可降解舒适型纳米纤维防护服面料的制备与研究

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近年来,随着经济社会的高速发展,人类对自然界的破坏加剧,各类细菌病毒滋生蔓延,社会公共安全事件频发。2019年末,新型冠状病毒(COVID-19)疫情突然爆发,尽管各国积极启动了精准防御措施,但疫情仍呈蔓延之势。医用一次性防护服因其高效阻隔作用,可有效防止血液、飞沫、体液等生物污染源的侵害,成为疫情防控期间最重要的防护装备之一。然而,随着使用量和需求量的增加,医用一次性防护服暴露了严重的舒适性差及废弃后污染问题。因此,研制集防护安全性、热湿舒适性和生物可降解性于一体的新型防护服面料,对当前疫情防控及可持续发展具有重要现实意义。本论文利用静电纺丝技术,基于聚合物材料固有的可生物降解特性,通过掺杂高导热填料,在纳米纤维膜中构筑导热框架,保证高防护、透湿透气性的条件下,增加其导热性能;再结合热压复合技术,制备超薄、透气、可降解静电纺纳米纤维防护服面料。对其过滤性能、耐水渗透性能、透湿透气性能和导热性能展开研究。主要内容如下:(1)利用操作简单、绿色无污染的热处理/水热两步法高效制备超薄、片层均匀的六方氮化硼纳米片(BNNSs)导热填料,产率高达74.8%,横向尺寸为200 nm左右,片层厚度在1-5 nm之间。通过XRD、Raman、XPS等表征分析,揭示反应过程中BNNSs的剥离机制,证明热处理/水热两步法的高效性,为产业化生产提供可行性方案,同时为后续纳米纤维负载高导热材料在静电纺纳米纤维防护服面料上的应用做铺垫。(2)将BNNSs添加到聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)混合纺丝溶液中,制备PLA-PCL/BNNSs静电纺纳米纤维膜。通过调节BNNSs的掺杂量使其均匀负载在纳米纤维表面,在纤维膜内部构筑互连导热框架。对PLA-PCL/BNNSs复合纤维膜的形貌结构、疏水性、热稳定性及力学性能进行分析。BNNSs的掺杂在纤维表面产生纳米级粗糙度,使PLA-PCL/BNNSs复合纤维膜的疏水性能提高。当BNNSs掺杂量从0 wt%提升到30 wt%时,纳米纤维膜表面动态接触角从133°提升到140°。应力应变随BNNSs掺杂量的增加而降低。BNNSs的掺杂量从0 wt%增加到40 wt%时,纳米纤维纤维膜的应变由63.6%下降到34.7%,应力由3.5 MPa下降到1.8 MPa。此外,PLA-PCL/BNNSs纳米纤维膜的热稳定性随BNNSs含量的增大而逐渐增强。(3)以克重分别为30 g/m~2和20 g/m~2的PLA水刺非织造布作为基布,采用静电纺丝技术在基布表面喷涂PCL热熔胶网膜。以30 g/m~2的PLA水刺非织造布作为底层基布,接收PLA-PCL/BNNSs纳米纤维膜,再与另一层20 g/m~2的基布在70℃下热压复合,制备具有三层复合结构的静电纺纳米纤维防护服面料(PLA-PCL/BNNSs-PCF)。对PLA-PCL/BNNSs-PCF的过滤性能、耐水渗透性能、透湿透气性能及导热性能展开研究。PLA-PCL/BNNSs-PCF具有优异的防护性能,在15 L/min空气流速下,过滤效率为99.7%。PLA-PCL/BNNSs-PCF还具有优异的耐水、透湿透气性能,耐水压为7.3 k Pa,透湿率为4500 g m-2d-1,透气率为32.4 mm s-1。PLA-PCL/BNNSs-PCF还可以高效导热,导热系数为2.2 W m-1k-1。利用此方法制备的静电纺纳米纤维防护服达到了防护安全性与热湿舒适性兼备,且绿色可降解,可创新性的应用于安全防护领域。
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