专利名称：一种功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法及制造设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及纺织领域的非织造布技术，具体为一种功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法及制造设备技术，国际专利分类号拟为Int.Cl D01F1/09(2006.01)。
背景技术：
熔喷法非织造布是将高聚物切片通过螺杆挤压机使其熔融，经过喷丝孔将其喷出成为纤维状，并在高速热气流的喷吹下，使之受到强大拉伸，形成极细的短纤维，这些短纤维被吸附在成网帘上，由于纤维凝聚成网后仍能保持较高的温度，从而使纤维间相互粘连成为熔喷法非织造布。它起始于20世纪50年代初，当时美国海军实验室在政府的资助下，为了收集上层大气中的放射性微粒而开发的一种具有超细过滤效果的过滤材料。经过几年的努力研究小组终于成功的发明了堪称当今熔喷法非织造布技术先驱的一种工艺，并在1954年5月25日出版的Naval Research Laboratories的报告第4364号中，Van A.Wente等人发表了“超细有机纤维的制造(Manufacture ofSupper Fine Organic Fiber)”一文，引起了人们的极大注意，该产品一直广泛地用于细粒污染物的过滤。随后，许多公司开始研究熔喷非织造布技术，20世纪60年代中期，Exxon公司开始对熔喷非织造布技术进行研究，5年之后成功地生产出了超细纤维。其他一些公司也开发成功各自的熔喷非织造布技术，如美国3M、德国Freudenberg、日本的旭化成、NKK等公司。我国早在20世纪70年代中期就由上海市纺织科学研究院开始了熔喷非织造布技术的研究，仅用了两年时间就试验成功聚丙烯熔喷非织造布。
熔喷法非织造布中纤维超细、纤网均匀性好，结构蓬松柔软，其纤网中超细纤维随机排列，具有较好的过滤特性和大量的微小孔隙，在过滤材料、卫生材料、医用口罩、保暖絮片、电池隔膜、吸油材料等方面得到广泛的应用。
由于一些微粒具有特殊功能，特别是随着超细甚至纳米级微粒的制备技术发展，其功能性越来越明显，许多研究人员根据不同的需要，将一些不同的功能微粒添加到熔喷非织造布中，以改善其特性或赋予其新的功能。例如，程博闻等发明了一种电气石改性聚丙烯复合驻极熔喷超细纤维非织造布(参见ZL200310107113.3)，该复合驻极体聚丙烯熔喷非织造布的过滤性能优于常规驻极聚丙烯熔喷非织造布，对直径小于0.26μm粒子，在过滤阻力为7Pa时，过滤效率达95.8％。Leonid A T等研究指出(参见美国专利6858551 B1)，将具有铁电效应的钛酸钡微粒添加到熔喷聚丙烯非织造布中，并通过电晕驻极来提高其过滤性能。Patricia A W等在公开了一种熔喷纤维的复合非织造布(参见美国专利6417120 B1)，它至少包括一层具有熔喷纤维和人造短纤维的不含粒子层和一层具有熔喷纤维、粒子和人造短纤维的粒子层。其中人造度短纤维应具有较好吸附性能，可以是棉纤维和木浆纤维等吸水材料；粒子可包括活性炭、活性碳、小苏打、几丁质等可吸收空气气味活性粒子，或者是粘土、硅藻土、沸石和高锰酸钾与活性氧化铝的混合物等。它们能够通过吸收、化学反应或融合从液体中去除一种成分，实现除臭作用。该复合熔喷非织造布能较好的应用在妇女卫生巾等卫生材料中。
关于向熔喷纤维中加入功能性微粒的方法，目前，国内外作了大量的研究，主要有以下三种。一种是是将功能性微粒与树脂在螺杆中熔融共混(直接共混或制成功能母粒后共混)后一起挤出，经高速热空气流喷射成型功能微粒改性熔喷非织造布，例如前面提到的专利ZL200310107113.3和USP6858551 B1中采用该方法。该方法微粒能够较好地均匀分散在熔喷纤维体内，不会产生掉尘现象，但对微粒粒径要求较高，一般需在0.5微米以下。另外，由于粒子在纤维体内，很难发挥其全部功能且容易使纤维产生应力集中现象而在一定程度上影响非织造布的力学性能。另一种后整理涂层技术，该方法是借助粘合剂将功能微粒黏附在熔喷纤维表面，但由于功能微粒被包覆在粘合剂或其他试剂中，粒子的表面活性也有所降低，同样难以发挥其全部功效，而且存在卫生性差的缺点。第三种方法是当熔融树脂在高速热空流作用下喷射成型后，功能性微粒在模头喷嘴附近加入，由于此时大多数熔喷纤维仍带有粘性，粒子粘附到熔喷纤维的表面或落入纤维网的空隙内，得到功能微粒改性熔喷非织造布，此方法避免了使用粘合剂且是功能微粒黏附在熔喷纤维的表面，能有效发挥功能微粒功效，但采用该方法功能微粒与熔喷纤维粘结牢度不是很强，单独使用时易产生掉尘现象，一般需与未改性熔喷非织造布或其他非织造布复合使用，例如前面提到的美国专利6417120 B1等。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是提供一种功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法及制造设备。该非织造布的制备方法具有工艺简单，成本低，工业化实施容易，产品容易创新等特点；该制备方法所使用的制造设备仅是对现有的熔喷设备巧妙改造即可满足生产要求，成本低，实施推广容易。
本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是设计一种功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法，包括如下步骤(1)功能微粒改性，先将功能微粒与占其质量百分比2～8％的偶联剂和1～4％的分散剂一并放入超声波发生器中，进行超声波表面改性，超声波作用频率为20kHz～48kHz，作用时间为20～40分钟，干燥后备用；；所述的功能微粒为电气石、钛酸钡、活性炭、氧化银、氧化钛、粘土、硅藻土、沸石、高锰酸钾或活性氧化铝中的一种或一种以上的共混物，平均粒径不超过1微米；所述的偶联剂为钛酸酯类或硅烷类偶联剂中的一种；所述的分散剂为低分子量聚乙烯蜡；(2)制备熔喷非织造布，将干燥好的树脂切片装入螺杆挤出机的储料箱，把所述表面改性好的功能微粒装入安装在螺杆挤出机高速热空气流管道上的储料斗中，树脂切片在螺杆挤出机中按常规工艺熔融、挤出和在高速热空气流下拉伸，同时利用高速热空气流所产生的负压作用使所述功能微粒也进入高速热空气流中，并使其在模头喷嘴处均匀地黏附在热粘性熔喷纤维的表面，随后冷却成型，即可制成所述的功能微粒改性熔喷非织造布；所述的功能微粒与树脂切片的质量百分比配方为树脂切片95～99％；功能微粒1～5％；所述的树脂切片是聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚氨酯、或聚乳酸中的一种。
本发明解决所述制造设备技术问题的技术方案是设计一种功能微粒改性熔喷非织造布的制造设备，包括超声波发生器和螺杆挤出机，其特征在于该螺杆挤出机的高速热空气流管道设计为文丘里管状，并在该管道上安装有功能微粒储料斗，储料斗安装位置应当使其内的功能微粒可在所述管道内高速热空气流所产生的负压作用下进入挤出机的模头喷嘴内，与螺杆挤出机熔融挤出并拉伸的热粘性熔喷纤维表面牢固粘合。
与现有技术相比，本发明功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法由于巧妙地借助原有的高速热空气流所产生的负压作用，使功能微粒顺利进入挤出机的模头喷嘴内，与螺杆挤出机熔融挤出并拉伸的热粘性熔喷纤维表面牢固粘合，以及所述热空气热量赋予功能微粒一定温度，从而使其与熔喷纤维结合牢度增强。其结果是，功能改性微粒分布在熔喷纤维表面，并与熔喷纤维紧密结合，可以使功能微粒功效充分发挥，一方面可以使产品的功能具有持久性，另一方面可避免制备产品起尘现象。此外，本发明方法不改变传统的熔喷非织造布制备方法的工艺，因而具有产品适应性广和容易创新产品的优点。本发明功能微粒改性熔喷非织造布的制造设备特别设计了文丘里管状高速热空气流管道，并在该管道适当位置上安装有功能微粒储料斗，使得功能微粒可以依靠高速热空气流所产生的负压自动地吸入到高速热空气流中，并在模头喷嘴处与熔喷纤维相遇而均匀黏附在带有粘性的熔喷纤维的表面，制成所述的功能微粒改性熔喷非织造布，因而具有工艺简单，利用现有的熔喷设备简单改造即可满足生产要求，实施成本低，工业化推广容易。与现有的产品相比，本发明的功能微粒改性熔喷非织造布一些性能显著提高或赋有一些特殊功能。实验表明，采用活性碳改性的熔喷聚丙烯非织造布过滤性能明显优于常规聚丙烯熔喷非织造布，对粒径为0.26μm以下粒子的过滤效率高达85％以上(参见实施例1)；采用氧化银改性的聚酯熔喷非织造布抗菌性能优良，有很好的抑菌效果(参见实施例2)。
图1是本发明一种功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法工艺流程及所用制造设备结构示意图；图2是本发明功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法及制造设备所使用的文丘里管状热空气管道形状结构示意图；图3是本发明功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法及制造设备制造出的活性炭改性熔喷聚丙烯非织造布的照片图；图4是本发明功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法及制造设备制造出的纳米氧化银改性熔喷聚聚酯非织造布的照片图。
具体实施例方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明本发明设计的功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法(以下简称制备方法)，包括如下步骤1.功能微粒改性。先将功能微粒与占其质量百分比2～8％的偶联剂和1～4％的分散剂一并放入超声波发生器中，进行超声波表面改性，超声波作用频率20kHz～48kHz，作用时间为20～40分钟，干燥后备用；本发明所述的功能微粒是指无机物微粒包括电气石、钛酸钡、活性炭、氧化银、氧化钛、粘土、硅藻土、沸石、高锰酸钾或活性氧化铝中的一种或一种以上的共混物。功能微粒形状的包括圆形、半圆形、球形、半球形、杆形多面体形、不规则形等，没有特别限制。功能微粒特性与其粒经有关，粒径越小，功能性越好，但粒径越小，越容易团聚，很难将其完全分散，而且价格也越贵。为了平衡产品性能和成本之间的矛盾，使产品更符合目前企业实际需要，本发明使用的功能微粒平均粒径不超过1微米，更好的是平均粒径不超过0.5微米。
所述的偶联剂为钛酸酯类或硅烷类偶联剂中的一种，例如可以选用钛酸酯偶联剂CS-101、102、311W等中的一种或硅烷偶联剂KH-550、560、SI-69等中的一种。加入所选择的偶联剂是因其同时能与极性和非极性物质产生结合力，以提高功能微粒与熔融纤维之间的粘合力。所述的偶联剂在使用之前，可先用稀释剂将其稀释，再参与功能微粒的表面改性，效果会更好。所述偶联剂的稀释剂选用石油醚，石油醚用量是偶联剂体积的1～3倍，优选2倍。
所述的分散剂为低分子量聚乙烯蜡。其作用是在施加足够大的机械力(充分搅拌)的作用下，克服容易产生团聚的细微无机粒子之间的凝聚力，或/和将已凝聚的团聚体打碎，达到理想的分散效果。另外，分散剂还可以改变功能微粒的表面物性，提高功能微粒与树脂切片的亲和力，提高产品质量稳定性。
2.制备熔喷非织造布。将干燥好的树脂切片装入螺杆挤出机的储料箱，把所述表面改性好的功能微粒装入安装在螺杆挤出机熔喷高速热空气流管道上的储料斗中，树脂切片在螺杆挤出机中按常规工艺熔融、挤出和在高速热空气流下拉伸，同时利用高速热空气流所产生的负压作用使所述功能微粒也进入高速热空气流中，并使其在模头喷嘴处均匀地黏附在热粘性熔喷纤维的表面，随后冷却成型，即可制成所述的功能微粒改性熔喷非织造布。
所述的功能微粒与树脂切片的质量百分比配方为树脂切片95～99％；功能微粒1～5％。
在本发明的功能微粒改性熔喷非织造布中，功能微粒的含量为非织造布质量的1～5％；树脂切片的含量为95～99％，但这并不意味着所述配方组分含量在所述范围以外不能够实现本发明。所述的树脂切片(或树脂)是非制造布的主体成分，占非制造布质量的95～99％，要求其为可形成熔喷纤维的热塑性聚合物，包括聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚氨酯、或聚乳酸中的一种。选择不同的所述聚合物和所述的功能微粒可使改性熔喷非制造布具有不同的物理性能，产品创新容易实现。
本发明同时设计了一种功能微粒改性熔喷非织造布的制造设备(简称制造设备，参见图1、2)，它适用于本发明所述的制备方法，包括超声波发生器和螺杆挤出机，其特征在于该螺杆挤出机的高速热空气流管道设计为文丘里管状，并在该管道上安装有功能微粒储料斗4’，储料斗4’安装位置应当使其内的功能微粒可在所述管道7内高速热空气流所产生的负压作用下进入挤出机的模头5喷嘴内，与螺杆挤出机熔融挤出并拉伸的热粘性熔喷纤维表面牢固粘合。所述的超声波发生器为现有技术。
本发明所述的高速热空气流管道7是特殊设计的文丘里管，或者说是文丘里管状热空气流管道由一段渐缩管71、一段喉管72和一段渐扩管73三部分组成(参见如图2)。在文丘里管状热空气流管道7内的高速热空流流动过程中，由于喉管72断面缩小，流速增大，压强相应降低，从而产生负压效应或作用，因此，本发明实施例即在喉管72处设计安装所述的功能微粒储料斗4’，它可使功能微粒顺利地被吸入进高速热空气流中，并与螺杆挤出机1熔融挤出并拉伸的热粘性熔喷纤维表面牢固粘合。
本发明制备方法的具体生产工艺过程如下(参见图1)(a).根据工艺要求真空干燥所述树脂切片原料和所述功能微粒；(b).将干燥好的所述树脂切片和所述功能微粒分别倒入储料箱4和储料斗4’，随后树脂进入双螺杆挤压机1，在一定温度下，挤压熔融；(c).树脂熔体经过滤器2后由计量泵3进入模头5；(d).在空压机的作用下，高速空气流经加热后由热空气流管道7进入模头5，同时在储料斗4’中的功能颗粒在负压的作用下被吸入到高速热空气流中；(e).树脂熔体在螺杆挤出机1挤压作用和高速气流的牵伸作用下，在模头5的喷嘴处喷出超细(2～10μm)的熔喷纤维，同时其表面均匀地黏附着所述功能微粒，然后集结在接受装置的输网帘6上，成为纤维网，按照设定的速度输出；(f)最后切割卷绕成产品。
本发明功能微粒改性熔喷非织造布的主要技术指标及其测定方法是功能微粒改性熔喷非织造布的熔喷纤维直径一般为2～10μm，纤网克重一般为40-100g/cm2。其过滤效率——采用美国TSI8130过滤效率测定仪测定，NaCl气溶胶粒子直径为0.26μm以下；抗菌性能——采用布片法做杀菌/抑菌试验。
下面给出本发明的制备方的具体实施例，但本发明的适用范围不受其限制。
实施例1活性炭改性聚丙烯熔喷非织造布制备方法。
1.功能微粒表面改性首先将盛有100份重量活性炭、8份重量钛酸酯稀释在三倍钛酸酯体积的石油醚中的偶联剂和2份重量的低分子聚乙烯蜡容器，放入超声波发生器中振动30分钟，超声波作用频率为30kHz，然后取出，并在100℃真空下干燥2小时；2.制造活性炭改性聚丙烯熔喷非织造布将95份重量的聚丙烯切片混合好后，加入到双螺杆挤出机的储料箱中，在250℃下熔融挤压，经过滤、计量后进入模头，通过控制功能微粒储料箱斗门使5份重量的活性炭进入到所述文丘里管状热空气流管道的高速热空气流中，喷出表面黏附功能活性炭的熔喷纤维，落在接受装置上，形成纤维网，通过调节计量泵控制熔体流量，即可制得纤网克重为100g/cm2活性炭改性熔喷聚丙烯非制造布(参见图3)。
采用TSI8130过滤效率测定仪测试所得的活性炭改性聚丙烯熔喷非织造布，其对0.26以下粒径粒子的过滤效率为88.6％。
实施例2氧化银改性聚酯熔喷非织造布的制备方法。
1.功能微粒表面改性首先将盛有100份重量氧化银微粒、5份重量稀释在两倍硅烷类体积的石油醚中的偶联剂和42份重量低分子聚乙烯蜡容器，放入超声波发生器中超声波改性40分钟，超声波作用频率为20kHz，然后取出，并在100℃下真空干燥2小时；2.制造氧化银改性聚酯熔喷非织造布将97份重量的聚酯切片干燥好好后，加入双螺杆挤出机，在270℃下熔融挤压，经过滤、计量后进入模头，通过控制功能微粒储料斗的阀门使3份重量氧化银进入到所述文丘里管状热空气流管道的高速热空气流中，喷出表面黏附功能氧化银的纤维，落在接受装置上，形成纤维网，通过调节计量泵控制熔体流量，制得纤网克重为80g/cm2氧化银改性熔喷聚酯非制造布(参见图4)。
采用布片法杀菌/抑菌试验法测得所述的氧化银改性熔喷聚酯非制造布的抑菌圈直径为12.8mm(基圈围10mm)。
权利要求
1.一种功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法，包括如下步骤(1)功能微粒改性，先将功能微粒与占其质量百分比2～8％的偶联剂和1～4％的分散剂一并放入超声波发生器中，进行超声波表面改性，超声波作用频率为20kHz～48kHz，作用时间为20～40分钟，干燥后备用；所述的功能微粒为电气石、钛酸钡、活性炭、氧化银、氧化钛、粘土、硅藻土、沸石、高锰酸钾或活性氧化铝中的一种或一种以上的共混物，平均粒径不超过1微米；所述的偶联剂为钛酸酯类或硅烷类偶联剂中的一种；所述的分散剂为低分子量聚乙烯蜡；(2)制备熔喷非织造布，将干燥好的树脂切片装入螺杆挤出机的储料箱，把所述表面改性好的功能微粒装入安装在螺杆挤出机高速热空气流管道上的储料斗中，树脂切片在螺杆挤出机中按常规工艺熔融、挤出和在高速热空气流下拉伸，同时利用高速热空气流所产生的负压作用使所述功能微粒也进入高速热空气流中，并使其在模头喷嘴处均匀地黏附在热粘性熔喷纤维的表面，随后冷却成型，即可制成所述的功能微粒改性熔喷非织造布；所述的功能微粒与树脂切片的质量百分比配方为树脂切片95～99％；功能微粒1～5％；所述的树脂切片是聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚氨酯、或聚乳酸中的一种。
2.根据权利要求1所述的功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法，其特征在于所述的偶联剂先用其体积1～3倍的石油醚稀释后，再参与功能微粒的表面改性。
3.根据权利要求1所述的功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法，其特征在于所述的功能微粒是活性炭，所述的树脂切片是聚丙烯。
4.根据权利要求1所述的功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法，其特征在于所述的功能微粒是氧化银，所述的树脂切片是聚对苯二甲酸乙二醇酯。
5.一种功能微粒改性熔喷非织造布的制造设备，包括超声波发生器和螺杆挤出机，其特征在于该螺杆挤出机的高速热空气流管道设计为文丘里管状，并在该管道上安装有功能微粒储料斗，储料斗安装位置应当使其内的功能微粒可在所述管道内高速热空气流所产生的负压作用下进入挤出机的模头喷嘴内，与螺杆挤出机熔融挤出并拉伸的热粘性熔喷纤维表面牢固粘合。
6.根据权利要求5所述的功能微粒改性熔喷非织造布的制造设备，其特征在于在文丘里管状高速热空气流管道的喉管处安装所述的储料斗。
全文摘要
本发明涉及一种功能微粒改性熔喷非织造布的制备方法及制造设备，包括1.功能微粒改性，先将功能微粒与占其质量百分比2～8％的偶联剂和1～4％的分散剂一并放入超声波发生器中，进行超声波表面改性，超声波作用频率为20kHz～48kHz，作用时间为20～40分钟，干燥后备用；2.制备熔喷非织造布，把功能微粒装入安装在螺杆挤出机高速热空气流管道上的储料斗中，将树脂切片在螺杆挤出机中按常规工艺熔融、挤出和在高速热空气流下拉伸，同时利用高速热空气流所产生的负压作用使所述功能微粒也进入高速热空气流中，并使其在模头喷嘴处均匀地黏附在热粘性熔喷纤维的表面，随后冷却成型，即可制成所述的功能微粒改性熔喷非织造布。本发明制备方法具有工艺简单，成本低，工业化实施容易，产品容易创新等特点。
文档编号D01D1/10GK101029433SQ20071005686
公开日2007年9月5日 申请日期2007年3月6日 优先权日2007年3月6日
发明者钱晓明, 粘伟诚, 康卫民, 刘亚 申请人:天津工业大学, 福建鑫华股份有限公司