1.本发明属于熔融纺丝、水刺非织造材料的技术领域，尤其涉及一种基于水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料及其制备方法和应用。
背景技术：
2.随着我国工业的飞速发展，环境污染问题愈发严重，很大程度上影响着人们的健康问题。因此，过滤材料的研发近年来备受关注。橘瓣型超细纤维作为一种纳微米级的纤维，具有机械强力高、比表面积大等特性，十分适用于非织造过滤材料的制备。
3.然而，橘瓣型超细纤维的现有制备工艺及应用还存在着许多亟待解决的问题。水刺工艺是橘瓣型超细纤维常用的开纤工艺，由于两种聚合物组份之间较强的界面结合力(或两种组份相容)，常常使得纤维的开裂较为困难，从而难以达到超细纤维的目的；且水刺过程中，需要消耗大量的能量和水资源，这使得生产成本大大提高；除此之外，在用于过滤材料时，通常由于纤维的开裂不均匀，从而使得纤维的透气性能和过滤效率大打折扣。
4.为解决以上问题，专利cn102733094a则提出了一种中空型橘瓣的制备，利用中空橘瓣两组份之间较少的界面结合面积，采用水刺工艺开纤时能耗大大减少；专利cn113417078a通过采用一种高收缩聚合物为橘瓣型纤维的一种原料，利用两种组份不同的热收缩性能，使得纤维产生开纤趋势，减少了水刺过程中的能耗；专利cn107268183a以橘瓣型超细纤维为原材料，随后对其进行硬挺整理和热轧整理，利用两种组份熔点之间的差异，得到了一种透气性较好膜过滤基材。但上述的制备方法所生产的针刺非织造材料很难在节能环保开纤、高过滤效率、高透气性和优异机械性能间达到平衡。因此，如何制造出一种绿色开纤、力学性能优异、透气性能良好并且具有超高过滤效率的非织造材料已经成为双组份超细纤维行业亟待解决的问题。
技术实现要素：
5.针对橘瓣型超细纤维开纤效果差，导致用于过滤材料时透气性能和过滤效率降低的技术问题，本发明提出一种基于水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料及其制备方法和应用，通过简单的热水浴开纤工艺，所获得的双组份超细纤维非织造过滤材料不仅具有优异的机械性能、超高的比表面积和极佳的过滤性能(高过滤效率和高容尘量)，同时还具有节能环保、绿色无污染的特性。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种基于水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料的制备方法，步骤如下：
8.(1)水溶聚乙烯醇母粒的制备：将聚乙烯醇和增塑剂按一定比例共混，然后经由螺杆挤出机进行造粒；
9.(2)纺粘聚丙烯/聚乙烯醇橘瓣非织造材料成型工序：将步骤(1)水溶聚乙烯醇母
粒和聚丙烯纺丝母粒通过双螺杆纺丝机熔融纺丝，并经由橘瓣型纺丝组件挤出，经过预牵伸，形成纺粘聚丙烯/聚乙烯醇橘瓣非织造材料；
10.(3)油浴热牵伸成型工序：将步骤(2)中所制备的纺粘聚丙烯/聚乙烯醇橘瓣非织造材料通过在线热油浴牵伸工序进行进一步拉伸取向，从而获得具被优异机械性能的橘瓣型双组份非织造材料；
11.(4)低压水刺开纤及加固成型工序：将步骤(3)制备的橘瓣型双组份长丝通过水刺工序进行开纤及加固，形成纺粘水刺非织造材料；
12.(5)热水浴开纤-定型工序：将步骤(4)中获得的纺粘水刺非织造材料施加一定的张力，并反复放置于热水浴中进一步进行开纤，随后冷干定型，形成橘瓣型超细纤维非织造过滤材料；
13.上述步骤(1)中聚乙烯醇重均分子量为64000-75000，醇解度86-90％，聚合度为300-500，熔融流动指数为50-80g/10min；所制备聚乙烯醇具有280℃-290℃的初始分解温度；除此之外，由于所制备聚乙烯醇其较低的醇解度，在常温下就已经具备优异的水溶性。
14.所述增塑剂包括质量比为3：1～5：1的醇类增塑剂和胺类增塑剂(如山梨醇和三聚氰胺，双季戊四醇和己内酰胺等)，增塑剂和聚乙烯醇的质量比为3：97～6：97。
15.上述步骤(2)中纺粘成型工艺的参数为：螺杆温度为1区200-205℃、2区220℃、3区220-225℃、4区225-230℃、5区230-235℃、6区240-245℃，计量泵温度为240-245℃，模头温度为240-245℃，冷却风温度10-20℃。
16.上述步骤(2)中纺粘聚丙烯/聚乙烯醇橘瓣非织造材料为纤维长丝，其中，预牵伸为管式气流牵伸，牵伸倍率为1.5-3。
17.聚丙烯纺丝母粒和水溶聚乙烯醇母粒的质量比为(6:4)-(9:1)，优选的，聚丙烯纺丝母粒和水溶聚乙烯醇母粒的比例为7:3、8:2和9:1，由于聚乙烯醇最后会被快速溶解，大大节约了开纤成本，同时也提升了开纤效率。
18.上述步骤(3)油浴热牵伸的牵伸倍率为4-6倍，牵伸温度为120℃。优选的，油浴热牵伸装置具有多级牵伸结构，具有5个牵伸辊，油浴温度为120℃；具有4个牵伸区域，其牵伸倍率(牵伸辊n的速度/牵伸辊1的速度)分别为1.5，3.0，4.5和6.0倍，通过这种逐级递增的牵伸倍率，从而使得所制备的双组份橘瓣长丝具有较好的取向和优异的机械性能。
19.所述步骤(4)中的水刺压力为6mpa-10mpa，水针直径为0.11mm。
20.上述步骤(5)中所施加的张力为5-10n，水浴温度为90-100℃，反复水浴浸渍-冷干次数为10次；热水浴不仅能对所制备材料起到热定型的效果，还能使得聚乙烯醇进一步完全溶解。
21.上述任一项方法所制备的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料。
22.上述橘瓣型双组份纤维和橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料，所述橘瓣型双组份纤维的强力为1.8cn/dtex-3.0cn/dtex；所述橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料面密度为20-60(gb/t24218.1-2009)，孔隙率为85％-95％，纵向拉伸断裂强力为550n-650n(gb/t24218.3-2010)，纵向拉伸断裂伸长率为19％-32％(gb/t24218.3-2010)，横向拉伸断裂强力为480n-560n(gb/t24218.3-2010)，横向拉伸断裂伸长率为22％-40％(gb/t24218.3-2010)，透气性为220mm/s-280mm/s，开纤率为100％，过滤效率为99.8-99.999％(gb/t38398-2019)。
23.上述橘瓣型双组份纤维所制备的针刺非织造过滤材料可应用于汽车空调滤芯和医疗防护材料等领域。
24.本发明的有益效果：
25.1、本发明通过水溶性聚乙烯醇和聚丙烯为原料制备了橘瓣型双组份超细纤维非织造材料，与当前常见的橘瓣型双组份纤维非织造材料相比，本发明最大的特点是可以利用聚乙烯醇的水溶性进行开纤，开纤相较于常见的聚酯/聚酰胺橘瓣纤维十分容易，且常温下即可水溶开纤。基于此，本发明水刺开纤过程中以较低的水刺压力(6mpa-10mpa)即可实现纤维的开裂，节省了大量的能量。
26.2、基于聚乙烯醇的水溶特性，本发明采用油浴牵伸装置对所制备橘瓣型纺粘非织造材料进行在线牵伸，通过逐级递增的牵伸倍率，本发明所制备非织造材料具有较高的取向度和机械强力。
27.3、本发明采用低压水刺对所制备橘瓣型纺粘非织造材料进行开纤，由于所制备聚乙烯醇的常温水溶特性，采用较小的水刺压力即可实现纤维的开裂，且具有高效的开纤效率，这种低压水刺的开纤方式使得橘瓣纤维裂离所消耗的能量大大减少。同时低压水刺工艺还对橘瓣型纺粘非织造材料起到加固的作用，使得纤维之间缠结的更加紧密，从而进一步提升其力学性能。
28.4、本发明在进行低压水刺工艺时，由于开纤之后聚乙烯醇可能未被完全溶解，因此，在热定型工序采用水浴的方式，不仅能使得所制备材料达到定型的效果，还能使得聚乙烯醇完全溶解，从而得到超细聚丙烯橘瓣纤维，形成了区别于常规橘瓣型双组份纤维的独特截面形状(如图4所示)，所得非织造材料纤维堆砌密度大大提高，因此纤维具有超高的比表面积，而且基于这种独特的截面形状，所制备的非织造材料具有超高的过滤效率(99.8-99.999％)。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明中纺粘聚丙烯/聚乙烯醇橘瓣非织造材料的制备工艺图；其中，1-1为喂料口a，1-2为螺杆a，1-3为纺丝组件，1-4为初生丝，1-5为预牵伸装置，1-6为螺杆b，1-7为喂料口b，1-8为卷绕装置。
31.图2为本发明中油浴热牵伸装置；其中，2-1为牵伸辊ⅰ，2-2为牵伸辊ⅱ，2-3为牵伸辊ⅲ，2-4为牵伸辊ⅳ，2-5为牵伸辊
ⅴ
，2-6为油浴箱。
32.图3为开纤之前橘瓣型双组份长丝的示意图。
33.图4为开纤之后橘瓣型双组份长丝的截面示意图。
34.图5为水溶聚乙烯醇母粒的热重测试分析图。
35.图6为橘瓣型双组份长丝的光学显微镜图。光学显微镜放大倍数为500。
36.图7为热水浴开纤-定型工序流程；7-1为张力夹，7-2为纺粘水刺非织造材料，7-3为热水浴，7-4为冷风吹干装置。
37.图8为不同温度下聚乙烯醇的水溶性能。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.实施例1
40.一种基于水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料的制备方法，纺丝成型工艺和后道牵伸工艺分别如图1、图2和图7所示，步骤如下：
41.(1)水溶聚乙烯醇母粒的制备
42.首先，将山梨醇和三聚氰胺3：1进行混合，然后将其与分子量为64000、醇解度86％、聚合度为500和熔融流动指数为80g/10min的粉末状聚乙烯醇进行共混，增塑剂和聚乙烯醇比例为3：97，搅拌均匀之后通过螺杆挤出机进行造粒，得到聚乙烯醇热稳定母粒。
43.基于胺类和醇类增塑剂改性的水溶聚乙烯醇母粒具有较好的热稳定性(如图5所示)，从而满足后道工序的使用。
44.(2)纺粘聚丙烯/聚乙烯醇橘瓣非织造材料成型工序
45.将所述步骤(1)的水溶聚乙烯醇母粒和纺丝级的聚丙烯纺丝母粒分别添加至喂料口a1-1和喂料口b1-4，两种组份分别经由螺杆a1-2和螺杆b1-3熔融流动至纺丝组件1-5，并由其挤出成型，形成橘瓣型双组份纤维1-6，随后经由管式牵伸装置1-7进行预牵伸取向，最后经由摆丝成网在成网帘1-8上形成纤维网。其中，橘瓣型双组份长丝中聚丙烯和聚乙烯醇比例为7:3。
46.基于聚丙烯和聚乙烯醇的熔点，本实施例设定熔融纺丝的工艺参数如下：螺杆温度为1区200℃、2区220℃、3区220℃、4区225℃、5区230℃、6区240℃，计量泵温度为240℃，模头温度为240℃，冷却风温度20℃。其中，预牵伸的牵伸倍率为1.5。
47.(3)在线油浴热牵伸取向工序
48.为进一步改善步骤(2)所制备的橘瓣型纺粘非织造材料的机械性能，将其经由油浴牵伸装置(图2)对其进一步牵伸取向，牵伸装置具有多级牵伸结构，油浴箱2-6内油浴温度为120℃，油浴牵伸装置具有5个牵伸辊(牵伸辊ⅰ为2-1，牵伸辊ⅱ为2-2，牵伸辊ⅲ为2-3，牵伸辊ⅳ为2-4，牵伸辊
ⅴ
为2-5)，具4个牵伸区域，其牵伸倍率(牵伸辊n的速度/牵伸辊ⅰ的速度)分别为1.5，3.0，4.5和6.0倍，通过这种逐级递增的牵伸倍率，从制备了具有较好的取向和优异的机械性能双组份橘瓣长丝，开纤前的橘瓣型双组份长丝的截面如图3所示，显微镜形貌如图6所示。
49.(4)低压水刺开纤及加固成型工序
50.将步骤(3)所制备的橘瓣型纺粘非织造材料通过低压水刺工艺进行开纤及加固，在进行加固的同时对其进行开纤，制得纺粘水刺非织造材料。其中，水刺压力为8mpa，水针直径为0.11mm。
51.(5)热水浴定型工序
52.由于步骤(4)所制备的纺粘水刺非织造材料中聚乙烯醇还未被完全溶解，因此其
过滤性能上还有待提升。为提升其比表面积，优化其过滤性能，本发明采用热水浴对其进行进一步开纤，如图7所示，采用张力夹7-1对纺粘水刺非织造材料7-2施加5n的张力，浸入热水浴7-3中，水浴温度为90℃，随后取出采用冷风吹干装置7-4吹干。为使得聚乙烯醇完全溶解于水中，同时也为了增加所制备非织造材料的形态热稳定性，将其在水浴中反复浸渍-冷干10次，每次浸渍时间为3min，以起到开纤完全和热定型的效果，开纤后的橘瓣型双组份长丝的截面如图4所示。
53.实施例2
54.一种可水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料的制备方法，步骤如下：
55.本实施例的制备工艺与实施例1的制备工艺大致相同，区别在于：步骤(2)中预牵伸倍率为2.0倍。
56.实施例3
57.一种可水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料的制备方法，步骤如下：
58.本实施例的制备方法与实施例1的制备方法相同，区别在于：步骤(2)中预牵伸倍率为3.0倍。
59.实施例4
60.一种可水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料的制备方法，步骤如下：
61.本实施例的制备方法与实施例1的制备方法相同，区别在于：步骤(2)中聚丙烯和聚乙烯醇的比例为6:4，预牵伸倍率为3.0倍。
62.实施例5
63.一种可水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料的制备方法，步骤如下：
64.本实施例的制备方法与实施例1的制备方法相同，区别在于：步骤(2)中聚丙烯和聚乙烯醇的比例为8:2，预牵伸倍率为3.0倍。
65.实施例6
66.一种可水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料的制备方法，步骤如下：
67.本实施例的制备方法与实施例1的制备方法相同，区别在于：步骤(2)中聚丙烯和聚乙烯醇的比例为9:1，预牵伸倍率为3.0倍。
68.实施效果例
69.对实施例1-6制备的基于水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料进行性能测试，测定方法如下：
70.上述实施例一至六中的特征指标等通过以下方法来测定。
71.针刺非织造过滤材料的性能测试
72.(1)面密度及孔隙率的测定
73.面密度指的是纺织材料单位面积内的质量，面密度测试依据标准《gb/t 24218.1-2009非织造布试验方法第1部分单位面积质量的测定》进行测试。
74.根据双组份长丝中聚乙烯醇热稳定聚合物和聚丙烯聚合物的密度及它们在复合纤维中所占质量分数计算出复合纤维材料的密度ρ，然后根据公式(1)计算出纤维材料在产品中所占的孔隙率η。
75.η＝(1-g/(ρf×
t))
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
76.ρf＝ρ1*w1 ρ2*w2 ......ρn*wnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
77.式中g为产品克重，t为材料厚度，ρf为纤维密度，ρ1、ρ2和ρn为组份的密度，w1、w2和wn为组份的密度分数。
78.(2)透气性能的测定
79.对所制备的针刺非织造过滤材料采用全自动透气测量仪(yg461e-iii型，宁波纺织仪器厂，中国)进行透气性能的测试，依据标准《gb/t 24218.15-2018纺织品非织造布试验方法第15部分：透气性的测定》，设置透气仪为全自动模式，单位为mm/s，将pet/pa6双组份纺粘水刺非织造材料放在透气仪的夹持器下，每个工艺的样品各测5次，然后求平均值。
80.(3)拉伸断裂性能的测定
81.对所制备的针刺非织造过滤材料采用非织造材料电子万能试验机(cz-4000d1，扬州昌哲试验机械有限公司，中国)进行拉伸断裂性能的测定，依据标准gb/t 24218.3-2010将裁成规格为长200mm，宽50mm的长方形，仪器的夹持距离为100mm，拉伸速度为100mm/min，测试5次，求平均值。
82.(4)过滤性能的测定
83.对所制备的针刺非织造过滤材料采用颗粒物过滤效率测试仪(dr25 1x，温州市大荣纺织仪器有限公司，中国)进行过滤性能的测试，依据标准《gb/t 38398-2019纺织品过滤性能最易穿透粒径的测定》，将样品裁剪成半径为15cm的圆形试样，放置在夹持器上，过滤测试仪空气流量设置为32l/min，配置氯化钠溶液浓度为0.9％，每个工艺的样品测试5次，取平均值。
84.此外，还测试了不同水浴温度下聚乙烯醇的水溶性，由图8可知，随温度升高，水溶性逐渐提高。
85.以上实施例的产品性能测试结果如表1所示：
86.表1橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料性能
[0087][0088]
由表1可知，本发明所制备一种可水溶开纤的橘瓣型纺粘水刺超细纤维非织造过滤材料如下：所述非织造过滤材料面密度为20g/m
2-60g/m2(gb/t24218.1-2009)，孔隙率为85％-95％，纵向拉伸断裂强力为550n-650n(gb/t24218.3-2010)，纵向拉伸断裂伸长率为19％-32％(gb/t24218.3-2010)，横向拉伸断裂强力为480n-560n(gb/t24218.3-2010)，横向拉伸断裂伸长率为22％-40％(gb/t24218.3-2010)，透气性为220mm/s-280mm/s，开纤率
为100％，过滤效率为99.8-99.999％(gb/t38398-2019)。
[0089]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。