朱斐超博士、于斌教授：聚乳酸基生物可降解熔喷非织造材料的研究进展与展望

聚乳酸基生物可降解熔喷非织造材料的研究进展与展望

朱斐超,张宇静,张强,叶翔宇,张恒,汪伦合,黄瑞杰,刘国金,于斌

作者单位：浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)、江苏祯玉生物材料有限公司、浙江省轻工业品质量检验研究院、中原工学院、浙江海正生物材料有限公司、中广核俊尔新材料有限公司

引文格式：朱斐超, 张宇静, 张强, 等. 聚乳酸基生物可降解熔喷非织造材料的研究进展与展望[J]. 纺织学报, 2022, 43(1): 49-57.

ZHU Feichao, ZHANG Yujing, ZHANG Qiang, et al. Research progress and prospect on biodegradable polylactic acid-based melt-blown nonwovens[J]. Journal of Textile Research, 2022, 43(1): 49-57.

研究背景

21世纪以来国内外疫情频发,给人类生命安全带来严重威胁,以熔喷非织造材料为“核心”的高防护、低滤阻、持久耐用过滤材料铸就了保障健康的重要防线。随着我国提出“碳达峰”“碳中和”的目标愿景,以及国内外各地区先行“禁塑”政策的细化和推进,高性能、多功能的生物可降解过滤防护材料的研发和产业化应用已成为解决以上问题的一大有效举措。除此之外,生物可降解熔喷非织造材料在其他诸多领域应用,如卫生保健、组织工程、清洁擦拭、吸油、保暖、隔音吸声等领域体现出竞争优势。

聚乳酸(PLA)是目前研究和应用最为广泛的一种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资源(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,是公认的环境友好材料。PLA在熔喷非织造材料的研究加工和应用逐渐受到研究者和产业界的关注,产业化推广和应用始于“COVID-19后疫情时代”,在PP熔喷材料产能过剩以及国内PLA原材料产能迅速扩建的态势下,国内企业为追求转型而加速了发展。

单一PLA材料在应用方面仍存在诸多局限性,因其本身存在韧性、耐热性差等缺点,国内外学者已采用诸多手段对PLA原料和制品进行性能改良提升。基于此,本文总结介绍了PLA基熔喷非织造材料在加工成形、原料设计与改性、后整理改性等研究和应用方面的最新进展,并对其研究和发展方向与前景进行了展望。

主要内容

1 PLA基熔喷材料的加工成形

PLA基熔喷非织造材料的加工是将PLA基母粒经干燥、螺杆加热熔融(挤出温度210~240 ℃)、输送、过滤、计量后从熔喷模头的喷丝孔(孔径0.15~0.3 mm)定量挤出,然后受到模头两测的高温(230~280 ℃)、高速(200~400 m/s)气流牵伸后,在室温环境开放场中直接冷却或加温受限场中进一步牵伸,经熔喷纤维余热自黏合、缠结至接收装置成网,最后经卷绕得到的非织造材料。典型的PLA基熔喷非织造材料生产过程如图1所示。

 

图1  PLA基熔喷纤维及非织造材料成形示意图

熔喷工艺研究表明:挤出速度和温度、热风温度和压力(速度)、狭缝距离、接收距离、网帘收卷速率、负压抽吸强度等均对其最终PLA基熔喷材料的面密度、线密度、厚度、透气和过滤性能有显著影响。除了常规的熔喷开放外场制备PLA基熔喷材料外,静电、热、超声波-热、热-磁耦合、外场冷却辅助等手段也不断涌现,并应用于PLA基熔喷材料的加工过程。多级耦合和辅助熔喷流场的目的在于通过促进牵伸、杂乱响应等方式来实现PLA基熔喷纤维进一步细化、杂乱取向,从而得到过滤效率更高、更柔软、各项力学性能更加均匀的PLA基熔喷材料。

2 PLA基熔喷原料设计与改性

PLA基熔喷非织造材料的加工对原料的物性要求较高,主要包括热稳定性、相对分子质量及分布、熔点、黏度/熔体流动速率、黏弹性和灰分等方面。熔喷用聚合物原料往往需要相对较高的熔融指数(MI)。与熔喷级PP有所差异,目前市售的、成熟的熔喷级PLA牌号有NatureWorks公司的IngeoTM6系列牌号,其MI仅约80 g/(10 min)(温度190 ℃),国内外近10余年开展的PLA熔喷材料研究和应用大多基于该原料,PLA熔喷原料的国产化替代显得尤为重要。2021年,浙江海正生物材料有限公司推出了REVODE 210系列、安徽丰原福泰来聚乳酸有限公司推出了FY 201系列、中广核俊尔新材料有限公司推出了F02-M02的熔喷级PLA原料,但这些国产PLA基熔喷材料的熔喷可纺性和熔喷材料的性能还未见系统报道。

3 PLA基熔喷材料的改性

由于PLA本身存在韧性不足、耐热性差等固有缺陷,单一PLA熔喷材料的应用过程中仍存在诸多局限。此外,基于应用领域的差别化需求,PLA熔喷材料的改性势在必行。PLA基熔喷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(浸渍、等离子、磁控溅射等)2种方法。其中,PLA熔喷母粒熔融共混改性（接枝、增强增韧、功能改性）相对生产高效、经济、污染少,易于产业化;PLA熔喷材料的后整理改性（静电驻极、抗菌、亲水、催化吸附）更易于发挥其所负载材料本身的功能特性,功能发挥更加高效。

4 PLA基熔喷材料的应用

熔喷非织造材料具有纤维细、比表面积大、孔隙率高、孔隙小等特点,易发挥高效、低阻、节能的过滤特性,可对粉尘、细菌等有害物质的有效阻隔;与此同时,柔软亲肤、天然抑菌,舒适性高。基于以上诸多特性,PLA基熔喷非织造材料可广泛应用于空气过滤、医疗防护、卫生保健、清洁擦拭、隔音吸声、农业等领域。

5 研究方向展望

PLA基熔喷非织造材料在以上诸多领域体现出优势和特点的同时,其柔韧性、耐热性、耐久驻极等问题也亟待解决,与此同时,多功能和高附加值提升也更有利于拓宽PLA基熔喷材料的应用领域。总体而言,随着纺织科技的进一步发展以及多学科的进一步交叉衍生,本文研究认为PLA基熔喷非织造在纤维亚微米及纳米化、多组分化、材料和工艺复合化、耐久驻极化、功能和智能化方面具有较大的研究和发展前景。

6 结束语

聚乳酸(PLA)作为近十年产业化最热门的生物基/生物可降解塑料之一,PLA基熔喷非织造材料获得了广泛的关注和长足发展,并实现了部分关键技术的突破。通过熔喷原料的设计(特别是国产熔喷用PLA的研发)、熔喷母粒改性及非织造材料的后整理,PLA基熔喷非织造材料在空气过滤、医疗防护、卫生保健、组织工程、清洁擦拭、吸油和保暖等领域实现了成功应用,并在纤维亚微米化及微纳化、多组分化、材料和工艺复合化、耐久静电驻极化,以及功能和智能化方向研究和发展具有巨大潜力。目前正处在后疫情时代,同时在“碳达峰、碳中和”“净土计划”目标的驱动下,更加严格的环保政策和方案将进一步细化、落实和推进,相信高性能、多功能的全生物可降解PLA基熔喷非织造材料及其制品将迎来进一步跨越式发展。