一种具有中空结构纤维的非织造材料及其制备方

本发明涉及一种具有中空结构纤维的非织造材料及其制备方法，属于非织造材料。背景技术：1、随着科技进步，纤维材料的加工水平不断提升，一些具有特殊结构与功能的纤维材料被广泛关注，如异形纤维、中空纤维、超细纤维等。其中，中空纤维是指纤维轴向为细管状空腔的化学纤维，纤维内部空腔可以握持大量静止空气，在减少热量散失、增强声能耗散等方面具有巨大优势。2、熔喷材料制备技术属于聚合物成网非织造材料中的重要工艺技术，具有工艺简单、生产流程短、生产成本低等优点。与传统织物和梳理成网制备的非织造材料相比，纤维的杂乱堆砌使熔喷纤维网具有高孔隙率、低孔径等特性，内部能够保持一定的静止空气。现有熔喷纤维为实心结构，堆积致密，所得纤维网难以包含大量立体曲径通道。此外，现有实心纤维构成的熔喷非织造纤维材料蓬松度低、回弹性能差、单位面积质量高，严重限制了其应用场景。3、专利cn202311424393.4公开了一种中空纤维膜复合保暖材料的制备方法，是将聚氨酯、聚乙二醇2000和n,n-二甲基乙酰胺加入反应釜混合、搅拌、脱泡后得到均质膜液，通过同心圆复合纺丝及非溶剂诱导相分离技术将均质膜液涂覆于聚酯编织管表面，经绕丝轮得到平行斜向交叉堆叠的纤维集合体，再经高温热压制备得中空纤维膜复合材料，但该方法加工步骤复杂，生产成本高，编织管表面涂覆均匀性差，同时编织结构导致材料压缩回弹性差，且热压工艺导致整体材料蓬松度下降，无法满足保暖、吸音等场景的应用需求。4、专利cn202311526980.4公开了一种中空稀土保暖抗菌纤维及其制备方法，其将稀土粒子、tio2加入聚丙烯腈溶液(溶剂为n-n二甲基甲酰胺)中，对所得溶液进行75～85℃水浴，磁力搅拌得静电纺丝壳层溶液，并在壳层溶液中加入聚乙烯醇进行同轴静电纺丝，随后通过去离子水浸泡所得纤维，烘干以去除芯层。该发明所用静电纺丝溶液制备过程复杂，去离子水浸泡及烘干工艺导致原料损耗严重，生产成本高昂，无法批量化制备。5、因此，本领域亟需一种具有中空结构纤维的非织造材料及其制备方法。技术实现思路1、本发明的目的是为解决现有技术中熔喷纤维蓬松度低、回弹性能差、体积质量大，严重限制了其应用场景的问题。2、为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种具有中空结构纤维的非织造材料及其制备方法。3、本发明的第一方面，提供了一种具有中空结构纤维的非织造材料的制备方法，包括以下步骤：4、步骤1、造粒：将熔喷原料与增塑剂进行混合，送入螺杆挤出机进行制条，熔融，然后进行切粒，得到混合物母粒；5、步骤2、将混合物母粒加入熔喷壳层喂料系统内，通过核层气流温度、压力与壳层外侧的牵伸气流温度、压力的协同调控，制备得到具有中空结构纤维的非织造材料。6、优选地，所述的步骤1中，熔喷原料与增塑剂质量比为6:1-9:1，熔融温度为150～320℃；熔喷原料选用聚氨酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚己内酯、聚对苯二甲酸丁二酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物及聚丁二酸丁二醇酯中的一种或多种；所述增塑剂为丙烯腈-苯乙烯树脂、聚碳酸酯、聚乙烯、聚甲醛、聚氧甲烯、聚四氟乙烯、聚乙二醇及环氧树脂中的一种或多种。7、优选地，所述的步骤2中，喂料系统加工参数为：螺杆挤出机一区温度150～320℃，二区温度160～330℃，三区温度175～355℃，四区温度185～365℃，五区温度200～380℃，模头温度200～380℃，计量泵频率5～20hz，喷丝板核层部分热风温度185～395℃、风压0.1～0.3mpa，牵伸气流系统热风温度185～395℃、风压0.1～0.3mpa，输网帘频率3～10hz，卷绕频率4～11hz，接收距离15～40cm。8、本发明的第二方面，提供了一种通过上述方法制备得到的具有中空结构纤维的非织造材料。9、本发明的技术原理如下：10、本发明的具有中空结构纤维的非织造材料，是将核/壳熔喷纺丝系统中喷丝板核层部分设计为与牵伸风机及空气加热器相连结构，纺丝过程中可通过核层气流温度、压力与壳层外侧的牵伸气流温度、压力的协同调控，实现中空纤维壳层厚度、空腔大小及纤维直径的有效调控。具体原理：聚合物在螺杆挤出机熔融挤出后，经喷丝板壳层部分流出，此时熔体截面为中空环状，其内部通有一定温度和风压的气流。聚合物熔体冷却固化前需经历结晶、取向等过程才能使获得的纤维具有一定的强度和韧性，增塑剂可以削弱高分子链间的聚集作用，降低聚合物高分子间的作用力来提高所得熔喷纤维的强度和韧性。熔体离开喷丝孔后存在膨胀行为，纤维结构、中空度对熔体凝固点、膨胀比具有高度依赖性。聚合物熔体在流道中存在端末效应，挤出喷丝板后发生离模膨胀现象，挤出熔体的膨胀比随环境温度的降低而下降，此时可通过不同温度和速度的内外气流对聚合物熔体表面熔体温度进行调控，以实现中空熔体壁厚的有效调节。降温后的内层熔体与其内部气流压力共同起到支撑作用，以防止熔体在外侧牵伸气流作用下过度向内挤压，实现熔体膨胀比的有效控制，保证了纤维内部空腔的可控成型；同时熔体内、外侧气流对熔体起到牵伸细化作用。当核层部分气流温度、压力均小于外侧牵伸气流时，聚合物熔体受到外力剪切挤压作用而向内收缩，可得空腔较小、更为硬挺的纤维；反之，调大核层部分气流的温度、压力，可得实现空腔的增大化，得到质量更轻、压缩回弹性更优的熔喷纤维。设置熔体内外两侧气流温度低于模头温度，气流与熔体二者温差提高熔体冷却速率，凝固点定义了纤维中空度，气流温度低、熔体凝固快、牵伸距离短，则纤维空腔体积大、直径大。因此，对熔体温度、流速及其内外两侧气流的温度、压力进行协同调控，可有效控制所得纤维的中空度与直径。本发明无需更换喷丝板即可定制中空度不同的熔喷纤维，所用混合母粒物为纤维提供了优异的回弹性和支撑作用，保证了材料的结构稳定性、抗压性与弹性恢复能力，通过接收距离和速度的调控可得到不同压缩弹性率、蓬松度的非织造材料，实现具有中空结构纤维的非织造材料在不同性能的应用拓展。11、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：12、1、本发明采用熔喷纺丝法一步制备具有中空结构纤维的非织造材料，工艺简单，有效避免了相分离、萃取等制备中空纤维工艺中大量有毒化学试剂的使用和复杂的后处理工艺，且本发明喷丝板核层部分仅通气流，大大节约了原料，保护生态环境，降低生产成本；13、2、本发明通过双层结构熔喷纺丝系统的设计及熔喷工艺参数调控，有效拓展了非织造材料的功能化应用范围。并且仅通过调节纺丝过程中壳层熔体流速及其内/外侧风温、风压，获得纤维中空度和材料压缩弹性率、蓬松度不同的非织造材料，实现非织造材料应用性能的有效调控；14、3、相比于现有的中空纤维膜、保暖絮片、吸音板材，本发明的中空纤维非织造材料质量轻、体积小，产率高、成本低，所得材料与基材简单复合后可直接使用，生产流程简单快捷，产品可应用于保暖、吸音、过滤分离等领域。