閃蒸紡納微米纖維非織造技術的研究進展

夏 磊， 程博聞， 西 鵬， 莊旭品， 趙義俠， 劉 亞， 康衛民， 任元林

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 天津科技大學 化學工程與材料科學學院，天津 300222； 3. 天津工業大學 材料科學與工程學院， 天津 300387)

納微米纖維是近年來研究的熱點，其在醫療衛生、環境工程、生物科技、軍事國防等領域表現出了廣闊的應用前景[1-2]。目前，納微米纖維的制備方法主要有靜電紡絲法[3]、超拉伸法[4]、模板法[5]、相分離法[6]、熔噴法[7]等，但這些生產方法都存在生產效率或產品強度較低的缺點，無法滿足大規模的應用需求，因此，開發一種規模化制備納微米纖維的方法迫在眉睫。

閃蒸紡納微米纖維成形技術是一種新型的紡絲技術，通過該方法所制備的纖維直徑為0.2～5 μm[8]， 所形成的納微米纖維再經鋪網固網后可制成非織造布，該技術生產的非織造布性能優異，具有廣泛應用，尤其適合用于醫衛防護、醫療包裝等領域。為此，本文對閃蒸紡絲技術的紡絲工藝、國內外研究現狀、閃蒸非織造布的特點和用途，及其在防護服方面的應用進行了系統闡述，并對閃蒸非織造布防護服研究的發展方向進行了預測。

1 閃蒸紡絲原料及其工藝

1.1 紡絲原料

閃蒸紡絲的原料主要包括成纖聚合物、主溶劑、副溶劑以及添加劑。為了利于聚合物的溶解，閃蒸紡絲過程中使用的聚合物一般是一些線性高分子聚合物，如聚乙烯、聚丙烯等，目前最常用的為高密度聚乙烯。閃蒸紡非織造布用聚合物雖然開發了幾種，但仍局限于烯烴類的聚合物，或為他們的共聚物，因此，有必要進一步開發替代烯烴類的聚合物進行閃蒸紡非織造布及其制品的生產，拓展其原料的廣度和產品的應用領域[9]。

閃蒸紡絲所用主溶劑沸點一般較低(低于100 ℃)， 其種類主要包括芳香烴(如苯、甲苯等)、鹵代烴(如二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、氯乙烷、三氯氟甲烷等)、脂肪烴(如丁烷、正己烷、戊烯、庚烷等)以及脂環烴(如環己烷、不飽和烴等)幾類，根據成纖聚合物的不同進行選擇或組合；閃蒸紡絲過程中副溶劑的主要作用是助溶、提高或降低紡絲溶液濁點壓力以及降低高聚物表面張力等，其主要種類包括烷烴、鹵代烴、環烷烴、醇類以及一些氣體。由于目前閃蒸非織造布紡絲所采用的溶劑大都為含鹵素的溶劑，會對自然環境和人類健康產生危害，因此，有必要開發新型溶劑，使聚烯烴類聚合物在較低的溫度、壓力下就可溶解，且該溶劑還要求具有較高的揮發速度。另外，目前所采用的一些新型閃蒸用溶劑雖然不會給臭氧層造成破壞，但卻給靜電分絲系統帶來麻煩，使電流減小，并且造成大量的塵埃，這不僅會造成靜電系統的癱瘓，還可進一步影響產品的質量，因此，開發新型的符合環保要求的閃蒸用溶劑成為今后該生產工藝的一大研究方向[10]。

閃蒸紡絲過程中通常需要加入少量的添加劑，主要作用是使閃蒸紡絲過程能夠順利進行或者是賦予產品某種特性，以滿足產品在某些領域的應用。常用的添加劑主要包括成核劑、抗氧化劑、穩定劑、染料、功能性材料等。

1.2 紡絲工藝

閃蒸紡絲設備示意圖如圖1所示。現有的閃蒸紡制備納微米纖維的生產工藝是將成纖聚合物在高溫(指溫度遠遠高于溶劑在常壓下的沸點)高壓下溶于適當的溶劑中形成紡絲溶液；然后將紡絲溶液在壓力下注入紡絲組件并從噴絲孔噴出，由于紡絲溶液在噴出后壓力突然降低，溶劑吸收大量熱量急劇蒸發并產生高速氣流，同時聚合物冷卻固化，并被氣流拉伸從而形成納微米纖維網[11-12]。紡絲過程的高速攝影照片如圖2(a)所示。紡絲過程形成的納微米纖維根與根之間通過連接點與其他纖維相連(如圖2(b)中纖維1通過連結點2與其他纖維相連)形成錯綜復雜的纖維網。該纖維網經分絲鋪網后固網，得到閃蒸納微米纖維非織造布。圖3示出經熱壓后制得的閃蒸非織造布電鏡照片。可看出，纖維直徑有所區別，所制備的非織造布中有一定的孔洞。

1—磁力攪拌; 2—冷卻水進口; 3—冷卻水出口; 4—壓力表; 5—高壓釜; 6—加熱控制器; 7—二氧化碳罐; 8—高壓閥門; 9—噴絲頭; 10—纖維絲束; 11—紡絲箱; 12—排風機; 13—接收裝置; 14—壓輥; 15—卷繞輥。圖1 閃蒸紡絲設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of flash spinning equipment

圖2 閃蒸紡絲過程及納微米纖維網結構Fig.2 Schematic diagram of flash spinning progress(a)and nano/micro-fiber network structure(b)

圖3 閃蒸非織造布的掃描電鏡照片(×600)Fig.3 SEM image of flash spinning nonwoven(×600)

溶劑的閃蒸過程一般是在一個紡絲箱體中進行，蒸發后溶劑蒸汽被排出并回收。但由于閃蒸紡絲所使用的溶劑一般沸點較低，飽和蒸氣壓較高，不易被完全吸附，且吸附量易受到濕度影響，因此，開發具有特種官能團并對紡絲溶劑具有較高吸附量的吸附材料，來進行溶劑的回收再利用也是科研人員努力的方向[13]。

2 閃蒸非織造技術的研究現狀

2.1 國外研究進展

閃蒸紡絲技術是美國杜邦公司于1963年率先開發出來的[14]，長期以來杜邦公司多次對閃蒸紡非織造布技術進行創新和改進，在溶劑選擇、聚合物選擇、提高非織造布阻隔性和通透性、提高非織造布均勻性等方面進行了研究。

閃蒸紡絲最開始使用的溶劑為三氯氟甲烷，但該溶劑對大氣臭氧層有害，所以早期關于溶劑的研究大都為了尋找三氯氟甲烷的替代品。但近期關于溶劑的研究不再是針對尋找三氯氟甲烷的替代品，而是為了改進聚合物的溶解性或改善纖維網和非織造布的性能。有研究采用質量分數為81%的二氯甲烷和19%的2,3-二氫十氟戊烷混合物作為紡絲溶劑進行閃蒸紡絲，可獲得同時具備高阻隔性和低透氣性纖維網片材[15]。其他研究所述溶劑由主溶劑和共溶劑組成，主溶劑選自二氯甲烷、順式-1,2-二氯乙烯和反式-1,2-二氯乙烯，共溶劑選自1H,6H-全氟乙烷、1H-全氟庚烷和1H-全氟己烷，該溶劑組合可溶解寬范圍的不同聚合物及其共混物進行閃蒸紡絲[16]。

在聚合物選擇方面，研究早期主要使用聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚氯乙烯、聚酯等進行紡絲，并對閃蒸紡絲制成的聚合物進行研究。有專利[17]公開了采用聚乙烯和聚丙烯共混物，或采用部分氟代共聚物(如聚偏二氯乙烯或乙烯/四氟乙烯共聚物與質量分數為12%～30%聚乙烯的共聚物)進行閃蒸紡絲的技術方案。Schmitz 等[18]公開了一種閃蒸紡絲成纖聚合物，包括質量分數為0%～95%的第1聚合物和質量分數為5%～100%的第2聚合物。第1聚合物選自聚對苯二甲酸乙二酯、聚乙烯；第2聚合物選自氟代烯烴基接枝后的聚對苯二甲酸乙二酯、全氟乙烯接枝后的聚乙烯等。對閃蒸紡絲所用聚合物的研究主要是為了提高或改變纖維的性能，使閃蒸非織造布滿足不同的使用需求。

在提高閃蒸非織造布產品性能方面，馬林等[19]采用正戊烷和環戊烷作為混合溶劑在205～220 ℃下對聚乙烯進行閃蒸紡絲，所制備的纖維叢絲具有更小的比表面積和更低的黏聚性，從而可提高所制備非織造布的透氣性。Weiberg等[20]公開了一種在紡絲過程中向紡絲溶液施加靜電的方法，使所制備的纖維網中具有相當數量的亞微米纖維，可改善非織造布產品的透氣透濕性能和阻隔性能。Amantroth[12]公開了一種纖維收集表面與紡絲頭之間距離動態變化的紡絲方法，從而使所形成的纖維網分布較為均勻。

2.2 國內研究進展

閃蒸紡非織造布因其技術含量高、產品性能好等特點，近年來也引起了國內學者的研究興趣。冷純廷等[21]早在1998年就對閃蒸非織造布的應用現狀和前景進行了分析，指出該產品有著巨大的潛在市場。文獻[22-24]都對閃蒸紡絲原理、工藝流程、產品性能進行了論述。闞泓等[25]分析了杜邦公司的相關專利，研究了閃蒸紡絲技術中溶劑選擇、聚合物選擇以及提高纖維網均勻性等技術手段的發展歷史及最新研究進展。廈門當盛新材料有限公司也在閃蒸紡絲設備、閃蒸紡絲技術、閃蒸非織造產品后整理等方面申請了相關專利[26-27]。眾多科研院校和企業都對閃蒸紡非織造布的工藝和理論進行了研究，盡管這些研究推動了閃蒸紡非織布的研究與開發，但均未能取得產業化生產。

（2）按照焊接技術及自動化專業典型工作崗位-鎢極氬弧焊焊工的所必需的知識、能力和素質要求來設定本課程的培養目標；

天津工業大學團隊對閃蒸紡絲工藝和應用進展進行了分析，并申請了閃蒸紡絲技術及設備專利，于2009年獲得授權[28]。長期以來，該研究團隊開展攻關研究，在閃蒸紡非織造布技術方面取得了很大進展。

1)設備研發。開發了獨特的單釜式紡絲設備，包括釜內異型攪拌槳及冷卻系統、高溫高壓放料系統、釜內可視系統、溶劑回收系統等，可對溶解和紡絲過程進行實時檢測和精確控制，并對紡絲過程中產生的溶劑蒸汽進行回收再利用[29]。

2)工藝開發。通過多次實驗，掌握了新型紡絲溶劑體系下多種成纖聚合物的最佳配方設計及紡絲工藝選擇，制備出了高密度聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯等多種納微米纖維及非織造布，并對閃蒸紡絲制備的納微米纖維及非織造布與其他常規方法制備出同類產品的性能進行了比較[30-31]。

3)理論研究。閃蒸紡絲工藝參數優化，對閃蒸紡絲涉及的諸多工藝參數進行篩選，得到對產品性能影響較大的幾個因素，并分析各因素對閃蒸紡絲過程影響的顯著性程度，確定出預測模型的回歸方程，擬合出了最佳工藝條件并進行驗證。噴嘴的優化設計，建立了閃蒸紡絲噴嘴的流場模型并進行數值模擬，得出了紡絲噴嘴內壓力和速度的分布云圖，為噴嘴形狀和尺寸的優化提供理論參考。閃蒸紡納微米纖維成形機制研究，通過建立閃蒸紡絲噴射流場，選擇合適的纖維模型分析了纖維在流場中的成形、受力及運動情況，并用高速攝像儀對納微米纖維的成形過程和運動規律進行了驗證[32-33]。

目前，天津工業大學聯合相關企業已建成了全套的中試試驗線，該試驗線包括溶解設備、紡絲設備、溶劑回收設備以及非織造布加工設備，既實現了閃蒸紡納微米纖維到非織造布生產的一體化，又可滿足環保的要求，降低了生產成本，相關研究工作仍在穩步推進中。

3 閃蒸非織造布的性能及其應用趨勢

3.1 閃蒸非織造布的性能

閃蒸非織造布獨特的工藝條件，使其具有其他非織造布無法比擬的優異性能[8]：強度較高，具有良好的抗刺穿和抗撕裂性能；阻隔性好，可有效過濾PM2.5等微小顆粒物；防水透氣性好，能將水氣迅速排出；由連續的纖維組成，表面光滑，裁剪加工時無線頭、不掉屑，尺寸穩定性好；具有良好的漫反射功能，因而具有較強的抗紫外線能力。

3.2 閃蒸非織造布的應用

3.3 閃蒸非織造布防護服發展趨勢

閃蒸非織造布防護服按產品性能及用途分為工業款及醫用款2種[34-35]。工業款防護服的防護性能是面料結構本身所固有特性，不需要再與薄膜或層壓材料復合(易擦破或磨損)，可為需要接觸有害物質的工作人員提供可靠有效的防護。適用于化工、噴漆、風力發電、農藥噴涂、機械維修等行業，如隔離細小粉塵，包括鉛粉塵、石棉粉塵和霉菌粉塵等。 閃蒸醫用款防護服為膠條型連體防護服，兼具連體防護服的防護性能與閃蒸非織造防護服特有的持久性和舒適性。可針對多種低濃度水基無機化學品、小粒徑有害顆粒和生物危害提供有效防護，在禽流感、SARS病毒及新型冠狀病毒的防護中使用尤為廣泛。

對于閃蒸非織造防護服的使用者來說，阻隔性、舒適性、強度、可選擇性是關注的幾個方面，目前閃蒸非織造布作為防護服面料仍存在較大發展空間[36]。1)提高強度。在防護服使用過程中，可能會被夾持導致破損；腋下等縫合處受外力破壞易裂開；被剪刀、針頭等尖銳器物刺破，這些都會使防護服喪失防護能力，使用人員會暴露在危險環境中。2)提高舒適性。對于在某些特殊場合使用的防護服而言，全封閉的環境使得穿著者發熱出汗，致使工作效率和質量下降。如醫生長時間在不透氣的極端防護水平下穿著防護服工作時，會出現身體不適；對防護服面料進行技術革新，開發新型閃蒸防護服面料，提高通透性和舒適性是閃蒸非織造防護服重點需要關注的方向。3)拓展防護服的種類。防護服的分類一般較少，尤其是醫療機構提供的一次性防護服品種極少，無法給醫護人員提供選擇的余地；開發多品種閃蒸非織造防護服，既能適應不同的使用要求，也可更有針對性地保護醫護人員的安全。4)降低成本。目前閃蒸技術被國外公司壟斷，導致防護服價格較高，國內亟需攻克難點技術，通過大規模國產化來降低成本。5)可重復使用。目前大部分防護服都是一次性使用，嚴重浪費資源，且污染環境，因此，開發可重復使用防護服也是未來一個重要的發展方向。

4 結束語

閃蒸紡非織造布因技術含量高，產品性能好而應用前景廣闊，該技術的研發可提升我國防護服行業的技術水平，為人民群眾的身體健康和生命安全提供有力保障。但由于與國外差距較大，國內對閃蒸技術的研究仍需繼續深入，可從以下3個方面入手。

1)基于閃蒸原理，對閃蒸紡絲設備進行系統研究和設計，探討溶劑在快速蒸發過程中對纖維成形的影響，并通過實驗研究來指導設備生產。

2)探索新型復配溶劑體系，采用不同聚合物進行閃蒸紡絲制備納微米纖維及非織造布，開發具有自主知識產權的生產工藝，拓展產品種類及應用領域。

3)在閃蒸紡絲領域開展精細的基礎研究工作，對閃蒸紡納微米纖維及非織造布涉及的多學科科學問題進行深入研究，為閃蒸紡絲工業化生產及產品應用奠定理論基礎。

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