一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料及其制备方法与应用 |
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申请号 | CN202311486919.1 | 申请日 | 2023-11-09 | 公开(公告)号 | CN117681530A | 公开(公告)日 | 2024-03-12 |
申请人 | 华南理工大学; | 发明人 | 杨飞; 高琪雅; 文存远; 冯郁成; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种完全可 生物 降解 防倒流定向 水 传输 复合材料 及其制备方法与应用。该制备方法包括如下步骤:(1)将亲水改性剂加入到打浆度为18°SR~55°SR的 植物 纤维 纸浆中,作为亲水层原料;将打浆度为18°SR~55°SR的植物纤维纸浆与聚乳酸混合均匀,作为转移层原料;然后采用造纸机一次抄造成纸,纸页上层为亲水层,下层为转移层;(2)将纸张的转移层与作为疏水层的聚乳酸 无纺布 复合在一起,经 压榨 得到完全 可生物降解 防倒流定向水传输复合材料。本发明中转移层的设置赋予了材料优异的防倒流性能和单向运输性能,可用于防水面料等方面。 | ||||||
权利要求 | 1.一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤: |
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说明书全文 | 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料及其制备方法与应用 技术领域背景技术[0002] 在炎热的气候里,衣物所具有的吸湿排汗功能能够带给人舒适、清爽的体验。采用吸湿技术的功能性纺织品可以通过将液态水(如汗液)和水蒸气从人体输送到环境中,在湿热环境中提供快速干燥效果,从而产生舒适的体验感。随着人类工业活动和环境破坏造成的温室效应的加剧,衣物的快速干燥性能的需求日益增长,这促使研究人员不断致力于改善纺织品的吸湿性能。如今市面上的材料能提供不同水平的吸湿能力,但是其水分传输是双向的,没有防止水的反向渗透,这意味着在水分转移过程中,纺织品的内侧仍然会被湿润并附着在身体上。因而需要研发具有定向水输送(DWT)性能的功能性织物。 [0003] 与具有均匀润湿性的材料不同,具有单向输送性能的材料是基于润湿性梯度的构建才得以体现单向性。润湿性梯度是液体在材料两侧进行自发运动的驱动力,驱动力源于三个方面:首先是疏液层的驱动作用,从疏液层到亲液层的突破压力远低于相反方向;其次是亲液层的毛细作用力,对从疏液层到亲液层的液体有推拉诱导效应;最后是弯曲液面产生的压力差。因而液滴的重力和润湿性梯度产生的驱动力能将液体从疏液层拖拽到亲液层孔隙段,亲液孔再将液体拉向亲液层,导致液体的定向转移,而在不施加外力的条件下无法向反方向运动。因此,开发一种新的定向导水材料具有很好的应用前景。 发明内容[0004] 本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法。 [0005] 本发明的另一目的在于提供所述方法制备得到的完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料。 [0006] 本发明的再一目的在于提供所述完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的应用。 [0007] 本发明的目的通过下述技术方案实现: [0008] 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法,包括如下步骤: [0009] (1)将亲水改性剂加入到打浆度为18°SR~55°SR的植物纤维纸浆中,搅拌混合均匀,作为亲水层原料;将打浆度为18°SR~55°SR的植物纤维纸浆与聚乳酸混合均匀,作为转移层原料;然后采用造纸机一次抄造成纸,纸页上层为亲水层,下层为转移层,获得抄造的纸张; [0011] 步骤(1)中所述的亲水改性剂为瓜尔胶和羧甲基纤维素中的至少一种;优选为瓜尔胶;使用时,可先将亲水改性剂用水稀释成质量百分比0.5~3%(优选为0.8~1.2%)的水溶液,然后再加入到植物纤维纸浆中。 [0012] 步骤(1)中所述的亲水改性剂的用量为占植物纤维纸浆质量(绝干)的0.1~8%;优选为占植物纤维纸浆质量(绝干)的1.2~1.6%。 [0013] 步骤(1)中所述的植物纤维纸浆为针叶木、阔叶木、竹子或其它种类植物纤维漂白浆料,或针叶木、阔叶木、竹子或其它种类植物纤维未漂白浆料;优选为漂白针叶木浆、未漂白针叶木浆、漂白阔叶木浆、未漂白阔叶木浆、漂白竹浆和未漂白竹浆中的至少一种;更优选为漂白针叶木纸浆、未漂针叶木浆和漂白竹浆中的至少一种。 [0014] 步骤(1)中所述的植物纤维纸浆的打浆度优选为28°SR~42°SR。 [0015] 步骤(1)中所述的搅拌的时间为20~30分钟;优选为20分钟。 [0016] 步骤(1)中所述的聚乳酸为聚乳酸短切纤维和聚乳酸颗粒中的至少一种;优选为平均长度为0.5mm~8mm的聚乳酸短切纤维和粒径为100目~1800目的聚乳酸颗粒中的至少一种;更优选为平均长度为5mm的聚乳酸短切纤维和粒径为800目的聚乳酸颗粒中的至少一种。 [0017] 步骤(1)中所述的植物纤维纸浆与聚乳酸的质量比为(4:6)~(9:1);优选为(5:5)~(7:3)。 [0018] 步骤(1)中所述的造纸机为双层长网布置造纸机或圆网造纸机。 [0019] 步骤(2)中所述的复合压榨的条件为:温度30~100℃,线压力5~100kN/m;优选为:温度30~50℃,线压力10~20kN/m。 [0020] 步骤(2)中所述的完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料中的亲水层定量为2 2 2 2 20~120g/m (优选为50~70g/m),转移层定量为10~120g/m (优选为50~60g/m),聚乳酸 2 2 无纺布的定量为15~200g/m(优选为50~70g/m)。 [0021] 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料,通过上述任一项所述的方法制备得到。 [0022] 所述的完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料在制备防水面料或具有防水功能的衣物(衣服)中的应用。 [0023] 所述的具有防水功能的衣物包括贴身衣物或运功速干衣等。 [0024] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果: [0025] 1、本发明以添加亲水改性剂的植物纤维纸浆作为亲水层,植物纤维纸浆与聚乳酸的复合层作为转移层,采用传统造纸法一次抄造成纸,纸页上层为亲水层,下层为转移层;然后将抄造的纸张与作为疏水层的聚乳酸无纺布复合在一起,并经过复合压榨,得到一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料,即本发明为增大亲液层到疏液层的突破压力,在亲水层和疏水层中间增加了转移层,提高了材料的防水分倒流的能力。 [0026] 2、本发明利用植物纤维和聚乳酸不同的润湿特性,来产生润湿梯度,设计的三层结构,即植物纤维层作为亲水层(上层)、植物纤维与聚乳酸复合层为转移层(中间层)、聚乳酸无纺布为疏水层(底层),转移层的设置赋予了材料优异的防倒流性能和单向运输性能。 [0027] 3、本发明所采用的原材料(植物纤维和聚乳酸)和辅料具备完全可生物降解性能,所制备的定向水分传输材料具备完全可生物降解性能,且聚乳酸具有良好的生物相容性,而植物纤维因其含有丰富的氢键,可以大量吸附水分子,有良好的吸水性,因此,将植物纤维和聚乳酸这两种材料应用于Janus膜技术中,能很好地利用两者的特点制备出新型三层结构定向水传输膜。 [0029] 图1为实施例3制备的定向水传输复合材料的原始测试数据结果图。 [0030] 图2为实施例1~5制备的定向水传输复合材料的定向水传输时间结果图。 [0031] 图3为实施例5制备的定向水传输复合材料的实物图。 具体实施方式[0032] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。除非特别说明,本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。下列实施例中未注明具体实验条件的试验方法,通常按照常规实验条件。除非特别说明,本发明所用试剂和原材料均可通过市售获得。 [0033] 本发明实施例和对比例中涉及的漂白针叶木浆为石头牌,购买于SMURFIT‑STONE Contanier有限公司;未漂针叶木浆购买于山东太阳纸业有限公司;漂白竹浆购买于四川永丰纸业股份有限公司。 [0034] 本发明实施例和对比例中涉及的聚乳酸包括聚乳酸纤维和聚乳酸颗粒,其中聚乳酸纤维(聚乳酸短切纤维)的平均长度为0.5mm~8mm;聚乳酸颗粒粒径为100目~1800目,均购买于浙江海宁赛优普化工科技有限公司。 [0036] 实施例1 [0037] 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法,包括如下步骤: [0038] (1)将漂白针叶木浆打浆至28°SR,备用; [0039] (2)将瓜尔胶配制成浓度为质量百分比0.8%的水溶液(溶剂为去离子水,下同),备用; [0040] (3)将步骤(2)中配制的瓜尔胶溶液添加到步骤(1)中制备的打浆度为28°SR的漂白针叶木浆中,用量为1.2wt%(瓜尔胶与打浆度为28°SR的漂白针叶木浆的绝干质量比),并搅拌20分钟,作为亲水层原料,备用; [0041] (4)将步骤(1)中制备的打浆度为28°SR的漂白针叶木浆与聚乳酸纤维按照漂白针叶木浆:聚乳酸纤维=5:5(绝干质量比)的比例混合均匀,聚乳酸纤维平均长度5mm,作为转移层原料,备用; [0042] (5)采用双层长网布置造纸机或圆网造纸机一次抄造成纸,纸页为双层结构;其中2 纸页上层为亲水层,浆料为步骤(3)中制备的亲水层原料,亲水层定量为50g/m ;下层为转 2 移层,浆料为步骤(4)中配制的转移层原料,转移层定量为50g/m;经过成形、压榨、干燥、卷曲后备用; [0043] (6)聚乳酸无纺布作为疏水层,疏水层定量为50g/m2,将步骤(5)中抄造的成纸与作为疏水层的聚乳酸无纺布复合,聚乳酸无纺布与步骤(5)中的成纸的转移层贴合,之后对复合材料进行压榨,压榨的温度为30℃,线压力为10kN/m。 [0044] 实施例2 [0045] 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法,包括如下步骤: [0046] (1)将漂白针叶木浆打浆至34°SR,备用; [0047] (2)将瓜尔胶配制成浓度为质量百分比1.0%的水溶液,备用; [0048] (3)将步骤(2)中配制的瓜尔胶溶液添加到步骤(1)中制备的打浆度为34°SR的漂白针叶木浆中,用量为1.4wt%(瓜尔胶与打浆度为28°SR的漂白针叶木浆的绝干质量比),并搅拌20分钟,作为亲水层原料,备用; [0049] (4)将步骤(1)中制备的打浆度为34°SR的漂白针叶木浆与聚乳酸纤维按照漂白针叶木浆:聚乳酸纤维=6:4(绝干质量比)的比例混合均匀,聚乳酸纤维平均长度5mm,作为转移层原料,备用; [0050] (5)采用双层长网布置造纸机或圆网造纸机一次抄造成纸,纸页为双层结构;其中2 纸页上层为亲水层,浆料为步骤(3)中制备的亲水层原料,亲水层定量为60g/m ;下层为转 2 移层,浆料为步骤(4)中配制的转移层原料,转移层定量为60g/m;经过成形、压榨、干燥、卷曲后备用; [0051] (6)聚乳酸无纺布作为疏水层,疏水层定量为50g/m2,将步骤(5)中抄造的成纸与作为疏水层的聚乳酸无纺布复合,聚乳酸无纺布与步骤(5)中的成纸的转移层贴合,之后对复合材料进行压榨,压榨的温度为30℃,线压力为10kN/m。 [0052] 实施例3 [0053] 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法,包括如下步骤: [0054] (1)将漂白针叶木浆打浆至38°SR,备用; [0055] (2)将瓜尔胶配制成浓度为质量百分比1.0%的水溶液,备用; [0056] (3)将步骤(2)中配制的瓜尔胶溶液添加到步骤(1)中制备的打浆度为38°SR的漂白针叶木浆中,用量为1.6wt%(瓜尔胶与打浆度为28°SR的漂白针叶木浆的绝干质量比),并搅拌20分钟,作为亲水层原料,备用; [0057] (4)将步骤(1)中制备的打浆度为38°SR的漂白针叶木浆与粒径为800目的聚乳酸颗粒按照漂白针叶木浆:聚乳酸颗粒=7:3(绝干质量比)的比例混合均匀,作为转移层原料,备用; [0058] (5)采用双层长网布置造纸机或圆网造纸机一次抄造成纸,纸页为双层结构;其中2 纸页上层为亲水层,浆料为步骤(3)中制备的亲水层原料,亲水层定量为60g/m ;下层为转 2 移层,浆料为步骤(4)中配制的转移层原料,转移层定量为60g/m;经过成形、压榨、干燥、卷曲后备用; [0059] (6)聚乳酸无纺布作为疏水层,疏水层定量为60g/m2,将步骤(5)中抄造的成纸与作为疏水层的聚乳酸无纺布复合,聚乳酸无纺布与步骤(5)中的成纸的转移层贴合,之后对复合材料进行压榨,压榨的温度为40℃,线压力为20kN/m。 [0060] 实施例4 [0061] 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法,包括如下步骤: [0062] (1)将未漂白针叶木浆打浆至42°SR,备用; [0063] (2)将瓜尔胶配制成浓度为质量百分比1.2%的水溶液,备用; [0064] (3)将步骤(2)中配制的瓜尔胶溶液添加到步骤(1)中制备打浆度为42°SR的未漂白针叶木浆中,用量为1.6wt%(瓜尔胶与打浆度为42°SR的未漂白针叶木浆的绝干质量比),并搅拌20分钟,作为亲水层原料,备用; [0065] (4)将步骤(1)中制备的打浆度为42°SR的未漂白针叶木浆与聚乳酸纤维按照未漂白针叶木浆:聚乳酸纤维=7:3(绝干质量比)的比例混合均匀,聚乳酸纤维平均长度5mm,作为转移层原料,备用; [0066] (5)采用双层长网布置造纸机或圆网造纸机一次抄造成纸,纸页为双层结构;其中2 纸页上层为亲水层,浆料为步骤(3)中制备的亲水层原料,亲水层定量为60g/m ;下层为转 2 移层,浆料为步骤(4)中配制的转移层原料,转移层定量为50g/m;经过成形、压榨、干燥、卷曲后备用; [0067] (6)聚乳酸无纺布作为疏水层,疏水层定量为60g/m2,将步骤(5)中抄造的成纸与作为疏水层的聚乳酸无纺布复合,聚乳酸无纺布与步骤(5)中的成纸的转移层贴合,之后对复合材料进行压榨,压榨的温度为40℃,线压力为20kN/m。 [0068] 实施例5 [0069] 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法,包括如下步骤: [0070] (1)将漂白竹浆打浆至38°SR,备用; [0071] (2)将瓜尔胶配制成浓度为质量百分比1.2%的水溶液,备用; [0072] (3)将步骤(2)中配制的瓜尔胶溶液添加到步骤(1)中制备的打浆度为38°SR的漂白竹浆中,用量为1.6wt%(瓜尔胶与打浆度为38°SR的漂白竹浆的绝干质量比),并搅拌20分钟,作为亲水层原料,备用; [0073] (4)将步骤(1)中制备的打浆度为38°SR的漂白竹浆与聚乳酸纤维按照漂白竹浆:聚乳酸纤维=7:3(绝干质量比)的比例混合均匀,聚乳酸纤维平均长度5mm,作为转移层原料,备用; [0074] (5)采用双层长网布置造纸机或圆网造纸机一次抄造成纸,纸页为双层结构;其中2 纸页上层为亲水层,浆料为步骤(3)中制备的亲水层原料,亲水层定量为70g/m ;下层为转 2 移层,浆料为步骤(4)中配制的转移层原料,转移层定量为60g/m;经过成形、压榨、干燥、卷曲后备用; [0075] (6)聚乳酸无纺布作为疏水层,疏水层定量为70g/m2,将步骤(5)中抄造的成纸与作为疏水层的聚乳酸无纺布复合,聚乳酸无纺布与步骤(5)中的成纸的转移层贴合,之后对复合材料进行压榨,压榨的温度为50℃,线压力为20kN/m。该复合材料的实物图如图3所示。 [0076] 对比例1 [0077] 一种完全可生物降解材料的制备方法,包括如下步骤: [0078] (1)将漂白针叶木浆打浆至28°SR,备用; [0079] (2)将瓜尔胶配制成浓度为质量百分比0.8%的水溶液,备用; [0080] (3)将步骤(2)中配制的瓜尔胶溶液添加到步骤(1)中的漂白针叶木浆中,用量为1.2wt%(瓜尔胶与打浆度为28°SR的漂白针叶木浆的绝干质量比),并搅拌20分钟,作为原料,备用; [0081] (4)采用长网造纸机将步骤(3)中的原料抄造成纸,定量为150g/m2,经过成形、压榨、干燥、卷曲后备用,之后再对复合材料进行压榨,压榨的温度为30℃,线压力为10kN/m。 [0082] 对比例2 [0083] 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法,包括如下步骤: [0084] (1)将漂白针叶木浆打浆至28°SR,备用; [0085] (2)将瓜尔胶配制成浓度为质量百分比0.8%的水溶液,备用; [0086] (3)将步骤(2)中配制的瓜尔胶溶液添加到步骤(1)中的漂白针叶木浆中,用量为1.2wt%(瓜尔胶与打浆度为28°SR的漂白针叶木浆的绝干质量比),并搅拌20分钟,作为原料,备用; [0087] (4)采用双层长网造纸机或圆网造纸机将步骤(3)中原料抄造成纸,抄造的纸张为2 双层结构,纸张面层与底层均采用步骤(3)所配制的原料,面层与底层定量均为50g/m,经过成形、压榨、干燥、卷曲后备用; [0088] (5)聚乳酸无纺布作为疏水层,疏水层定量为50g/m2,将步骤(4)中抄造的成纸与作为疏水层的聚乳酸无纺布复合,之后再对复合材料进行压榨,压榨的温度为50℃,线压力为10kN/m。 [0089] 对比例3 [0090] 一种完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料的制备方法,包括如下步骤: [0091] (1)将漂白针叶木浆打浆至28°SR,备用; [0092] (2)将步骤(1)中打浆度为28°SR的漂白针叶木浆与聚乳酸纤维按照漂白针叶木浆:聚乳酸纤维=5:5(绝干质量比)的比例混合均匀,聚乳酸纤维平均长度5mm,作为原料,备用; [0093] (3)采用双层长网造纸机或圆网造纸机将步骤(2)中原料抄造成纸,抄造的纸张为2 双层结构,纸张面层与底层均采用步骤(2)所配制的原料,面层与底层定量均为50g/m,经过成形、压榨、干燥、卷曲后备用; [0094] (4)聚乳酸无纺布作为疏水层,疏水层定量为50g/m2,将步骤(3)中抄造的成纸与作为疏水层的聚乳酸无纺布复合,之后再对复合材料进行压榨,压榨的温度为50℃,线压力为10kN/m。 [0095] 效果实施例 [0096] (1)测试方法 [0097] 测定实施例1~5所制备的完全可生物降解防倒流定向水传输复合材料以及对比例1~3中制备的材料的单向传递指数、上下表面的扩散面积、水分传输时间和突破压力。其中: [0098] 单向传递指数、上下表面的扩散面积采用GB/T21655.2—2019《纺织品吸湿速干性的评定第2部分:动态水分传递法》测定。 [0100] 突破压力通过测量材料所能承受的最大水柱高度,得到了材料的穿透压。在测量‑1过程中,将水以20mL·min 的流速加载到材料的一侧,并记录水开始穿透膜的最小压力作为突破压力。设置三次重复。 [0101] (2)测试结果 [0102] 单向传递指数是衡量材料单向导水能力的重要指标,单向传递指数如表1所示。水分在材料上下表面扩散的面积也会直接影响到使用者的穿着舒适度,材料的上、下表面的扩散面积如表2所示。定向水分传输时间如表3所示。为了证明防止水反方向穿过三层纤维膜,测量了来自聚乳酸侧(正方向)和植物纤维侧(反方向)的穿透压力,其结果如表4所示。实施例3制备的定向水传输复合材料的原始测试数据结果如图1所示,实施例1~5制备的定向水传输复合材料的定向水传输时间如图2所示。结果显示:实施例1~5所制备的向水传输复合材料均具有优异的单向导水性能。这是由于所制备的材料使用不同亲水性的基材,构建了润湿性梯度,且通过控制打浆度,来构造孔径梯度,另外还增加了转移层,防止水分倒流,以上都提升了其单向导水的性能。而对比例1制备的材料的单向导水能力太差,因此,单向传递指数、水分传输时间和定向突破压力三个指标均无法检出。 [0103] 表1定向导水材料的单向传递指数 [0104]材料 单项传递指数(%) 实施例1 620.35 实施例2 767.58 实施例3 903.04 实施例4 1182.4 实施例5 1067.88 对比例1 —— 对比例2 540.32 对比例3 520.35 [0105] 表2定向导水材料上下表面的扩散面积 [0106] [0107] [0108] 表3定向导水材料的水分传输时间 [0109]材料 水分传输时间(s) 实施例1 1.15 实施例2 0.72 实施例3 0.48 实施例4 0.43 实施例5 0.64 对比例1 —— 对比例2 1.53 对比例3 1.96 [0110] 表4定向导水材料的突破压力 [0111]材料 反向突破压力(cmH2O) 正向突破压力(cmH2O) 实施例1 10.4 0.14 实施例2 10.82 0.16 实施例3 11.06 0.16 实施例4 11.23 0.18 实施例5 11.34 0.2 对比例1 —— —— 对比例2 6.32 0.16 对比例3 6.16 0.15 [0112] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。 |