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CN115182099B - 一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备方法及其应用 Download PDF

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CN115182099B CN202210874672.XA CN202210874672A CN115182099B CN 115182099 B CN115182099 B CN 115182099B CN 202210874672 A CN202210874672 A CN 202210874672A CN 115182099 B CN115182099 B CN 115182099B
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Abstract

本发明公开了一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备方法及其应用，其制备方法包括以下步骤：(1)将CO2基聚氨酯、聚乳酸分别置于不同螺杆挤出装置中，经高温熔融后挤出至计量泵中，经不同流量计量调控将不同熔体分别挤入皮、芯层模头通道；(2)经喷丝孔挤出形成具有皮芯结构的双组分熔体，经侧吹风气流冷却牵伸后形成连续长丝凝聚于网帘，经轧辊热轧粘合，冷却后得到所述纺粘非织造材料。本发明制备得到的纺粘非织造材料可完全降解，具有高回弹性及良好的柔软度，在卫生护理用品表面层材料方面具有良好的应用前景。

Description

一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备方法及 其应用
技术领域
本发明涉及非织造材料领域，具体涉及一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备方法及其应用。
背景技术
采用可降解的聚乳酸纺粘非织造材料替换现有石油基烯烃类纺粘非织造材料成为绿色发展的必然趋势，但由于聚乳酸材料性能较脆，由单一聚乳酸材料制备的非织造材料在强力和弹性上均难以满足实际应用需求。为提高聚乳酸基非织造材料的弹性、强力等性能，常采用向聚乳酸聚合物中添加聚氨酯的方法或者用高分子量的聚氨酯包裹聚乳酸纤维，以实现弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备，进而拓宽聚乳酸纺粘非织造材料的应用领域，例如高弹性、高柔性的卫生护理用品的表层亲肤材料。
其中，专利CN103255503B公开了一种弹性聚乳酸纤维的制备方法，将具有高弹性的聚氨酯与聚乳酸切片混合以提高聚乳酸纺粘非织造材料的弹性性能。CN113293517A公开了一种聚乳酸弹性超细纤维非制造材料及其制备方法与应用，先将聚乙二醇、纳米纤维与聚乳酸共混制粒后，再与生物基体弹性体熔融共混，经熔喷成型、多级热牵伸处理制备得到聚乳酸弹性超细纤维非制造材料。然而，由于纺粘非织造材料成型工艺要求，上述弹性体或其它材料的添加易改变聚乳酸分子链结构，进而影响聚乳酸非织造材料的结构与性能。此外，前者制备的弹性聚乳酸纤维不能完全降解，后者制备工艺繁琐，均限制了这类聚乳酸非织造材料的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备方法及其应用，所述纺粘非织造材料具有高弹性、高柔软性且可完全降解，可用于制备卫生护理用品表面层。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
本发明第一方面提供了一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将CO2基聚氨酯、聚乳酸分别置于不同螺杆挤出装置中，经螺杆高温熔融后挤出至计量泵中，经不同流量计量调控将CO2基聚氨酯的熔体挤入皮层模头通道、将聚乳酸的熔体挤入芯层模头通道；所述CO2基聚氨酯由CO2基聚碳酸酯醚多元醇与含芳香基改性的异氰酸酯在助剂存在下反应得到，所述CO2基聚氨酯分子链中由CO2基聚碳酸酯醚多元醇形成的链段的含量为65wt％-85wt％；
(2)熔体经由喷丝孔挤出形成具有皮芯结构的双组分熔体，经侧吹风气流冷却牵伸后形成连续长丝凝聚于网帘，经轧辊热轧粘合、冷却后得到所述纺粘非织造材料。
进一步地，步骤(1)中，所述CO2基聚碳酸酯醚多元醇中CO2的质量含量为10％～40％；所述CO2基聚碳酸酯醚多元醇的数均分子量为2000～4000。
进一步地，所述CO2基聚碳酸酯醚多元醇由二氧化碳与环氧化合物共聚得到，所述环氧化合物包括但不限于环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷、环氧戊烷、环氧环己烷。
进一步地，所述环氧化合物优选环氧乙烷或环氧丙烷。
进一步地，含芳香基改性的异氰酸酯包括但不限于4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、2,4-乙苯二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸；苯基的引入可提高基于CO2基聚碳酸酯醚多元醇制备的CO2基聚氨酯的韧性、强度等力学性能。
进一步地，所述含芳香基改性的异氰酸酯优选为4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯或对苯二异氰酸酯。
进一步地，所述助剂包括扩链剂，所述扩链剂为乙二醇、丙三醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,8-辛二醇、1,4-环己二醇、氢化双酚A中的一种或多种。
进一步地，所述扩链剂优选为乙二醇或丙三醇。
进一步地，步骤(1)中，所述CO2基聚氨酯的数均分子量为5万～10万。
CO2基聚氨酯分子链中CO2基聚碳酸酯醚多元醇形成的链段的含量过低，会不利于后续纺粘成纤过程中气流的有效牵伸，但若含量过高，则易使纺粘纤维在气流牵伸作用下无法均匀流动，造成双组分纤维结构差异大，因此本发明所述工艺中选用的CO2基聚氨酯，其分子链中由CO2基聚碳酸酯醚多元醇形成的链段的含量需控制在合适的范围内，例如65wt％-85wt％。
进一步地，CO2基聚氨酯对应的螺杆挤出装置内的温度为150～250℃，所述CO2基聚氨酯在200℃的熔融指数为50～500g/10min。
进一步地，聚乳酸对应的螺杆挤出装置内的温度为160～300℃，所述聚乳酸在200℃的熔融指数为20～100g/10min。
为保证可连续进料以及制备的纤维具有良好的均匀性、力学强度，需将各螺杆挤出装置内的温度控制在合适范围内；若相应挤出装置内的温度过高，物料在料斗处就已经熔融相互粘合，阻断连续进料；但若温度过低，则易导致进入双组分模头中的物料不完全熔融，从而影响双组分纤维对应层熔体的均匀性，进而影响纤维的表观形态及稳定性，降低双组分纤维的断裂强力。
现有技术中将不同材料直接混合并在相同温度下熔融挤出制备复合纤维，存在以下问题：由于不同材料的热力学特性不同，在同一温度下进行熔融处理，易出现高熔点组分熔融不均或低熔点组分稳定差等问题，进而影响纤维的力学性能；此外，将聚氨酯直接与聚乳酸混合，会改变聚乳酸分子链的结构，从而影响聚乳酸纺粘非织造材料的力学性能。本发明采用双螺杆挤出技术将两种组分分别在合适的温度范围内进行热熔融处理，并将相应的熔体分别挤入具有皮、芯层通道的模头中，以CO2基聚氨酯为皮层、聚乳酸为芯层的熔体，在侧吹风的作用下牵伸制备得到具有皮芯结构的纤维，有效的避免了现有技术存在的熔融不均、原材料物理性能变化大等问题。
进一步地，步骤(1)中，挤入皮层模头通道的熔体与挤入芯层模头通道的熔体的质量比为3:7～7:3。
皮、芯层熔体的质量需控制在合适的范围内，例如皮层与芯层的质量比为3:7～7:3，使具有皮芯结构的双组分熔体能够获得有效牵伸形成连续长丝，避免皮、芯层材料质量的不匹配，导致皮层或芯层牵伸不完全，从而降低纤维的力学强度。
进一步地，步骤(2)中，所述侧吹分气流的流动方向与双组分熔体的运动方向一致；所述侧吹风气流的风速为0.5～10m/s。
双组分熔体在牵伸过程中，皮层的聚氨酯、芯层的聚乳酸分别承受高、低倍的牵伸作用，使物理性质不同的材料能够获得适宜且均匀的牵伸，提高双组分纤维的力学性能和均匀度。
进一步地，步骤(2)中，所述连续长丝的直径为10～20μm；所述连续长丝为皮芯结构的双组分纤维，皮层的厚度为1～5μm，芯层的直径为8～14μm。
进一步地，步骤(2)中，所述热轧粘合的温度为160～220℃。
进一步地，所述制备方法还包括CO2基聚氨酯加入螺杆挤出装置前的预处理过程，所述预处理过程具体为：将CO2基聚氨酯置于60～100℃烘干处理3～10h。
CO2基聚氨酯在加入螺杆挤出装置进行熔融处理前，需先进行烘干处理以去除材料中的水分，但烘干温度不宜过高，烘干温度过高易导致CO2基聚氨酯颗粒软化、相互粘连，影响后续加工；但若烘干温度太低，则无法有效去除CO2基聚氨酯颗粒中的水分，易导致后续纺粘成纤工艺中纤维发生断裂，无法连续制备双组分纤维及纺粘非织造材，因此需将烘干处理的温度控制在合适的范围内，例如60～100℃。
本发明第二方面提供了一种由第一方面所述制备方法制备得到的双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料。
进一步地，所述双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的面密度为15～100g/m2。
本发明第三方面提供了一种第一方面所述双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料在卫生护理用品表面层材料方面的应用。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用可降解且具有良好力学性能的CO2基聚氨酯、聚乳酸为原料，并根据两种原料物理性质的差异利用双螺杆成型技术处理得到以高弹性CO2基聚氨酯为皮层、聚乳酸为芯层的双组分纤维，经过热轧粘合处理获得具有高弹性、高强度且柔软性良好的双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料。
2.本发明制备的一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料，其横向弹性回复率与纵向弹性回复率均大于45％，其中横向弹性回复率高达70％，横向强力均大于20N/5cm、纵向强力大于40N/5cm，且柔软度达到13cm以上，具有优良的力学性能、高柔软度、高蓬松性且可降解的纺粘非织造材料，满足卫生护理用品表面层材料的性能要求。
附图说明
图1为可降解弹性聚乳酸熔喷非织造材料制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
本实施例涉及一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备，相关工艺流程如图1所示，具体如下：
(1)原材料：
CO2基聚氨酯：数均分子量为～65000，由具有～25wt％CO2、数均分子量为～3500的聚碳酸酯醚多元醇(由环氧乙烷与CO2聚合得到)、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、乙二醇聚合得到；
聚乳酸：NatureWorks IngeoTM PLA 6260D。
(2)将CO2基聚氨酯置于70℃烘干处理8h，然后置于螺杆挤出装置A中，螺杆A的挤出温度为170℃；将聚乳酸置于螺杆挤出装置B中，螺杆B的挤出温度为190℃；将上述经螺杆高温熔融后的熔体挤出至计量泵中；
(3)以皮层、芯层熔体质量比1:1，将CO2基聚氨酯熔体挤入皮层模头通道、聚乳酸的熔体挤入芯层模头通道；
(4)熔体经由喷丝孔挤出形成具有皮芯结构的双组分熔体，在沿着熔体运动方向、风速为1m/s的侧吹风气流的冷却牵伸作用下，形成连续长丝并凝聚于成网帘上，再经过轧辊热轧加工处理后，形成双组分弹性聚乳酸纺粘非织造材料。
上述纺粘非织造材料中纤维的平均直径约为12μm，面密度为～25g/m2。
实施例2
本实施例涉及一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备，工艺流程如图1所示，具体如下：
(1)原材料：
CO2基聚氨酯：数均分子量为～70000，由具有～20wt％CO2、数均分子量为～3000的聚碳酸酯醚多元醇(由环氧乙烷与CO2聚合得到)、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、乙二醇聚合得到；
聚乳酸：NatureWorks IngeoTM PLA 6260D。
(2)将CO2基聚氨酯置于80℃烘干处理6h，然后置于螺杆挤出装置A中，螺杆A的挤出温度为180℃；将聚乳酸置于螺杆挤出装置B中，螺杆B的挤出温度为200℃；将上述经螺杆高温熔融后的熔体挤出至计量泵中；
(3)以皮层、芯层熔体质量比1:1，将CO2基聚氨酯熔体挤入皮层模头通道、聚乳酸的熔体挤入芯层模头通道；
(4)熔体经由喷丝孔挤出形成具有皮芯结构的双组分熔体，在沿着熔体运动方向、风速为2m/s的侧吹风气流的冷却牵伸作用下，形成连续长丝并凝聚于成网帘上，再经过轧辊热轧加工处理后，形成双组分弹性聚乳酸纺粘非织造材料。
上述纺粘非织造材料中纤维的平均直径约为10μm，面密度为～25g/m2。
实施例3
本实施例涉及一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备，工艺流程如图1所示，具体如下：
(1)原材料：
CO2基聚氨酯：数均分子量为～70000，由具有～25wt％CO2、数均分子量为～2500的聚碳酸酯醚多元醇(由环氧乙烷与CO2聚合得到)、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、乙二醇聚合得到；
聚乳酸：NatureWorks IngeoTM PLA 6260D。
(2)将CO2基聚氨酯置于90℃烘干处理5h，然后置于螺杆挤出装置A中，螺杆A的挤出温度为190℃；将聚乳酸置于螺杆挤出装置B中，螺杆B的挤出温度为210℃；将上述经螺杆高温熔融后的熔体挤出至计量泵中；
(3)以皮层、芯层熔体质量比1:1，将CO2基聚氨酯熔体挤入皮层模头通道、聚乳酸的熔体挤入芯层模头通道；
(4)熔体经由喷丝孔挤出形成具有皮芯结构的双组分熔体，在沿着熔体运动方向、风速为3m/s的侧吹风气流的冷却牵伸作用下，形成连续长丝并凝聚于成网帘上，再经过轧辊热轧加工处理后，形成双组分弹性聚乳酸纺粘非织造材料。
上述纺粘非织造材料中纤维的平均直径约为9μm，面密度为～25g/m2上。
对比例1
本对比例涉及一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备，工艺流程如图1所示，具体如下：
(1)原材料：
CO2基聚氨酯：数均分子量为～85000，由具有～25wt％CO2、数均分子量为～4500的聚碳酸酯醚多元醇(由环氧丁烷与CO2聚合得到)、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、乙二醇聚合得到；
聚乳酸：NatureWorks IngeoTM PLA 6260D。
(2)将CO2基聚氨酯置于螺杆挤出装置A中，螺杆A的挤出温度为150℃；将聚乳酸置于螺杆挤出装置B中，螺杆B的挤出温度为150℃；将上述经螺杆高温熔融后的熔体挤出至计量泵中；
(3)以皮层、芯层熔体质量比4:1，将CO2基聚氨酯熔体挤入皮层模头通道、聚乳酸的熔体挤入芯层模头通道；
(4)熔体经由喷丝孔挤出形成具有皮芯结构的双组分熔体，在沿着熔体运动方向、风速为1m/s的侧吹风气流的冷却牵伸作用下，形成连续长丝并凝聚于成网帘上，再经过轧辊热轧加工处理后，形成双组分弹性聚乳酸纺粘非织造材料。
上述纺粘非织造材料中纤维的平均直径约为18μm，纤维较短，面密度为～25g/m2。
对比例2
本实施例涉及一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备，工艺流程如图1所示，具体如下：
(1)原材料：
CO2基聚氨酯：数均分子量为～90000，由具有～25wt％CO2、数均分子量为～5500的聚碳酸酯醚多元醇(由环氧丁烷与CO2聚合得到)、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、乙二醇聚合得到；
聚乳酸：NatureWorks IngeoTM PLA 6260D。
(2)将CO2基聚氨酯置于90℃烘干处理5h，然后置于螺杆挤出装置A中，螺杆A的挤出温度为260℃；将聚乳酸置于螺杆挤出装置B中，螺杆B的挤出温度为260℃；将上述经螺杆高温熔融后的熔体挤出至计量泵中；
(3)以皮层、芯层熔体质量比1:4，将CO2基聚氨酯熔体挤入皮层模头通道、聚乳酸的熔体挤入芯层模头通道；
(4)熔体经由喷丝孔挤出形成具有皮芯结构的双组分熔体，在沿着熔体运动方向、风速为1m/s的侧吹风气流的冷却牵伸作用下，形成连续长丝并凝聚于成网帘上，再经过轧辊热轧加工处理后，形成双组分弹性聚乳酸纺粘非织造材料。
上述纺粘非织造材料中纤维的平均直径约为16μm，面密度为～25g/m2。
性能测试
对上述实施例及对比例制备的纺粘非织造材料的力学性能进行测试，其中试样的断裂强力及断裂伸长率根据标准FZ/T 60005-91中所述方法测定，柔软度根据标准GB/T18318-2001《纺织品织物弯曲长度的测定》中所述的方法测定，以及对测试样品沿着横向或纵向两次拉伸100％后测其弹性回复率。
测试结果如表1所示：
表1实施例及对比例制备的纺粘非织造材料的相关性能参数
样品 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
横向强力(N/5cm) 21.3 24.2 26.1 12.8 10.3
纵向强力(N/5cm) 40 45.5 49.2 25.2 23.5
横向弹性回复率 58.2％ 65％ 70％ 19.8％ 15.3％
纵向弹性回复率 45.6％ 50.8％ 54.6％ 15％ 13.2％
柔软度(cm) 13.8 14.2 14.6 9.5 8.2
由上表可知，本发明利用可降解的CO2基聚氨酯、聚乳酸为原料，通过双螺杆技术制备得到具有皮芯结构的纤维，再经过热轧制备得到纺粘非织造材料，经由适宜材料比例以及温度设置制备得到实施例1～3中的纺粘非织造材料，具有良好的力学强度，横向不低于20N/5cm，纵向不低于40N/5cm，且横向、纵向弹性回复率均高于45％，远优于由同一挤出温度处理原料制备的对比例1、2。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将CO2基聚氨酯、聚乳酸分别置于不同螺杆挤出装置中，经螺杆熔融后挤出至计量泵中，经不同流量计量调控将CO2基聚氨酯的熔体挤入皮层模头通道、将聚乳酸的熔体挤入芯层模头通道；所述CO2基聚氨酯由CO2基聚碳酸酯醚多元醇与含芳香基改性的异氰酸酯在助剂存在下反应得到，所述CO2基聚氨酯分子链中由CO2基聚碳酸酯醚多元醇形成的链段的含量为65wt％-85wt％；
(2)熔体经由喷丝孔挤出形成具有皮芯结构的双组分熔体，经侧吹风气流冷却牵伸后形成连续长丝凝聚于网帘，经轧辊热轧粘合、冷却后得到所述纺粘非织造材料；所述侧吹风气流的流动方向与双组分熔体的运动方向一致。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述CO2基聚碳酸酯醚多元醇中CO2的质量含量为10％～40％；所述CO2基聚碳酸酯醚多元醇的数均分子量为2000～4000。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述CO2基聚氨酯的数均分子量为5万～10万。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，CO2基聚氨酯对应的螺杆挤出装置内的温度为150～250℃，CO2基聚氨酯在200℃的熔融指数为50～500g/10min；聚乳酸对应的螺杆挤出装置内的温度为160～300℃，聚乳酸在200℃的熔融指数为20～100g/10min；挤入皮层模头通道的熔体与挤入芯层模头通道的熔体的质量比为3:7～7:3。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述侧吹风气流的风速为0.5～10m/s；所述热轧粘合的温度为160～220℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述连续长丝的直径为10～20μm；所述连续长丝为皮芯结构的双组分纤维，皮层的厚度为1～5μm，芯层的直径为8～14μm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括CO2基聚氨酯加入螺杆挤出装置前的预处理过程，所述预处理过程具体为：将CO2基聚氨酯置于60～100℃烘干处理3～10h。
8.一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料，其特征在于，所述双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料由权利要求1～7任一项所述制备方法制备得到。
9.根据权利要求8所述的一种双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料，其特征在于，所述双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料的面密度为15～100g/m2。
10.一种权利要求8或9所述的双组分可降解弹性聚乳酸纺粘非织造材料在卫生护理用品表面层材料方面的应用。
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