专利名称：一种一步法聚乳酸纺丝成网水刺非织造布及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种非织造布制造技术，具体为一种强度高，且具有良好柔软性、皮肤亲和性、吸湿透气性及生物降解性的聚乳酸纺丝成网水刺非织造布及其制造方法，国际专利分类号拟为 Int. Cl D01Fl/09(2006. 01)。
背景技术：
聚乳酸(PLA)以玉米、小麦、木薯等一些植物中的淀粉为最初原料，经过酶分解得到葡萄糖，再经过乳酸菌发酵后变成乳酸，然后经过化学合成得到高纯度聚乳酸。以这种可再生资源为原料的聚乳酸制备的非织造布是一种新型材料，完全不依赖天然石化资源，因此其发展不受世界石油、煤炭日益枯竭危机的制约。同时，还间接地减少石油化工对大气的污染及其废弃物对环境的破坏。聚乳酸制品废弃后在土壤或水中，30天内会在自然条件下彻底分解成CO2和H2O, 不会对环境产生污染，因而是一种完全自然循环型的可生物降解材料。随着人类保护地球环境意识的日益加强，对环保技术、环保产品的研究开发更为关注，可生物降解的聚乳酸非织造布应用将具有越来越广泛的应用前景。虽然聚乳酸纤维的原料来源丰富且价格低廉，但是其聚合纺丝加工等过程所需要的成本较高，而且聚乳酸纤维的聚合度有待于进一步提高，因而使聚乳酸的非织造产品大规模工业化生产和广泛使用受到一定的限制。但聚乳酸本身的生物降解特性，使其作为环保材料在取代现有不可降解的非织造布产品、促进环境保护方面有着巨大的作用，将成为今后重点发展的一种非织造布产品。近年来，国内外对聚乳酸非织造布进行了开发研究，并形成了一些专利。 KR20080106609介绍了一种利用聚乳酸短纤维梳理成网再水刺加固制备聚乳酸水刺非织造布的技术，由于采用短纤维梳理成网的方式，因此产品的强度相对较低，这就限制了其应用领域。USP5833787介绍了一种利用聚乳酸切片一步法制备聚乳酸纺粘非织造布及其制备技术，其固网工艺采用的是热粘合加固。USP5910368介绍了另一种亲水性聚乳酸纺粘法非织造布制备技术，将聚乳酸切片干燥后通过纺粘技术成网，然后通过喷洒或泡沫浸溃法将亲水性表面活性剂对纤网进行处理，再利用热轧粘合固网。日本尤尼吉卡公司也用一步法纺粘法工艺成功试制了聚乳酸纺粘非织造布。由于这些技术均采用热轧法进行加固，使得产品的手感较硬。德国萨克森纺织研究所对聚乳酸纺粘水刺非织造布进行了研究，通过切片干燥工艺、纺丝工艺及水刺加固工艺的研究，结果表明，适当的可生物降解的纺粘非织造布可用抽吸空气原理制成，但对于工艺的可靠性，尚需更多的研究支持。上海市合成纤维研究所是国内最早开展聚乳酸纺粘法技术研究的单位，在已进行过系列小试和扩大试验的基础上，承担了国家科技部的支撑计划项目“聚乳酸纺粘法非织造布装备与工艺技术研发”，在对原有双组分复合纺粘法生产线进行部分改造后，形成了一条幅宽3. 2m、年产IOOOt的生产线，并通过了项目验收和技术鉴定。但是，目前的这些聚乳酸非织造布制备技术中，一般都是通过聚乳酸短纤维梳理成网再水刺或聚乳酸切片纺粘热轧而成，在产品的强度和手感方面存在不足，从而使聚乳酸的性能不能很好地发挥，制约了产品的应用领域。另外，采用切片作为原料，干燥工艺非常重要，因为纺丝过程中水分的存在对聚乳酸的可纺性及最终非织造布的性能有很大的影响。而采用玉米淀粉发酵聚合制成聚乳酸熔体直接进行纺丝成网、水刺加固一步法制备聚乳酸纺丝成网水刺非织造布的技术还未见有报导。
发明内容
针对现有聚乳酸切片纺丝成网法中切片干燥工艺要求严格及产品性能的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一步法制备聚乳酸纺丝成网水刺非织造布及其制造方法， 该聚乳酸纺丝成网水刺非织造布采用玉米淀粉发酵聚合制成聚乳酸熔体，直接进行纺丝成网、水刺加固一步法制备聚乳酸纺丝成网水刺非织造布，省去了聚合物熔体造粒、切片干燥等工序，工艺流程短、成本低，适用于工业化生产；产品强度高，并且具有良好的柔软性、 皮肤亲和性、吸湿透气性及生物降解性，可用于手术衣、手术覆盖布、口罩、婴儿尿布、妇女卫生巾、成人尿失禁用品、隔离服、一次性口罩、手套等医疗卫生用品方面，开发利用前景广阔，具有实际推广应用价值。本发明解决所述非织造布技术问题的技术方案是设计一种一步法聚乳酸纺丝成网水刺非织造布，该非织造布由玉米淀粉经双螺杆制备聚乳酸纺丝熔体，该熔体分子量达 15万以上；再利用该聚乳酸熔体纺丝成网、水刺加固一步法制成聚乳酸纺丝成网法水刺非织造布，该非织造布中纤维的纤度范围为l-4dtex，对于定量大于80g/m2的该非织造布，其纵向断裂强度高于110N/5cm强度，横向断裂强度高于90N/5cm。本发明解决所述非织造布制造方法技术问题的技术方案是设计一种一步法聚乳酸纺丝成网水刺非织造布制造方法，该制造方法以本发明所述的玉米淀粉为原料，并采用以下工艺步骤I.制备聚乳酸纺丝熔体①淀粉发酵制备乳酸预聚体将玉米淀粉在酸、酶的水解作用下制成末精化的葡萄糖，再发酵制备成乳酸，再控制聚合条件制备成乳酸预聚体熔体聚乳酸的制备利用双螺杆挤出机在反应温度为140-160°c、0. 3-0. 5%的辛酸亚锡作为催化剂、螺杆转速为50-100r/min的条件下通过连续熔融缩聚制备出分子量高于15万的熔体聚乳酸，供后续纺丝用；2.聚乳酸纺粘水刺非织造布制备①纺丝铺网将上述制备的聚乳酸熔体在190-240°C经熔体过滤器及计量泵后输入纺丝组件中进行纺丝；在管式牵伸器中以 4000-7000m/min的气流牵伸速度进行牵伸，并通过摆片式摆丝器分丝铺网；②水刺固网 将铺置的纤网输入水刺区域，在2-15MPa的水压下固结纤网，并于110-130°C烘干，制成所述聚乳酸纺丝成网水刺非织造布。与现有聚乳酸非织造布产品相比，本发明利用双螺杆通过连续熔融缩聚制备出分子量高于15万的熔体聚乳酸为纺丝熔体，所得到的聚乳酸分子量高、结晶度有所降低，这对改善聚乳酸材料在使用过程中表现出的较大脆性非常有益；相对于短纤维梳理成网聚乳酸非织造布产品，强度有了很大的提高，对于定量大于80g/m2的该非织造布，其纵向断裂强度高于110N/5cm强度，横向断裂强度高于90N/5cm ;利用水刺技术进行加固，产品的柔软性、皮肤亲和性、吸湿透气性能更好。因此，可用于手术衣、手术覆盖布、口罩、婴儿尿布、妇
4女卫生巾、成人尿失禁用品、隔离服、一次性口罩、手套等医疗卫生用品方面，开发利用前景广阔。本发明所表述的聚乳酸分子量采用粘度法测量，测试过程参照国标GB/ T14190-2008进行，以三氯甲烷为溶剂溶解聚乳酸熔体并用乌氏粘度计测量；非织造布的纵横向强度采用YG065系列电子织物强力机进行测试，测试过程参照标准FZ/T60005-91进行。与现有的聚乳酸非织造布制备技术相比，该制备技术采用双螺杆挤出机，通过连续熔融缩聚制备聚乳酸熔体直接进行纺丝成网、水刺加固一步法制备聚乳酸纺丝成网水刺非织造布，省去了聚合物熔体造粒、切片干燥等工序，工艺流程短、成本低，适用于工业化生产，具有实际推广应用价值。
图I为现有技术的切片法聚乳酸纺丝成网非织造布制造方法工艺流程示意图。图2为本发明的一步法聚乳酸纺丝成网水刺非织造布制造方法工艺流程示意图。
具体实施例方式下面结合实施例进一步叙述本发明。本发明设计的一种一步法聚乳酸纺丝成网水刺非织造布，该非织造布由聚乳酸长丝制成，纤维的纤度范围为l_4dtex;其组分为结晶性聚乳酸，分子量15万以上，熔点 160-180°C，玻璃化温度约60°C，由玉米淀粉发酵、聚合而成。现有的聚乳酸纺丝成网水刺非织造布，大部分是由短纤维通过梳理成网再经热轧、针刺或水刺加固而成，因此产品的强度较低，且很难加工成薄型产品；而切片法纺丝成网法聚乳酸非织造布则由聚乳酸切片经熔融纺丝、热轧加固而成，对切片的干燥工艺要求很严格，此外热轧加固之后产品的手感较硬，影响了产品的柔软度、皮肤亲和性及吸湿透气性能，从而使得产品的应用领域受到了一定的限制。本发明的一步法聚乳酸纺丝成网水刺非织造布(以下简称非织造布)，采用玉米淀粉为原料、利用双螺杆挤出机通过连续熔融缩聚工艺制备聚乳酸纺丝熔体直接纺丝，省去了聚乳酸熔体造粒、切片干燥等工序，克服了切片纺丝过程中干燥工艺控制难的不足；利用纺粘技术进行一步法纺丝成网，纤网中纤维由长丝铺置而成，克服了短纤维梳理成网产品强度低的不足；利用水刺加固制备最终非织造布，克服了热轧产品手感硬、吸湿透气性差的不足。实验表明，对于定量为80g/m2的非织造布，纵向强度能达到110N/5cm，横向强度能达到90N/5cm，吸湿透气性和柔软性远高于其他聚乳酸非织造布产品。本发明同时设计了一步法聚乳酸纺丝成网水刺非织造布的制造方法，其采用玉米淀粉为原料和如下工艺步骤(I)制备聚乳酸纺丝熔体①淀粉发酵制备乳酸预聚体将玉米淀粉在酸、酶的水解作用下制成末精化的葡萄糖，再发酵制备成乳酸，再控制聚合条件制备成乳酸预聚体熔体聚乳酸的制备利用双螺杆挤出机在反应温度为140-160°C、0. 3-0. 5%的辛酸亚锡作为催化剂、螺杆转速为50-100r/min的条件下通过连续熔融缩聚制备出分子量高于15万的熔体聚乳酸，供后续纺丝用；
(2)聚乳酸纺粘水刺非织造布制备①纺丝铺网将上述制备的聚乳酸熔体在190-240°C经熔体过滤器及计量泵后输入纺丝组件中进行纺丝；在管式牵伸器中以 4000-7000m/min的气流牵伸速度进行牵伸，并通过摆片式摆丝器分丝铺网；②水刺固网 将铺置的纤网输入水刺区域，在2-15MPa的水压下固结纤网，并于110-130°C烘干，制成所述聚乳酸纺丝成网水刺非织造布。现有的切片法聚乳酸纺丝成网水刺非织造布的生产工艺流程为(参见图I):先将玉米淀粉经过发酵、聚合之后制备聚乳酸，然后铸粒制成聚乳酸切片，非织造布厂家将买来的聚乳酸切片在一定的温度下干燥至含水率达50ppm以下，然后通入螺杆挤出机熔融， 经熔体过滤器过滤、计量泵计量后进入纺丝组件纺丝，经气流牵伸、分丝铺网后热轧加固而成。由于聚乳酸本身的纺丝温度范围很窄，水分的存在对纺丝工艺参数及纤维性能影响很大，因此对干燥工艺的控制非常严格。同时，采用热轧法进行加固，产品的柔软性较差，吸湿透气性能也因热粘合点而受到影响。本发明非织造布的制造方法生产工艺流程为(参见图2):将玉米淀粉在酸、酶的水解作用下制成末精化的葡萄糖，再发酵制备成乳酸，再控制聚合条件制备成乳酸预聚体； 利用双螺杆挤出机通过连续熔融缩聚制备出分子量高于15万的熔体聚乳酸，然后经熔体过滤器过滤、计量泵计量后进入纺丝组件纺丝，经气流牵伸、分丝铺网后水刺加固而成。本发明设计采用玉米淀粉连续熔融缩聚制备出聚乳酸熔体纺丝液直接纺丝，所得到的聚乳酸分子量高、结晶度有所降低，这对改善后续聚乳酸非织造布在使用过程中表现出的较大脆性非常有益；通过控制牵伸气流速度，可以得到纤度为l_4dtex的聚乳酸纤维， 经水刺加固后可以得到比现有技术制备的非织造布强度高、手感柔软、吸湿透气性和皮肤亲和性更好的产品，扩大其应用范围。在申请人已知的范围内，本发明所述的的非织造布及其制造方法还未见有紧密相关文献的具体报道。本发明未述及之处适用于现有技术。以下给出本发明的具体实施例。本发明不受具体实施例的限制。实施例I将玉米淀粉经水解制成葡萄糖，再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达99. 5%的L-乳酸；将所得的L-乳酸通过减压脱水制备乳酸齐聚物，在反应温度为150°C、辛酸亚锡催化剂用量为O. 3%、螺杆转速为60r/min时通过双螺杆反应制得粘均分子量为15. 8万的聚乳酸熔体；将熔体经过滤器过滤、计量泵计量之后在225°C纺丝，冷却后在5000m/min的气流中进行牵伸并铺网，在 2MPa、8MPa、12MPa、10MPa、IOMPa五道水刺后经115°C烘干制得上述非织造布。该非织造布产品定量为80g/m2，纤网中纤维平均纤度为3. 2dtex，非织造布表面平整、手感柔软，纵横向强度分别为112N/5cm和93N/5cm。实施例2将玉米淀粉经水解制成葡萄糖，再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达99. 5%的L-乳酸；将所得的L-乳酸通过减压脱水制备乳酸齐聚物，在反应温度为150°C、辛酸亚锡催化剂用量为0.4%、螺杆转速为75r/min时通过双螺杆反应制得粘均分子量为18. 2万的聚乳酸熔体；将熔体经过滤器过滤、计量泵计量之后在230°C纺丝，冷却后在5500m/min的气流中进行牵伸并铺网，在2MPa、8MPa、14MPa、10MPa、12MPa五道水刺后经115°C烘干制得上述非织造布。该非织造布产品定量为80g/m2，纤网中纤维平均纤度为3. Odtex，非织造布表面平整、手感柔软，纵横向强度分别为116N/5cm和94N/5cm。实施例3将玉米淀粉经水解制成葡萄糖，再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达99. 5%的L-乳酸；将所得的L-乳酸通过减压脱水制备乳酸齐聚物，在反应温度为150°C、辛酸亚锡催化剂用量为O. 5%、螺杆转速为75r/min时通过双螺杆反应制得粘均分子量为19. 8万的聚乳酸熔体；将熔体经过滤器过滤、计量泵计量之后在230°C纺丝，冷却后在6000m/min的气流中进行牵伸并铺网，在 2MPa、8MPa、14MPa、10MPa、12MPa五道水刺后经115°C烘干制得上述非织造布。该非织造布产品定量为80g/m2，纤网中纤维平均纤度为3. Odtex，非织造布表面平整、手感柔软，纵横向强度分别为117N/5cm和98N/5cm。实施例4将玉米淀粉经水解制成葡萄糖，再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达99. 5%的L-乳酸；将所得的L-乳酸通过减压脱水制备乳酸齐聚物，在反应温度为155°C、辛酸亚锡催化剂用量为O. 5%、螺杆转速为75r/min时通过双螺杆反应制得粘均分子量为21. 6万的聚乳酸熔体；将熔体经过滤器过滤、计量泵剂量之后在230°C纺丝，冷却后在7000m/min的气流中进行牵伸并铺网，在 3MPa、9MPa、15MPa、12MPa、13MPa五道水刺后经120°C烘干制得上述非织造布。该非织造布产品定量为100g/m2，纤网中纤维平均纤度为2. 8dtex，非织造布表面平整、手感柔软，纵横向强度分别为132N/5cm和114N/5cm。实施例5将玉米淀粉经水解制成葡萄糖，再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达99. 5%的L-乳酸；将所得的L-乳酸通过减压脱水制备乳酸齐聚物，在反应温度为160°C、辛酸亚锡催化剂用量为O. 5%、螺杆转速为80r/min时通过双螺杆反应制得粘均分子量为25. 6万的聚乳酸熔体；将熔体经过滤器过滤、计量泵剂量之后在235°C纺丝，冷却后在7000m/min的气流中进行牵伸并铺网，在 3MPa、9MPa、15MPa、12MPa、13MPa五道水刺后经120°C烘干制得上述非织造布。该非织造布产品定量为100g/m2，纤网中纤维平均纤度为2. 6dtex，非织造布表面平整、手感柔软，纵横向强度分别为135N/5cm和118N/5cm。实施例6将玉米淀粉经水解制成葡萄糖，再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达99. 5%的L-乳酸；将所得的L-乳酸通过减压脱水制备乳酸齐聚物，在反应温度为160°C、辛酸亚锡催化剂用量为O. 5%、螺杆转速为90r/min时通过双螺杆反应制得粘均分子量为27. 8万的聚乳酸熔体；将熔体经过滤器过滤、计量泵剂量之后在235°C纺丝，冷却后在7000m/min的气流中进行牵伸并铺网，在 3MPa、9MPa、15MPa、12MPa、12MPa五道水刺后经120°C烘干制得上述非织造布。该非织造布产品定量为100g/m2，纤网中纤维平均纤度为2. 6dtex，非织造布表面平整、手感柔软，纵横向强度分别为138N/5cm和116N/5cm。
权利要求
1.一种用于制备纺丝成网水刺非织造布的聚乳酸熔体，其特征在于该熔体的分子量大于15万，所述的聚乳酸熔体由玉米淀粉发酵制成乳酸，再由乳酸控制聚合条件制备出乳酸预聚体，利用双螺杆挤出机通过连续熔融缩聚制备而成。
2.一种聚乳酸纺丝成网水刺非织造布，其特征在于由l_4dteX的长丝组成，对于定量大于80g/m2的该非织造布，其纵向断裂强度高于110N/5cm强度，横向断裂强度高于 90N/5cm。
3.如权利要求2所述的非织造布，其特征在于由权利要求I所述的聚乳酸熔体为原料制备而成。
4.如权利要求2或3所述的非织造布，由权利要求I所述的聚乳酸熔体为原料，再经过下列步骤制备而成(1)纺丝铺网将聚乳酸熔体在190-240°C经熔体过滤器及计量泵后输入纺丝组件中进行纺丝；在管式牵伸器中以4000-7000m/min的气流牵伸速度进行牵伸，并通过摆片式摆丝器分丝铺网；(2)水刺固网将铺置的纤网输入水刺区域，在8-15MPa的水压下固结纤网，并于 110-130°C烘干，制成所述聚乳酸纺丝成网水刺非织造布。
5.一种一步法聚乳酸纺丝成网水刺非织造布的制造方法，其所用的原料为权利要求I 所述的聚乳酸熔体，所述方法包括下述步骤(1)纺丝铺网将聚乳酸熔体在190-240°C经熔体过滤器及计量泵后输入纺丝组件中进行纺丝；在管式牵伸器中以4000-7000m/min的气流牵伸速度进行牵伸，并通过摆片式摆丝器分丝铺网；(2)水刺固网将铺置的纤网输入水刺区域，在8-15MPa的水压下固结纤网，并于 110-130°C烘干，制成所述聚乳酸纺丝成网水刺非织造布。
全文摘要
本发明涉及一种聚乳酸纺丝成网水刺非织造布及其制造方法。该非织造布由聚乳酸长丝制成，纤维纤度范围为1-4dtex；其组分为结晶性聚乳酸，分子量15万以上，熔点160-180℃，玻璃化温度约60℃，由玉米淀粉聚合而成。该非织造布制造方法采用如下工艺步骤1.制备聚乳酸纺丝熔体由玉米淀粉发酵制成乳酸，再由乳酸控制聚合条件制备乳酸预聚体，利用双螺杆通过连续熔融缩聚制备分子量高于15万的聚乳酸纺丝熔体；2.聚乳酸纺粘水刺非织造布制备将纺丝熔体通过纺丝组件喷丝，经气流冷却牵伸后分丝铺网，利用水刺技术固网，烘干后即制得聚乳酸纺丝成网水刺非织造布。本发明聚乳酸纺丝成网水刺非织造布强度高，具有良好的柔软性、皮肤亲和性、吸湿透气性及生物降解性。
文档编号D04H3/03GK102587042SQ20121005529
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者丁长坤, 刘亚, 康卫民, 程博闻, 镇垒 申请人:天津工业大学