苏州大学纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215021

熔喷非织造技术因其加工过程短、生产成本低而得到了快速发展，它的产品在许多领域都有应用，市场需求量相当大。我国坚持走可持续发展道路，对环境保护的重视程度越来越高。随着熔喷非织造技术和相关市场的日趋成熟，其原料的可降解性及其产品的可循环利用性越来越引起人们的关注。熔喷非织造技术以前使用的原料主要是聚丙烯，它属于不可再生资源，且不具备可生物降解性。因此，寻找可生物降解的熔喷原料成为近年来研究者和技术人员关注的热点。为了更高效、更便捷地生产熔喷非织造产品，对熔喷设备进行改进也是必要的。本文将介绍可生物降解的熔喷原料——聚乳酸在熔喷非织造布生产中的应用，平行板喷头和熔喷辅助喷嘴的研究进展，以及熔喷非织造布的新应用。

1 聚乳酸熔喷非织造布的制备及性能

1.1 聚乳酸材料的开发及熔喷非织造布的制备

聚丙烯因具有较好的流动性而成为熔喷非织造加工中经常使用的高分子材料。聚丙烯还具有很好的力学性能和耐化学性[1]2。目前，超过90%的熔喷非织造布都是用聚丙烯制成的。但聚丙烯来源于石油，属于不可再生资源，并且在自然环境中无法降解，其废弃物处置造成了诸多环境问题。为了保护环境和节约资源，满足人类对可降解绿色环保材料的迫切需求，必须寻找可生物降解的熔喷原料。聚乳酸具有可生物降解性和环境友好性，是一种新型的生态环保材料[2]。

Rungiah等[1]2-4通过研究发现聚乳酸与聚丙烯的力学性能差异很大，聚乳酸的流变特性使其不完全适用于熔喷加工过程。因此，与聚丙烯熔喷非织造布相比，聚乳酸熔喷非织造布的纤维较粗。Hammond等[3]采用Nature Works LLC公司的聚乳酸聚合物切片为原料，在适当的加工条件下制得了一系列直径在微纳米级的聚乳酸熔喷非织造布，如聚乳酸超细纤维非织造布、聚乳酸纳米纤维非织造布等，但是其生产效率比聚丙烯熔喷非织造布的生产效率低。试验结果表明：聚乳酸熔喷非织造布的结构、热性能和力学性能随着喷头类型、气流速度和喷头到收集装置的距离(即集网距离)的变化而变化。集网距离一定时，聚乳酸熔喷非织造布的拉伸模量和断裂强度随气流速度增加而提高；气流速度一定时，聚乳酸熔喷非织造布的拉伸模量和断裂强度随集网距离增加而下降。另外，聚乳酸超细纤维非织造布的平均孔隙在1.82～10.48 μm，聚乳酸纳米纤维非织造布的平均孔隙在452～818 nm，聚乳酸超细纤维比聚乳酸纳米纤维的结晶度更高。

1.2 双组分聚乳酸熔喷非织造布的复合工艺及性能

1.2.1 聚丙烯/聚乳酸复合

Rungiah等[1]3-7研究了聚丙烯/聚乳酸双组分熔喷非织造布的复合工艺及性能，他们将聚丙烯与可再生的聚乳酸复合，并分别比较了聚丙烯/聚乳酸双组分熔喷非织造布与聚丙烯和聚乳酸各自的单组分熔喷非织造布的结构性能，具体包括纤维的形态和直径，以及非织造布的渗透率、热收缩性和结晶度等。研究结果表明：首先，在纤维形成过程中，观察到了预期的纤维平行排列形态；其次，气流速度较高时，聚丙烯/聚乳酸双组分纤维直径比聚乳酸单组分纤维直径细，并且接近聚丙烯单组分纤维直径；第三，与聚丙烯和聚乳酸各自的单组分熔喷非织造布相比，聚丙烯/聚乳酸双组分熔喷非织造布的渗透率处于两种单组分熔喷非织造布之间；第四，与聚丙烯单组分熔喷非织造布相比，聚丙烯/聚乳酸双组分熔喷非织造布对热收缩的抵抗能力更强。此外，还观察到了在较低和较高气流速度下聚丙烯/聚乳酸双组分熔喷非织造布的形成过程。该研究表明，聚丙烯/聚乳酸双组分熔喷非织造布在高温下具有较强的热收缩性。

1.2.2 聚乳酸/电气石混纺

对纤维进行驻极处理，可以提高过滤器的粒子收集效率。由于静电作用，带电粒子可能被吸附在带电非织造布上。Walsh等[4]指出了不同分布的混纺纤维对过滤器的过滤效率有影响。在前人研究的基础上，Tian等[5]分析了聚乳酸熔喷非织造布的结构和性能，发现聚乳酸熔喷非织造布有较高的强度，但过滤能力较低，这限制了它在工业过滤和医疗领域的应用。

Yu等[6]264-268研究了电气石颗粒含量对聚乳酸纤维的结构及聚乳酸熔喷非织造布的形态、力学性能和过滤性能的影响。他们用常规熔喷方法将聚乳酸和电气石颗粒混纺制成聚乳酸/电气石熔喷非织造布，并利用微分扫描量热法(DSC)、广角X射线衍射法(WXRD)、扫描电子显微镜(SEM)和孔径测量仪(PSM)对其进行测试。试验结果表明：电气石颗粒的加入有利于改善聚乳酸熔喷非织造布的力学性能；聚乳酸/电气石混纺纤维的结晶度比单组分的聚乳酸纤维的结晶度高，聚乳酸/电气石熔喷非织造布中的纤维结晶度随着电气石颗粒含量的增加而增加；与单组分的聚乳酸熔喷非织造布相比，混有电气石颗粒的聚乳酸熔喷非织造布具有更大的孔径、较高的表面电荷密度和较高的过滤效率；随着电气石颗粒含量的增加，聚乳酸/电气石熔喷非织造布的过滤效率迅速增加，当电气石颗粒含量为3%(质量分数)时，聚乳酸/电气石熔喷非织造布的过滤效率可达到88.00%；SEM照片显示，聚乳酸/电气石熔喷非织造布中电气石颗粒的分散性基本良好，但当电气石颗粒含量为2%(质量分数)时，一些电气石颗粒会聚集在一起。

2 熔喷非织造设备的新发展

2.1 平行板喷头的研制

常规平行板喷头的基本组件包括带有机筒的单螺旋挤压机、混合器、齿轮泵、空气软管和常规平行板模具(其上有喷丝孔)等。块状的聚合物通过水平安装的单螺旋挤压机熔化和加压形成聚合物熔体，并经混合器混合，再通过齿轮泵，用两根空气软管把聚合物熔体按照设定的输出量输送给常规平行板模具。

Hassan等[7]2在常规平行板喷头的基础上研制了平行板喷头DT2，主要是在常规平行板模具上的每个喷丝孔两边各增加一个与喷丝孔平行的气流喷嘴，用于运输气流拉伸纤维；比较了常规平行板喷头和DT2在相同工艺条件下生产的纤维直径，结果显示DT2生产的纤维直径较大。这是因为在标准压力和温度条件下，常规平行板喷头的气流速度为1.05 m3/min[8]，而DT2的气流速度只有0.33 m3/min，这可能是连接到DT2上的空气软管数量有限造成的，也可能是DT2上喷丝孔周围的气流喷嘴数量有限造成的。

Hassan等[7]3-4又在DT2的基础上研制出DT4，其实物照片见图1。增加喷丝孔周围的气流喷嘴数量，将DT2上每个喷丝孔周围的气流喷嘴数量由两个增加到四个，并在DT2的常规平行板模具上钻一个孔，这样可以增加一个存储空气的进气室，再将两根空气软管连接到该进气室中，以增加气流量拉伸纤维。DT4的气流速度从DT2的0.33 m3/min提高至0.57 m3/min，气流速度加快使得纤维变细，在相同工艺条件下，DT4生产的纤维直径比DT2生产的纤维直径更细。图2和图3所示为DT2和DT4的喷丝孔和气流喷嘴设计，可见两者的喷丝孔与气流喷嘴安装在同一水平面上，后者的喷丝孔周围的气流喷嘴数量较多。

图1 DT4实物照片

图2 DT2喷丝孔和气流喷嘴设计

图3 DT4喷丝孔和气流喷嘴设计

DT4设计简单，其成本仅为常规平行板喷头的1/10。但是，在相同工艺条件下，常规平行板喷头生产的纤维比DT4生产的纤维细1/5～1/3，前者的过滤效率也更高[9]。这表明需对DT4做进一步改进。Hassan等[7]6-7讨论了一些改进方案，如减小DT4内部气流阻力、增加气流量、在喷丝板上开槽、倾斜气体通道及增加拉伸力等。

2.2 熔喷辅助喷嘴的使用

成园玲[10]在熔喷双槽形喷嘴下方加装了一个先缩后扩的辅助喷嘴，这有效地减小了纤维直径。此后，经过他人的一系列研究，熔喷辅助喷嘴有了新的进展。杨康[11]通过熔喷双槽形喷嘴和辅助喷嘴产生的主喷嘴气流流场和辅助喷嘴气流流场构成了一个组合气流流场，用熔喷双槽形喷嘴产生的主喷嘴气流流场形成了一个单一气流流场，建立了组合气流流场和单一气流流场的几何结构模型，模拟得到了组合气流流场和单一气流流场的温度分布和速度分布，并对比了两个流场的模拟结果，得出在组合气流流场中，通过辅助喷嘴可以延缓气流速度和温度的衰减速度，从而延长熔喷聚合物熔体的拉伸过程，产生的纤维直径比单一气流流场产生的纤维直径小；同时，采用拉格朗日法求解了熔喷聚合物拉伸二维模型。但研究发现，熔喷聚合物熔体刚进入辅助喷嘴区域时会撞击辅助喷嘴的壁面，造成喷嘴局部堵塞，使得生产无法正常进行。

孙红梅[12]分析了加装辅助喷嘴的熔喷气流流场中聚合物丝条的运动轨迹，在主喷嘴不变的情况下改造原辅助喷嘴[图4(a)]，得到了上宽下窄的新型辅助喷嘴[图4(b)]，利用二次旋转组合设计方法对新型辅助喷嘴的结构参数进行设计，优化了辅助喷嘴的入口宽度和出口宽度，发现入口宽度对最短到达时间的影响显著；采用拉格朗日法求解熔喷聚合物拉伸二维模型，得到了新型辅助喷嘴的气流流场中熔喷聚合物丝条小段在距离喷丝孔不同位置时的运动轨迹及纤维直径，并与原辅助喷嘴进行比较；新型辅助喷嘴的气流流场对熔喷聚合物丝条的拉伸效果比原辅助喷嘴稍有减弱，但熔喷聚合物丝条的摆动幅度明显减小，避免了熔喷聚合物丝条撞击辅助喷嘴内壁；新型辅助喷嘴制备的纤维直径略大于原辅助喷嘴制备的纤维直径，但前者也达到了超细纤维的要求。因此，新型辅助喷嘴的几何结构在保证纤维直径在要求范围内的同时，聚合物丝条运动轨迹并没有因为摆幅过大而撞击并黏着于辅助喷嘴内壁。

(a)原辅助喷嘴示意 (b)新型辅助喷嘴示意

3 熔喷非织造布的新应用

3.1 基于聚四氟乙烯微孔膜/熔喷非织造布的空气过滤材料

李猛[13]利用聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜和熔喷非织造布制备了可重复利用的室内空气净化器用过滤材料(简称“滤材”)，探讨了过滤层(PTFE微孔膜)、支撑层(熔喷非织造布)和热轧工艺对滤材性能的影响，结果表明聚酯/聚丙烯双组分熔喷非织造布比单组分聚丙烯熔喷非织造布更适合作为支撑层材料，前者与PTFE微孔膜复合制备的滤材可以在保持高过滤效率的同时具备低过滤阻力；还研究了PTFE微孔膜和聚酯/聚丙烯双组分熔喷非织造布的复合工艺，结果显示非织造热轧复合工艺更适用于PTFE微孔膜与低面密度聚酯/聚丙烯双组分熔喷非织造布复合，两者的结合牢度高，滤材结构稳定，当聚酯纤维与聚丙烯纤维的体积比为30 ∶70、热辊温度为150 ℃、线速度为8 m/min、辊间压力为180 N/cm2时，PTFE微孔膜/(聚酯/聚丙烯双组分熔喷非织造布)复合滤材的过滤效率可达99.95%，此时过滤阻力为350 Pa；与市售的室内空气净化器的高效滤材进行比较，发现PTFE微孔膜/(聚酯/聚丙烯双组分熔喷非织造布)复合滤材的过滤性能能够满足要求且具备高效、低阻、可清洁、再利用等特点。

3.2 锂离子电池隔膜

张春娥等[14]10-13将已经应用在铅酸电池中的聚丙烯熔喷非织造布隔膜(以下简称“熔喷工艺隔膜”)分别与市场上具有代表性的应用在锂离子电池中的干法工艺隔膜和湿法工艺隔膜进行对比，测试其相关性能，探究熔喷工艺隔膜应用于锂离子电池隔膜的可行性。结果表明熔喷工艺隔膜与干法工艺隔膜和湿法工艺隔膜具有相近的孔隙率，都在10%左右，但熔喷工艺隔膜的吸液率为292.53%，远高于干法工艺隔膜的134.47%和湿法工艺隔膜的128.22 %，且熔喷工艺隔膜在150 ℃条件下几乎无热收缩。另外，熔喷工艺隔膜的电化学性能低于干法工艺隔膜，但高于湿法工艺隔膜。由此说明熔喷工艺隔膜能够满足制备锂离子电池隔膜的材料要求，但需进一步改善熔喷工艺隔膜的厚度及面密度，使其具有更好的电化学性能[14]14。

3.3 吸水材料

聚丙烯具有质地轻、弹性好、强度高、不起球、耐酸耐碱、耐化学溶剂、抗微生物、无毒、不蛀、对人体皮肤无不良刺激、卫生性能好、阻燃、耐污、易洗涤清洁等优点。因此，当今绝大多数湿巾材料均选择聚丙烯作为原料。但是，未经处理的聚丙烯熔喷非织造布的亲水性较差，因为聚丙烯为大分子结构，且不含亲水性基团，结构致密，缺少微孔和缝隙。因此，需对聚丙烯熔喷非织造布进行亲水改性[6]270-271。

李健男等[15]对聚丙烯熔喷非织造布的常规制备工艺加以改进，在喷丝过程中，利用静电装置引入涤纶短纤维(其质量分数为25%～35%)并使其带上电荷；涤纶短纤维在静电场作用下产生运动，插入聚丙烯纤维之间，得到了新型熔喷非织造布，其形成V字形截面；测试了新型熔喷非织造布和单组分聚丙烯熔喷非织造布的外观形态、孔径及芯吸效应。试验结果显示，相较于单组分聚丙烯熔喷非织造布，新型熔喷非织造布的孔径大很多，分布较集中，质地比较蓬松。芯吸测试结果表明，两种非织造布最终的液面上升高度趋于一致，但新型熔喷非织造布的吸水率明显高于单组分聚丙烯熔喷非织造布，而且含水更多，也更保水，更适合用作吸水材料。

3.4 伤口敷料

越来越多的与伤口相关的疾病感染促进了新的抗菌敷料的发展。聚丙烯熔喷非织造布因具有良好的透气性、热稳定性和生物稳定性而广泛地用作伤口敷料。然而，接触生理环境时，聚丙烯熔喷非织造布表面的聚丙烯纤维的疏水性会引发血栓吸附和细菌附着。Hawkins等[16]通过引入防污涂料(如聚乙二醇、两性离子材料、甘油聚合物等)来防止细菌附着，但这些防污涂料不能杀死已经沉积在非织造布表面的细菌。Li等[17]利用多种杀菌剂(如抗生素、银离子、抗菌酶、抗菌肽等)来杀灭细菌，然而，耐药性和不良的生物相容性令人担忧；此外，死细菌可以作为细菌生长的营养物质。因此，Ding等[18]提出了抗菌和防污涂料两步策略，将一个具有反应性的聚多巴胺层附着在非织造布表面，然后通过带硫醇基的硫醇层与聚多巴胺层反应，这不仅消除了溶液中的细菌，而且抑制了非织造布表面具有良好血液相容性的细菌的污染。

Xin等[19]利用被动活性抗菌成分(即光接枝聚合-2- 吡咯-2- 吡咯酮和环氧丙烯酸甲酯单体)对聚丙烯熔喷非织造布进行改性，并通过活性氨基基团和环氧基团的反应引入胍基聚合物，采用接触角测量、抗菌试验、血小板和红血球黏附等方法，对所得聚丙烯熔喷非织造布的亲水性、抗菌性和血液相容性进行评价。结果表明，进行上述改性后，聚丙烯熔喷非织造布的抗菌性明显增强，同时能够显著抑制血小板和红细胞附着，其产品在伤口敷料领域具有较大的应用潜力。

4 结语

目前，熔喷非织造布的用量日益增加，其中大部分为用即弃产品，其环保性和可持续性越来越受关注。聚乳酸是以淀粉为原料，经过发酵、缩合、聚合等反应制成的环保型原料，它将在熔喷非织造技术中大有可为。平行板喷头还需要进一步改进，包括减少气流阻力、增加喷丝孔周围的气流喷嘴数量、用倾斜的气体通道来增强拉伸作用等，以生产出更细的纤维。在熔喷主喷嘴下方加装辅助喷嘴，也是减小纤维直径的途径之一。

今后的研究方向：

(1)简化聚乳酸合成的工艺流程，降低生产成本。

(2)采用多种方式对聚乳酸进行改性，适应聚乳酸熔喷非织造布工业化生产的需要。

(3)从平行板喷头或辅助喷嘴等途径入手，改进熔喷设备和工艺，进一步减小纤维直径，适应不同规格熔喷非织造布的生产要求。

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