CN110820196B - 一种聚乙烯醇无纺布的改性方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚乙烯醇无纺布的改性方法及应用。该方法通过如下工艺和方法实现的：未经改性的聚乙烯醇无纺布（1）进入预热区（2）使无纺布充分进行预热后；进入计量辊涂（3）进行双面辊涂改性剂；然后进入气浮干燥烘道（4）进行干燥；干燥后的无纺布进行压光（压花）辊（5）压光（压花）；最后进入双联冷却辊（6）冷却定型，收卷成成品（7）。涂覆所用改性剂，按重量份数计，包括如下组分：水100；聚乙烯醇5‑15；聚乙烯吡咯烷酮（PVP）1‑5；烷基糖苷0.5‑3；柔顺剂0.5‑1.5；甘油0.5‑1.0；脱氧乙酸钠0.05‑0.1。经以上工艺改性制备的无纺布能大幅改善其热封性能和强化机械物理性能。
Description
技术领域
本发明涉及纤维复合材料制备领域，具体涉及一种聚乙烯醇无纺布的改性方法及应用。
背景技术
聚乙烯醇(PVA)作为一种环境友好型材料，近年来在许多领域得到了快速发展和应用。聚乙烯醇(PVA)材料有着丰富的原料来源和较为成熟的生产工艺，尤其在纤维的生产和应用领域，以聚乙烯醇为主要原料而生产的维尼纶纤维，成熟的生产工艺都是采取湿法纺丝即水溶液纺丝法进行，而聚乙烯醇无纺布的制备则是在生产维尼纶前段工序中，聚乙烯醇(PVA)经湿纺凝固浴成型后的聚乙烯醇纤维，不继续经缩醛处理而直接用于生产聚乙烯醇无纺布，也是近年得到了快速发展和应用的领域。由于聚乙烯醇无纺布具有水溶性和环境友好的属性，在许多领域开始取代以塑料合成树脂为原料制造的无纺布，如制鞋、制革、床垫、子母被、装饰、化工、印刷、汽车、建材，家具等行业，及服装衬布，医疗卫生一次性手术衣，口罩，帽，床单，酒店一次性台布，美容，桑拿乃至当今时尚的礼品袋，精品袋，购物袋，广告袋等等。特别是一次性使用的应用领域，可以完全取代传统的塑料合成树脂无纺布，而使产品更具有环保性。
由聚乙烯醇纤维的制备技术和工艺可知，聚乙烯醇溶液经湿法纺丝，所得初生纤维在碱性凝固浴中凝固，经中和、水洗和多段高倍拉伸和热处理后成纤，得到具有优异机械性能的聚乙烯醇纤维，不但强度高，模量高，而且纤维的分散性也非常好。采用此纤维可生产出各种规格的聚乙烯醇无纺布。
众所周知，由于聚乙烯醇熔点高达220-230℃，而在受热条件下，聚乙烯醇于180℃就开始出现不稳定和分解，随着温度的继续上升不但分解加剧，而且伴随着交联产生；所以，纯的聚乙烯醇在一般情况下是不具有热塑性加工成型属性的，所以，目前条件下，纯的聚乙烯醇材料不可能像一般热塑性塑料聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、尼龙(PA)等一样通过其具有的热塑性实现熔融纺丝(Melt spinning)：即熔融挤出纺丝(Meltextruded fabric)、熔喷纺丝(Melt blown spinning)、和熔融纺粘(Melt spunbond)等方法来制备聚乙烯醇纤维和无纺布织物；就是经过湿法(溶液纺丝)纺丝的聚乙烯醇纤维也不具备热塑性，所以由湿法纺丝的聚乙烯醇纤维生产的聚乙烯醇无纺布也完全不具备热塑热封性能；这是聚乙烯醇纤维和无纺布最大的缺陷之一，即不能像其他常用的热塑性塑料合成树脂所制备的无纺布那样具有优良的热封性能，使其在应用领域受到一定的限制，如无纺布的后期制品加工：封边、封口、制袋等等，只能进行传统的人工缝合而不是由自动化热封制袋加工机械的工艺实现。这样就导致了加工效率低下、成本剧增；所以其主要应用领域仅受限于服装衬里、绣花等行业，规模和应用相当有限。
为了解决上述聚乙烯醇无纺布不具备热塑性的缺陷，近年来也有通过对聚乙烯醇无纺布成型后的后加工改性处理而获得热塑性，使之能适用于通过热封、超声波焊接等方法封边、封口、制袋等等性能，如专利CN108221386A、CN109295726A、CN109371681A等是通过对聚乙烯醇无纺布的第二次加工改性，即后期浸轧整理而获得热塑性；专利CN108729246A同样也是通过对成型后的聚乙烯醇无纺布进行第二次加工，即通过涂覆复合的方式获得聚乙烯醇无纺布的热封性能。但以上的方法均是需要二次加工的，无法直接获得改性聚乙烯醇纤维复合材料。
发明内容
本发明的目的在于针对现有材料和技术的不足，提供了一种聚乙烯醇无纺布的改性方法与应用。改性后的无纺布不但获得了原材料不具备的可热封性能，而且在机械物理性能方面也得到提高，使其应用领域大幅拓宽。
这种改性后的聚乙烯醇无纺布以产品形式出现时统称为聚乙烯醇无纺布材料(下同)；本发明制备的聚乙烯醇纤维无纺布适用于自动化机械制造各类超声波焊接封口、封边、制袋等各类产品。本发明是通过优化传统后期加工工艺和对复合材料聚乙烯醇进行相应改性而使聚乙烯醇无纺布获得热塑热封性能。
本发明提供的一种聚乙烯醇无纺布的改性方法，包括如下步骤：
将聚乙烯醇无纺布进入预热区进行预热处理，使无纺布充分进行预热，将预热后的聚乙烯醇无纺布导入计量辊筒装置中进行双面辊涂改性剂；然后导入气浮干燥烘道中进行干燥，得到干燥后的聚乙烯醇无纺布；将干燥后的聚乙烯醇无纺布进行压光辊压光或压花辊压花；最后进入双联冷却辊冷却定型，收卷成改性后的聚乙烯醇无纺布。
进一步地，所述预热区由三联(三对)加热辊组成，所述三联加热辊的温度为65/80/90℃；提高温度可以使物质的分子链舒展和疏松，充分预热后的无纺布可以使聚乙烯醇纤维分子间紧密的结构开始疏松和舒展，使接下来的辊涂改性(油)剂不但能充分湿润、渗透进入无纺布深层，还可以加快渗透进入聚乙烯醇纤维分子表层和里层，实现改性剂对无纺布的整体改性，而获得本发明所需要的技术目的和要求；此点可以通过实施例得到证实。所述预热后的无纺布的表面温度≥80℃。
进一步地，所述计量辊筒装置由双面辊涂辊、改性剂池组成；计量可以通过辊涂辊的凹版网纹深度进行调节；双面辊涂后改性剂进入聚乙烯醇无纺布的量为无纺布克重(GSM)的10-50％(改性剂的干净重计)。
进一步地，所述气浮干燥烘道分6区控温，所述气浮干燥烘道的温度为60/80/100/120/120/100℃；所述干燥后的聚乙烯醇无纺布含水率≤5％；所述压光辊或压花辊的温度为80-150℃；在此温度和压力下，可以进一步强化改性剂对聚乙烯纤维(分子)的渗透和深层改性，有利于整体纤维机械物理性能的提高。
进一步地，所述双联冷却辊的温度为25/20℃。所述双联冷却辊能够使无纺布冷却定型，有利于无纺布产品的尺寸稳定性。
进一步地，所述改性剂的制备，包括如下步骤：
将聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、烷基糖苷、柔顺剂、甘油、脱氧乙酸钠及水在带加热夹套的溶解容器中混合，然后在搅拌状态下升温进行加热溶解处理，降温至90℃进行恒温保温处理，冷却至室温，得到所述改性剂。
进一步地，所述改性剂，按重量份数计，包括如下组分：
进一步地，所述聚乙烯醇的醇解度为85％-99％；所述聚乙烯醇的聚合度为300-2600。其主要作用是与其他组份一起形成一种具有热封性的改性聚乙烯醇树脂和涂膜，并且与聚乙烯醇纤维表面和深层能相容成为一体，赋予聚乙烯醇无纺布均一的热封性能。所述聚乙烯醇的型号为PVA-0385、PVA-0585、PVA-1085、PVA-1385、PVA-1585、PVA-1785、PVA-2085、PVA-2285、PVA-2485、PVA-0395、PVA-0595、PVA-1095、PVA-1395、PVA-1595、PVA-1795、PVA-2095、PVA-2295、PVA-2495、PVA-2695、PVA-0388、PVA-0588、PVA-1088、PVA-1388、PVA-1588、PVA-1788、PVA-2088、PVA-2288、PVA-2488、PVA-0399、PVA-0599、PVA-1099、PVA-1399、PVA-1599、PVA-1799、PVA-2099、PVA-2299及PVA-2499等中的一种以上。
进一步地，所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为工业级、食品级或医药级；所述聚乙烯吡咯烷酮为巴斯夫公司或美国ISP公司生产的PVP-K-12、PVP-K-15、PVP-K-17、PVP-K-30及PVP-K-60等中的一种；
进一步地，所述烷基糖苷为上海发凯化工有限公司或石家庄金莫尔化学品有限公司生产的APG0810、APG1214、APG0814、APG0816及APG1216等中的一种。所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一种有较强粘结性能的水溶性树脂，不但具有优异的水溶性和相容性，同时具有较强的络合力，所以有很强的增溶和粘结力，而且水溶粘度很低；这种低粘度属性可以帮助改性剂对无纺布深层进行渗透和粘结，从而使改性的无纺布整体性能得到均匀和提高。所述烷基糖苷是指由葡萄糖和脂肪醇合成的烷基糖苷(Alkyl Polyglycoside.简称APG)，复杂糖苷化合物中糖单元大于等于2的糖苷，统称为烷基多糖苷(或烷基多苷)；属于一种表面活性剂，具有优异的湿润性和渗透性，广谱的抗菌活性、和可完全生物降解属性；在本发明中除了作为改性剂的湿润和渗透剂外，还因其较强的增溶性能被作为聚乙烯醇的增塑剂使用，具有明显、稳定、无析出的增塑效果。
进一步地，所述柔顺剂为聚醚改性硅氧烷；所述柔顺剂是一种共聚而成的性能独特的有机硅非离子表面活性剂；其柔软特性及抗静电性能用被广泛用作织物的后整理剂、柔软剂，可赋予织物亲水性、吸汗性及防静电性。
进一步地，所述柔顺剂为青岛中宝硅材料科技有限公司生产的204水溶性硅油CGF、204水溶性硅油TS-19中的一种；所述甘油为工业级；所述甘油的作用是具有吸湿和保湿性能，使改性后的无纺布手感更舒适。
进一步地，所述的脱氧乙酸钠为食品级的防霉剂；所述水为工业纯净水。
进一步地，所述加热溶解处理的温度为95-98℃，加热溶解处理的时间为1-2小时；所述恒温保温处理的时间为1小时。
本发明所述的搅拌均是为了使原料之间充分混合，不用限制搅拌速度。本发明中未指明温度的均指室温，本发明所述的室温是指23℃。
进一步地，按照干重计，双面辊涂后改性剂进入聚乙烯醇无纺布的量为所述聚乙烯醇无纺布的克重GSM的10-50％。
本发明提供一种由上述的改性方法制得的改性后的聚乙烯醇无纺布，其克重GMS为10-100克/m2。
本发明提供的改性后的聚乙烯醇无纺布应用在自动化机械制造各类热封、超声波焊接封口、封边、制袋的各类产品中。
本发明提供的聚乙烯醇无纺布的改性方法，适用于由热轧法、针刺法、水刺法、造纸法、气流成网法等任意工艺生产的不具备热封性能的无纺布。
本发明针对现有的聚乙烯醇无纺布的缺陷，通过改性剂和加工工艺对聚乙烯醇(无纺布)纤维进行后处理，从而实现聚乙烯醇无纺布的可热封性，使其能像传统的热塑性塑料合成树脂无纺布那样可以在自动化热封加工机械的工艺上实现封边、封口、制袋等二次加工制品，从而大幅提高其加工效率，降低成本；大幅拓宽其应用领域。
本发明制备的改性聚乙烯醇无纺布的应用领域：可涵盖和替代传统的无纺布及纺织布料所制备的工业、民用制品领域，包括制鞋、制革、床垫、子母被、装饰、化工、印刷、汽车、建材及家具等行业等；如无纺布和纺织布料用于制造的服装衬布、医疗卫生一次性手术衣、口罩、帽、床单、酒店一次性台布、美容桑拿乃至当今时尚的礼品袋、精品袋、购物袋及广告袋等，特别是一次性使用的制品领域，各类购物袋、快消品包装领域、外卖包装等，改性聚乙烯醇无纺布可以完全涵盖和替代这些传统的塑料合成树脂无纺布和纺织布应用领域，而使产品更具有环保性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明制备的改性聚乙烯醇无纺布，具备优异的热封性能，具备了二次加工的热封性能，利于实现自动化机械的封边、封口和连续制袋等工艺，从而大幅提高制品加工的效率和降低成本；
(2)本发明制备的改性聚乙烯醇无纺布，其纤维结点更牢固，从而使其机械性能得到进一步提高；
(3)本发明制备的改性聚乙烯醇无纺布，使改性聚乙烯醇无纺布的断裂伸长率得到提高，从而使改性聚乙烯醇无纺布更柔软更舒适和手感更好；
(4)与传统工艺生产的聚乙烯醇无纺布对比，本发明制备的改性聚乙烯醇无纺布，具有更均匀、更平整的特征，更适合自动化的机械高速制备各类制品；
(5)经本发明制备的改性聚乙烯醇无纺布，其水溶性温度得到降低，由原来需要≥95℃高温水溶的纤维，能实现80-95℃在水中溶解。
附图说明
图1为实施例中适用于改性聚乙烯醇无纺布的加工装置图；
其中1为待改性加工的聚乙烯醇无纺布；2为预热区；3为计量辊涂涂覆模块；4为气浮干燥烘道；5为压光(压花)装置；6为双联冷却辊；7为改性后的聚乙烯醇无纺布。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
以下实施例及对比例所用到的重量(质量)份数，作为举例，重量单位可以为克、千克等，也可以是本领域常用的任意其他用量。
以下实施例中，所使用的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)由巴斯夫公司、美国ISP等生产的食品级或医药级的PVP-K-12、PVP-K-15、PVP-K-17、PVP-K-30、PVP-K-60中的一种；所使用的烷基糖苷由上海发凯化工有限公司、石家庄金莫尔化学品有限公司生产的APG0810、APG1214、APG0814、APG0816、APG1216中的一种；所使用的柔顺剂由青岛中宝硅材料科技有限公司生产的204水溶性硅油CGF、TS-19中的一种。
所述的搅拌均是为了使原料之间充分的混合，因此可不用限制搅拌速度；
本发明中未指明温度的均指室温，本发明所述的室温是指23℃。
以下实施例中，所述的改性工艺和方法按图1(装置)工艺和步骤进行，其工艺条件控制也按上述描述进行。
实施例1
聚乙烯醇无纺布的改性方法按图1所述工艺和方法进行：
未经改性的聚乙烯醇无纺布1进入预热区2使无纺布充分进行预热；经预热好的无纺布进入计量辊筒装置3进行双面辊涂覆改性剂；然后进入气浮干燥烘道4进行干燥；干燥后的无纺布在压光(压花)装置5中进行压光(压花)辊压光(压花)；最后进入双联冷却辊6冷却定型，收卷得到改性后的聚乙烯醇无纺布7。
改性工艺中的预热区：包括三(对)联预热辊；计量辊筒装置包括改性剂料槽、凹版计量涂覆辊。
实施例1中，预热区2的三联(对)加热辊温度分别控制为65/80/90℃；气浮干燥烘道4分6区控温：60/80/100/120/120/100℃进行干燥；二(对)联冷却辊温度控制为25/20℃。(下同，不重复叙述)
实施例1中，待改性加工的聚乙烯醇无纺布1的克重(GSM)为：10克/m2；涂覆用改性剂量为1克/m2；改性后无纺布含水率为3.20％；压光(压花)辊温度为80℃。
计量辊涂涂覆模块3进行辊筒涂覆中使用改性剂的制备，按重量份数计，包括如下组分：
上述各组份分别计量后，加入带加热夹套的溶解容器中，搅拌下升温至95℃混合溶解1小时后，降温至90℃恒温保温1小时，然后降温室温下出料备用。即为本发明所述的改性用聚乙烯醇无纺布的改性剂。
上述实施例1制备的改性聚乙烯醇无纺布技术指标如表1所示。
表1
注：空白样为同等GSM的无改性聚乙烯醇无纺布，对比例1为同等GSM的无改性聚乙烯醇无纺布不经过预热而直接进行涂覆改性后的无纺布。下同。
由以上数据可知，实施例1制备的改性聚乙烯醇无纺布，不但机械力学性能优于空白样和对比例1样品，而且具有更低的水溶温度。相同时间条件下，实施例1在80℃水温下可以完全溶解；空白样和对比例1则需95℃和83℃水温才可以实现完全溶解。
实施例2
聚乙烯醇无纺布的改性方法按图1所述工艺和方法进行。
实施例2中，待改性加工的聚乙烯醇无纺布1的克重(GSM)为：100克/m2；涂覆用改性剂量为30克/m2；改性后无纺布含水率为4.66％；压光(压花)辊温度为150℃。
计量辊涂涂覆模块3进行辊筒涂覆中使用改性剂的制备，按重量份数计，包括如下组分：
上述各组份分别计量后，加入带加热夹套的溶解容器中，搅拌下升温至98℃混合溶解2小时后，降温至90℃恒温保温1小时，然后降温室温下出料备用。即为本发明所述的改性用聚乙烯醇无纺布的改性剂。
上述实施例2制备的改性聚乙烯醇无纺布技术指标如表2所示。
表2
由实施例2实验数据对比可知，实施例2制备的改性聚乙烯醇无纺布，不但机械力学性能优于空白样和对比例2样品，而且具有更低的水溶温度。相同时间条件下，实施例2在92℃水温下可以完全溶解；空白样和对比例2则需95℃和94℃水温才可以实现完全溶解。
实施例3
聚乙烯醇无纺布的改性方法按图1所述工艺和方法进行。
实施例3中，待改性加工的聚乙烯醇无纺布1的克重(GSM)为：20克/m2；涂覆用改性剂量为10克/m2；改性后无纺布含水率为3.01％；压光(压花)辊温度为100℃。
计量辊涂涂覆模块3进行辊筒涂覆中使用改性剂的制备，按重量份数计，包括如下组分：
上述各组份分别计量后，加入带加热夹套的溶解容器中，搅拌下升温至96℃混合溶解1.5小时后，降温至90℃恒温保温1小时，然后降温室温下出料备用。即为本发明所述的改性用聚乙烯醇无纺布的改性剂。
上述实施例3制备的改性聚乙烯醇无纺布技术指标如表3所示。
表3
由实施例中的实验数据对比可知，实施例3制备的改性聚乙烯醇无纺布，不但机械力学性能优于空白样和对比例3样品，而且具有更低的水溶温度。相同时间条件下，实施例3在86℃水温下可以完全溶解；空白样和对比例3则需95℃和90℃水温才可以实现完全溶解。
实施例4
聚乙烯醇无纺布的改性方法按图1所述工艺和方法进行。
实施例4中，待改性加工的聚乙烯醇无纺布1的克重(GSM)为：50克/m2；涂覆用改性剂量为7.5克/m2；改性后无纺布含水率为3.75％；压光(压花)辊温度为120℃。
计量辊涂涂覆模块3进行辊筒涂覆中使用改性剂的制备，按重量份数计，包括如下组分：
上述各组份分别计量后，加入带加热夹套的溶解容器中，搅拌下升温至97℃混合溶解2小时后，降温至90℃恒温保温1小时，然后降温室温下出料备用。即为本发明所述的改性用聚乙烯醇无纺布的改性剂。
上述实施例4制备的改性聚乙烯醇无纺布技术指标如表4所示。
表4
由实施例中的实验数据对比可知，实施例4制备的改性聚乙烯醇无纺布，不但机械力学性能优于空白样和对比例4样品，而且具有更低的水溶温度。相同时间条件下，实施例4在90℃水温下可以完全溶解；空白样和对比例4则需95℃和92℃水温才可以实现完全溶解。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种聚乙烯醇无纺布的改性方法，其特征在于，包括如下步骤：
将未经改性的聚乙烯醇无纺布进入预热区进行预热处理，将预热后的聚乙烯醇无纺布导入计量辊筒装置中进行双面辊涂改性剂；然后导入气浮干燥烘道中进行干燥，得到干燥后的聚乙烯醇无纺布；将干燥后的聚乙烯醇无纺布进行压光辊压光或压花辊压花；最后进入双联冷却辊冷却定型，收卷成改性后的聚乙烯醇无纺布；所述预热区由三联加热辊组成，所述三联加热辊的温度为65/80/90℃；所述气浮干燥烘道分6区控温，所述气浮干燥烘道的温度为60/80/100/120/120/100℃；所述干燥后的聚乙烯醇无纺布含水率≤5％；所述压光辊或压花辊的温度为80-150℃；所述双联冷却辊的温度为25/20℃；所述改性剂的制备，包括如下步骤：
将聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、烷基糖苷、柔顺剂、甘油、脱氧乙酸钠及水混合，然后在搅拌状态下升温进行加热溶解处理，降温至90℃进行保温处理，冷却至室温，得到所述改性剂；所述改性剂，按重量份数计，包括如下组分：
2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇无纺布的改性方法，其特征在于，所述聚乙烯醇的醇解度为85％-99％；所述聚乙烯醇的聚合度为300-2600；所述聚乙烯吡咯烷酮为工业级、食品级或医药级；所述聚乙烯吡咯烷酮为巴斯夫公司或美国ISP公司生产的PVP-K-12、PVP-K-15、PVP-K-17、PVP-K-30及PVP-K-60中的一种；所述烷基糖苷为上海发凯化工有限公司或石家庄金莫尔化学品有限公司生产的APG0810、APG1214、APG0814、APG0816及APG1216中的一种。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯醇无纺布的改性方法，其特征在于，所述柔顺剂为聚醚改性硅氧烷；所述柔顺剂为青岛中宝硅材料科技有限公司生产的204水溶性硅油CGF、204水溶性硅油TS-19中的一种；所述甘油为工业级；所述的脱氧乙酸钠为食品级的防霉剂；所述水为工业纯净水。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯醇无纺布的改性方法，其特征在于，所述加热溶解处理的温度为95-98℃，加热溶解处理的时间为1-2小时；所述保温处理的时间为1小时。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯醇无纺布的改性方法，其特征在于，所述聚乙烯醇无纺布的克重GSM为10-100克/m2；按照干重计，双面辊涂后改性剂进入聚乙烯醇无纺布的量为所述聚乙烯醇无纺布的克重GSM的10-50％。
6.一种由权利要求1-5任一项所述的改性方法制得的改性后的聚乙烯醇无纺布。
7.权利要求6所述的改性后的聚乙烯醇无纺布在自动化机械制造各类超声波焊接封口、封边、制袋的各类产品中的应用。
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