔噴用聚合物原料往往需要相對較高的熔融指數(shù)(MI)。與熔噴級PP有所差異,目前市售的、成熟的熔噴級PLA牌號有NatureWorks公司的IngeoTM6系列牌號,其MI僅約80 g/(10 min)(溫度190℃),國內外近10余年開展的PLA熔噴材料研究和應用大多基于該原料,PLA熔噴原料的國產(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PLA原料,但這些國產(chǎn)PLA基熔噴材料的熔噴可紡性和熔噴材料的性能還未見系統(tǒng)報道。 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熔噴材料的應用過程中仍存在諸多局限。此外,基于應用領域的差別化需求,PLA熔噴材料的改性勢在必行。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、增強增韌、功能改性)相對生產(chǎn)高效、經(jīng)濟、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基熔噴材料的應用 熔噴非織造材料具有纖維細、比表面積大、孔隙率高、孔隙小等特點,易發(fā)揮高效、低阻、節(jié)能的過濾特性,可對粉塵、細菌等有害物質的有效阻隔;與此同時,柔軟親膚、天然抑菌,舒適性高�；谝陨现T多特性,PLA基熔噴非織造材料可廣泛應用于空氣過濾、醫(yī)療防護、衛(wèi)生保健、清潔擦拭、隔音吸聲、農(nóng)業(yè)等領域。 研究方向展望 PLA基熔噴非織造材料在以上諸多領域體現(xiàn)出優(yōu)勢和特點的同時,其柔韌性、耐熱性、耐久駐極等問題也亟待解決,與此同時,多功能和高附加值提升也更有利于拓寬PLA基熔噴材料的應用領域。總體而言,隨著紡織科技的進一步發(fā)展以及多學科的進一步交叉衍生,本文研究認為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。 結束語 聚乳酸(PLA)作為近十年產(chǎn)業(yè)化最熱門的生物基/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注和長足發(fā)展,并實現(xiàn)了部分關鍵技術的突破。通過熔噴原料的設計(特別是國產(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濾、醫(yī)療防護、衛(wèi)生保健、組織工程、清潔擦拭、吸油和保暖等領域實現(xiàn)了成功應用,并在纖維亞微米化及微納化、多組分化、材料和工藝復合化、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代,同時在“碳達峰、碳中和”“凈土計劃”目標的驅動下,更加嚴格的環(huán)保政策和方案將進一步細化、落實和推進,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進一步跨越式發(fā)展。 團隊介紹 浙江省產(chǎn)業(yè)用紡織材料制備技術研究重點實驗室正式成立于2012年，依托浙江理工大學，以瞄準國際前沿科學、提高浙江省及國內產(chǎn)業(yè)用紡織材料和制備技術水平、開展應用基礎研究和原創(chuàng)性研究、促進和加快科技成果的產(chǎn)業(yè)化進程為目標，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展研究工作。近三年承擔完成了包括國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、浙江省重點研發(fā)計劃等國家和省部級項目62項，企業(yè)委托科研項目200余項；獲國家和省部級獎勵14項；在國內外期刊上發(fā)表相關學術論文325篇；獲得授權發(fā)明專利78項，為浙江省乃至中國產(chǎn)業(yè)用紡織材料發(fā)展做出了積極貢獻。 來源：中國非織造網(wǎng)
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