(1. 南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019；2. 南通麗洋非織造工業(yè)有限公司，南通，226001)

熔噴法工藝是將聚合物切片熔融擠出后經(jīng)高速熱氣流吹塑，形成超細(xì)纖維并凝集成網(wǎng)，然后將纖網(wǎng)加固制成一種具有超細(xì)纖維集聚結(jié)構(gòu)的非織造材料的加工工藝。該方法無需采取復(fù)雜的合纖超細(xì)纖維紡絲工藝，就可一步法形成超細(xì)纖維非織造材料。超細(xì)纖維非織造材料因在過濾、阻菌和吸附等方面的突出優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。聚丙烯(PP)是在熔噴工藝中使用最廣泛的原料，其他一些高聚物，如聚酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚氨基甲酸酯、乙烯共聚物及一些熱塑性的彈性體等也可以用來進(jìn)行熔噴加工[1-2]。近年來，隨著人們環(huán)境意識(shí)的不斷增強(qiáng)，開發(fā)環(huán)境友好且可再生的纖維材料越來越受到社會(huì)和學(xué)者們的關(guān)注，以聚乳酸(PLA)為原料的熔噴非織造材料符合可持續(xù)發(fā)展要求，PLA熔噴超細(xì)纖維非織造材料已成為非織造研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)[1,3]，但目前還處在研發(fā)階段[4-5]。

PLA的原料是乳酸，PLA具有良好的生物降解性和生物相容性[6-7]。隨著目前石油價(jià)格的不斷上漲，PLA材料的快速發(fā)展迎來了絕佳的時(shí)機(jī)。PLA不僅可以由植物資源(小麥、玉米等)為起始原料制成，也可從石油下游產(chǎn)品合成得到。PLA纖維經(jīng)久耐用，松軟舒適且回彈性好，較容易清洗，產(chǎn)品外觀可常年保持不變，皮膚對(duì)PLA產(chǎn)品不會(huì)產(chǎn)生過敏反應(yīng)。此外，PLA可自然降解的特點(diǎn)是其他常見的聚合物所不具備的。PLA纖維的產(chǎn)品在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境和條件下即可堆肥降解，對(duì)環(huán)境無污染。PLA纖維具有絲質(zhì)般的光澤，外觀晶亮瑩潤(rùn)，手感滑軟細(xì)膩，皮膚接觸性極佳且有一定的除菌效果和抗紫外線性能[8-9]。

可再生、可生物降解、生物相容以及低碳排放和低能耗是PLA材料的巨大優(yōu)勢(shì)；而熔噴法非織造工藝生產(chǎn)效率高,生產(chǎn)流程短，有很大的發(fā)展?jié)摿?且熔噴非織造材料的加固是通過自身黏合或熱黏合，不添加任何化學(xué)黏合劑，因此對(duì)環(huán)境不良影響極小[10]。因此，將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合制造的PLA熔噴非織造材料在今后必將得到廣泛的應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)的田納西大學(xué)和德國(guó)的不萊梅大學(xué)早在2001年就開始了PLA應(yīng)用在熔噴工藝上的研究，但是因?yàn)樗迷献陨硇阅艿南拗埔约凹庸すに嚪矫娲嬖谝欢ǖ膯栴}，結(jié)果并不是特別理想。PLA自身所具有的流變性能使得其在熔噴工藝上的應(yīng)用受到很多限制。所幸通過研究人員和學(xué)者們的不斷努力，現(xiàn)在研究已經(jīng)獲得一定的成果，并指出需要而且有必要對(duì)PLA熔噴非織造材料作進(jìn)一步的研究[11]。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在非織造工業(yè)中，目前PLA已經(jīng)在濕法成網(wǎng)、氣流成網(wǎng)、針刺、水刺、紡黏等工藝上得到一定的應(yīng)用，但在熔噴工藝上還處于實(shí)驗(yàn)階段，沒有形成大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用[12]。對(duì)PLA非織造材料進(jìn)行研發(fā)最多的是歐美和日本，日本的幸和、鐘紡、尤尼吉卡和東洋紡等廠家都對(duì)PLA非織造材料進(jìn)行過研究，并且申請(qǐng)了許多可生物降解PLA非織造材料的專利技術(shù)[13-16]。

在利用熔噴工藝對(duì)PLA進(jìn)行加工應(yīng)用方面做得最好的是美國(guó)的Nature Works 公司。2009 年下半年，Nature Works公司的新型PLA切片——Ingeo生物基PLA切片商業(yè)化生產(chǎn)裝置投產(chǎn)，并在隨后的一年對(duì)該材料進(jìn)行了相關(guān)的熔噴試驗(yàn)，結(jié)果表明Ingeo生物基PLA切片可以用來生產(chǎn)熔噴非織造材料。Ingeo生物基熔噴非織造材料在過濾產(chǎn)品、擦布等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。Nature Works公司在2011年正式推出了兩種Ingeo PLA熔噴非織造材料。研究發(fā)現(xiàn)，Ingeo PLA非織造材料比石油系非織造材料成本降低30%～50%。采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的噴嘴，從原料到出貨，Ingeo PLA排放二氧化碳1.3 kg/kg，比PET少59%，比PP少32%；Ingeo PLA耗熱量42 mJ/kg,比PET少47%，比PP少42%[17]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

東華大學(xué)在2003年就開始了PLA熔噴非織造材料的研究，是國(guó)內(nèi)最早開始該項(xiàng)研究的單位。試制的PLA熔噴非織造材料的性能與PP熔噴非織造材料相比，除強(qiáng)度過低外，其他性能基本上達(dá)到要求。纖維平均直徑2.6 μm，標(biāo)準(zhǔn)回潮率0.5%，具有良好的均勻性。經(jīng)測(cè)試，該材料在血液過濾、0.5 μm粉塵過濾以及0.3～0.5 μm粉塵過濾中其性能指標(biāo)均能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求[18-19]。

天津工業(yè)大學(xué)也在PLA熔噴工藝上進(jìn)行過相關(guān)的研究。通過濾效測(cè)試、透氣性測(cè)試以及電鏡分析等手段對(duì)PLA熔噴非織造材料生產(chǎn)的各個(gè)工藝參數(shù)，如熱空氣溫度和壓力(速度)、熔噴模頭溫度、狹縫寬度等進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：PLA熔噴非織造材料生產(chǎn)的溫度范圍為190～230 ℃，最佳溫度為220 ℃；纖維直徑隨熱空氣溫度提高和狹縫寬度的增大而有所增加；纖維卷曲度隨熱空氣壓力(速度)和狹縫寬度的增大而下降；上述參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的透氣性和過濾性能都有較大的影響[20]。

于斌等[21]還對(duì)PLA原料在添加駐極體前后的熱性能和可紡性進(jìn)行了研究。研究結(jié)論是：當(dāng)添加一定量的駐極體時(shí)PLA材料的結(jié)晶度有所提高，但是可紡性能有所下降；繼續(xù)添加駐極體可紡性能可以得到改善，但是駐極體含量過大會(huì)影響材料的結(jié)構(gòu)規(guī)整性。

為了提高PLA熔噴非織造材料的自然降解速率，陳寧等[22]還對(duì)PLA熔噴非織造材料進(jìn)行了低溫等離子體處理的研究。結(jié)果顯示，隨著等離子體處理時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的殘留質(zhì)量百分率下降，土埋降解速率增大。這表明低溫等離子體處理可以提高材料的自然降解速率。

但是，國(guó)內(nèi)有關(guān)PLA熔噴非織造材料方面的研究目前仍處在實(shí)驗(yàn)室階段，并且還有許多問題亟待解決，而PLA熔噴非織造材料由于其自身的優(yōu)點(diǎn)和性能非常值得作進(jìn)一步的研究。

1.3 面臨的問題

在我國(guó)，不僅僅是PLA熔噴非織造材料，所有以PLA為原料加工而成的產(chǎn)品都會(huì)面臨相同的問題，那就是原料價(jià)格過高[23]。我國(guó)的PLA原料基本依賴于進(jìn)口，進(jìn)口關(guān)稅較高，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格攀升，這是抑制我國(guó)大規(guī)模生產(chǎn)和使用PLA非織造產(chǎn)品的瓶頸。但在日韓、歐美等地PLA的價(jià)格與PET等產(chǎn)品的價(jià)格差距并不是很明顯，而且有很多國(guó)家對(duì)PLA這類可再生的環(huán)保型材料還給予支持性政策。有理由相信：隨著纖維原料合成和纖維加工等技術(shù)的不斷提高，PLA的價(jià)格必將逐步下降；隨著資源的日益枯竭以及環(huán)境污染日益的加重，綠色環(huán)保的PLA產(chǎn)品必將有著越來越廣泛的應(yīng)用。

目前，PLA熔噴非織造材料沒有大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和得到廣泛應(yīng)用的另一個(gè)原因是熔噴工藝不能使PLA產(chǎn)生足夠的結(jié)晶度。PLA熔噴產(chǎn)品多呈無定形狀，且軟化點(diǎn)較低(58 ℃)。產(chǎn)品在接近PLA玻璃化溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮。如果PLA切片干燥不徹底，則在螺桿擠出機(jī)中極易降解，甚至碳化。與熔噴PP纖網(wǎng)相比，熔噴PLA纖網(wǎng)表面比較粗糙。但這些都可以通過加工工藝的改進(jìn)和原材料的改性得以解決。

在我國(guó)，PP熔噴非織造材料的生產(chǎn)已有產(chǎn)能過剩的趨勢(shì)，而利用傳統(tǒng)的PP熔噴設(shè)備經(jīng)過一定的改進(jìn)就能生產(chǎn)PLA熔噴非織造材料。因此，努力發(fā)展熔噴PLA非織造技術(shù)對(duì)提升我國(guó)非織造產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力有著積極的作用。

2 PLA熔噴非織造材料的制備工藝

PLA有聚D-乳酸(PDLA)、聚L-乳酸(PLLA)和聚DL-乳酸(PDLLA)之分。因?yàn)樽笮齈LA(PLLA)具有較高的結(jié)晶度,且熔點(diǎn)較高(175 ℃左右)，相對(duì)易得，所以一般選用PLLA來紡制纖維和加工紡熔非織造材料[24-25]。

表1是PLA與幾種常見纖維的主要性能對(duì)比[26]。由表1可見，PLA與PP在有關(guān)熔紡方面的性能接近，所以PLA的熔噴加工工藝可以在一定程度上借鑒已經(jīng)成熟的PP熔噴加工工藝。但是，PLA具有一定的回潮率，在沒有完全干燥的情況下，高溫?cái)D出時(shí)會(huì)發(fā)生水解，必須在加工前進(jìn)行干燥處理。鑒于PLA自身的流變性能，在熔噴加工工藝方面還有很多值得改進(jìn)的地方，需要進(jìn)一步進(jìn)行探討和研究[16]。

表1 PLA及幾種常見纖維的主要性能對(duì)比[26]

PLA熔噴非織造材料的加工工藝流程為：

聚合物切片→干燥→喂入→熔融與擠出→纖維形成與冷卻→成網(wǎng)→加固黏合(可以是自身黏合或熱黏合)→卷繞→后整理或進(jìn)行特殊整理(抗菌、等離子處理等)。

根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，PLA熔噴非織造材料生產(chǎn)需注意以下幾點(diǎn)[27-28]：

(1)PLA具有一定的回潮率，在原料喂入之前必須進(jìn)行嚴(yán)格的干燥，否則原料會(huì)在螺桿擠出機(jī)中發(fā)生水解，甚至碳化。

(2)選用熔融指數(shù)較高的PP切片為原料加工熔噴非織造材料時(shí)，因PP的黏度較小，非牛頓流體管中的雷諾數(shù)較大，慣性力占主導(dǎo)地位，聚合物不易滯留于管道的管壁。而PLA的熔融指數(shù)低，黏度大，流體管中雷諾數(shù)較小，黏著力影響顯著，聚合物極易滯留管壁導(dǎo)致聚合物碳化，因此PLA的生產(chǎn)加工選用的聚合物管路應(yīng)內(nèi)壁盡量光滑且阻力小。

(3)根據(jù)冪律方程，PLA熔體的非牛頓指數(shù)與PP相比更接近于1，熔體在沖出噴絲孔時(shí)應(yīng)力釋放更加明顯，擠出脹大比有明顯的增加，因此建議相應(yīng)增大熱空氣的速度，或使用孔徑較小的噴絲板組件，以保證其超細(xì)纖維的組成結(jié)構(gòu)。

(4)PLA分解溫度低，加工溫度不宜過高。PLA熔噴非織造材料的加工溫度一般選擇在180～220 ℃之間，210 ℃為最佳紡絲溫度。加工溫度過高或時(shí)間過長(zhǎng)都會(huì)使聚合物產(chǎn)生降解，使產(chǎn)品強(qiáng)力降低。

(5)由于PLA的紡絲溫度較低，為使材料黏結(jié)充分，需相應(yīng)減小接收距離，或使用熱輥接收。

(6)PLA具有一定的酸性，與PLA相接觸的部件應(yīng)該采用耐酸性腐蝕材料。

(7)加工完成后，應(yīng)盡量避免聚合物管路中有PLA的殘留，可在加工完成后選用高黏度的PP原料對(duì)聚合物管路進(jìn)行沖洗。

3 PLA熔噴非織造材料的優(yōu)點(diǎn)

熔噴非織造材料的特殊結(jié)構(gòu)以及PLA纖維的特殊性能決定了PLA熔噴非織造材料具有其他材料所不具有的特殊性能，其優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)如下[29-30]:

(1)PLA熔噴非織造材料在常溫下經(jīng)久耐用，外觀可常年保持不變，但是在適當(dāng)?shù)臈l件下，如在海水、土壤或活性污泥中，可完全生物降解，產(chǎn)物為水和二氧化碳，對(duì)環(huán)境無污染。

(2)PLA熔噴非織造材料的原料既可以是從石油提煉的產(chǎn)物，也可以是玉米、小麥等農(nóng)作物，是一種可再生資源。因此，PLA熔噴非織造材料的生產(chǎn)與應(yīng)用在一定程度上可以緩解目前資源枯竭這一危機(jī)。

(3)采用熔噴工藝加工，組成熔噴非織造材料的纖維是直徑很細(xì)的超細(xì)纖維，該特殊的結(jié)構(gòu)使材料在過濾、阻菌和吸附等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。

(4)PLA為生物質(zhì)材料，生物相容性非常好，人體對(duì)其不會(huì)產(chǎn)生過敏現(xiàn)象，同時(shí)PLA還有一定的抗菌性能，在醫(yī)療衛(wèi)生材料領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

4 PLA熔噴非織造材料的應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)熔噴非織造材料自身的性能和結(jié)構(gòu)，決定其主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檫^濾產(chǎn)品、醫(yī)療衛(wèi)生產(chǎn)品、保暖產(chǎn)品以及吸油產(chǎn)品等。目前熔噴非織造材料的主要原料是PP，而PLA與PP材料性能比較接近，因此在絕大部分應(yīng)用領(lǐng)域中都可用PLA熔噴非織造材料來取代PP熔噴非織造材料。由于PLA熔噴非織造材料具有可再生、可生物降解兩大優(yōu)點(diǎn)，且能很好地解決應(yīng)用后的廢物處理問題，更有利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，其產(chǎn)品推廣應(yīng)用價(jià)值將會(huì)越來越顯現(xiàn)。

4.1 過濾材料

目前熔噴非織造材料最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域是過濾材料。熔噴非織造材料的纖維平均直徑小于5 μm，呈雜亂排列，這就使其具有很大的比表面積、孔隙率高、孔徑小，對(duì)其進(jìn)行駐極處理或其他適當(dāng)?shù)奶幚砜梢愿玫貪M足過濾的要求。熔噴非織造過濾材料在諸多過濾領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。

4.2 醫(yī)療衛(wèi)生材料

熔噴層與紡黏層復(fù)合而成的非織造材料具有相當(dāng)優(yōu)異的阻菌和透氣性能，且強(qiáng)度高、手感好、不掉毛、不脫毛，易于儲(chǔ)藏，穿戴方便，價(jià)格低廉。PLA具有可生物降解性，同時(shí)還具有獨(dú)有的生物相容性，對(duì)人體無刺激，不會(huì)對(duì)患者的身體造成過敏等不良影響。

4.3 保暖材料

熔噴非織造材料的孔隙率高、孔徑小、手感柔軟，因此具有良好的抗風(fēng)能力和透氣性能，密度小，是非常好的保溫材料。目前熔噴非織造材料在保暖材料方面的應(yīng)用非常多，且增長(zhǎng)速度很快。

4.4 吸油材料

熔噴非織造材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是孔隙率高且比表面積大，因此熔噴非織造材料有很好的吸油性能。熔噴非織造材料可以吸收自重17 ～ 30倍的油，可以做成吸油濾芯和吸油氈等材料，這些材料在環(huán)境保護(hù)、油水分離、港口環(huán)保以及海洋輪船事故處理中發(fā)揮著重要的作用。

5 結(jié)語

PLA熔噴非織造材料既可以由石油提煉的產(chǎn)物加工而成，也可以由可再生的農(nóng)作物(玉米、小麥等)加工而成，是一種可再生材料。熔噴加工時(shí)主要采用電加熱，整個(gè)加工過程不會(huì)受到天然石化資源枯竭的限制，還間接地減少了石油化工對(duì)大氣的污染。此外，PLA可完全生物降解，廢棄物對(duì)環(huán)境無任何影響。PLA熔噴非織造材料雖然受其自身性質(zhì)的限制，無法立即大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但相信隨著熔噴工藝的改進(jìn)以及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLA加工制成的熔噴非織造材料在未來一定會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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