一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜及其制备方法，制备方法为：首先将由亲水型聚合物、纳米级金属‑有机框架、交联剂I和溶剂I组成的纺丝液I进行静电纺丝，并以经过消电荷处理的绝缘材料作为接收基材，得到膜I，然后将由中间聚合物、交联剂II和溶剂II组成的纺丝液II进行静电纺丝，并以膜I作为接收基材，制得膜II，接着将由疏水型聚合物、交联剂III和溶剂III组成的纺丝液III进行静电纺丝，并以膜II作为接收基材，制得膜III，得到复合纤维膜，最后对复合纤维膜进行热处理即得医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜；最终制得的膜具有三层复合结构，微观呈三维蜂窝状连通孔道结构，单向导湿性能和反向阻隔液体渗透性能优良。

【技术实现步骤摘要】
一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜及其制备方法
本专利技术属于静电纺丝功能纤维材料
，涉及一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜及其制备方法。
技术介绍
随着科技的发展和卫生水平的提高，人们对于服装面料的安全性、舒适性和防护性等要求越来越高。在某些情况下，需要采用防护服来避免或降低环境中有毒、有害物质对人体的侵害，如医用防护服用于防止外部血液飞溅，保障医护人员免受病毒等传染性物质侵害。然而，现有的医卫防护材料通常无法兼顾高效安全防护与吸湿排汗性能，常用防护材料为了增强对个体的防护会牺牲部分舒适性，长时间穿着使身体表面湿气/汗液无法及时排出体外，导致舒适性变差。因此，开发具有良好吸湿排汗性能的医卫防护材料是当前个体防护领域亟需解决的重点和难点。目前医用防护服面料主要分为涂层材料、织物/膜复合材料和非织造/膜复合材料。涂层材料防护服的制备主要通过聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯对织物进行涂层整理，该方法工艺简单，但其防护和透气性能较差，已逐渐被淘汰。膜复合材料主要采用聚氨酯、聚乙烯及聚四氟乙烯微孔薄膜作为棉织物或化纤织物的夹层，微孔薄膜具有较好的过滤和阻隔性能，但织物/膜复合而成的防护材料制作成本高，经高温洗涤和消毒后膜与织物易分离，在市场上应用较少。非织造/膜复合材料主要由内外两层的纺粘无纺布和中间夹层的防水透湿膜复合形成三层结构，且由于纺粘非织造材料成本低，一次性使用可以避免交叉感染，已成为当前个体防护领域的主流医卫防护材料。非织造/膜复合材料在液体阻隔性与透湿性方面较涂层材料有一定的改善，但为了增加其反向防液体渗透性能，需对纺粘布进行拒水处理，导致其透湿性能下降且制备工艺复杂。因此，亟需开发新型的单向导湿防护材料，兼顾反向阻隔液体渗透及正向透湿性，以满足防护服长时间使用时的穿着舒适性需求。静电纺纳米纤维膜以其纤维直径小、比表面积大、孔隙率高、孔连通性好以及结构可调性强等结构优势，在单向导湿领域展现出了广阔的应用前景。文献1(ACSAppl.Mater.Interfaces,2014,6,14087-14095.)通过聚多巴胺的亲水改性制备聚丙烯腈/聚苯乙烯双层定向导湿纳米纤维膜，单向导湿指数为1150％。文献2(ACSNano,2019,13,1060-1070.)通过双层静电纺丝技术制备了热塑性聚氨酯/聚丙烯腈Janus纳米纤维膜，透湿量9065g·m-2·d-1，并且具有一定的单向导湿能力。但是上述材料注重提升其单向导湿性能，忽略了材料的反向渗透压，且纤维膜厚度一般<0.5mm，在大量出汗情况下纤维易吸水溶胀阻塞毛细孔道，难以满足防护领域的实际应用需求。因此，优化纤维膜材料的本体结构以提升材料单向导湿性能，同时提升材料的反向阻隔液体渗透性能，对个体防护领域的实际应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜及其制备方法，具体提供一种适用于广泛聚合物原料范围、无需模板即可制备稳定梯度蜂窝状连通孔道结构纤维膜的静电纺丝技术，通过该方法制备的纤维膜具有优异的单向导湿性能和反向阻隔液体渗透性能。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜的制备方法，首先将由亲水型聚合物、纳米级金属-有机框架、交联剂I和溶剂I组成的纺丝液I进行静电纺丝，并以经过消电荷处理的绝缘材料作为接收基材，制得亲水型类蜂巢结构纤维膜，然后将由中间聚合物、交联剂II和溶剂II组成的纺丝液II进行静电纺丝，并以亲水型类蜂巢结构纤维膜作为接收基材，制得中间层类蜂巢结构纤维膜，接着将由疏水型聚合物、交联剂III和溶剂III组成的纺丝液III进行静电纺丝，并以中间层类蜂巢结构纤维膜作为接收基材，制得疏水型类蜂巢结构纤维膜，得到复合纤维膜，最后对复合纤维膜进行热处理至蜂窝孔壁纤维束搭接处形成物理化学粘结点，即得医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜；通常，选用纳米尺寸的金属-有机框架与亲水型聚合物混合更适合进行静电纺丝，因为静电纺纤维多为纳米纤维；若加入的是微米尺寸颗粒，在纺丝过程中容易发生堵针头现象，金属-有机框架不易通过静电纺丝技术被喷射出，不易与纳米纤维复合；因此，纳米尺寸的金属-有机框架更适合利用静电纺丝技术制备亲水型类蜂巢结构纤维膜；另外，金属-有机框架的尺寸在合成过程是可调控的，本领域技术人员可根据需求调控出相应尺寸的纳米级金属-有机框架；本专利技术在纺丝液I中加入了金属-有机框架，金属-有机框架在纺丝过程中能够被亲水型聚合物带出，使单纤呈串珠状粗糙多孔结构，多孔纤维的自组装将获得超高比表面积、高孔隙率的亲水型类蜂巢结构纤维膜，超高比表面积、高孔隙率的结构特点所产生的附加毛细管力有望提高其吸湿速率，并大大增加其与空气的接触面积，增强了材料的吸湿导湿性能以及水分扩散速度和干燥速度，进而赋予材料优异的单向导湿和吸湿快干性能，同时，金属-有机框架的引入使得纳米纤维表面含有大量亲水活性位点，也能提高材料的吸湿性能；此外，金属-有机框架的引入改变了静电纺丝液I本体性质，纺丝液I电导率增加使射流牵伸过程中表面电荷密度增大，沉积到基材上的纤维间静电斥力增加，诱导纤维束枝化，促进其快速自组装形成类蜂巢结构；中间聚合物的亲水性介于亲水型聚合物和疏水型聚合物之间；纺丝液I的粘度范围为1～500mPa·s，电导率范围为100～10000μS/cm；本专利技术中纺丝液I的静电纺丝是指在高压静电场下将低粘度溶液挤出，射流呈喷雾状发散开，本专利技术采用的纺丝液I粘度极低，几乎是可纺程度的粘度最低极限，在高压静电场中，纺丝过程类似喷雾状，与传统纺丝射流有明显区别；纺丝液I静电纺丝的工艺参数包括：电压10～40kV，灌注速度0.5～4mL/h，喷丝头距接收基材距离6～20cm，环境相对湿度30～60％；绝缘材料为无纺布或静电纺纤维膜，其明显区别于现有技术的蜂巢模板，本专利技术制备亲水型类蜂巢结构纤维膜时无需蜂巢模板，只需要采用普通无纺布或静电纺纤维膜作为接收基材；消电荷处理的方法为：将绝缘材料置于消电荷溶剂中一段时间后烘干，溶剂作为导体使基材消除静电，去除基材表面的残余电荷，使得形成的类蜂巢结构明显。本专利技术制备的润湿梯度类蜂巢结构纤维膜之所以具有优良的单向导湿性能和反向阻隔液体渗透性能是因为：本专利技术所制备的润湿梯度类蜂巢结构纤维膜利用疏水层到中间层再到亲水层的润湿性梯度变化，产生吸湿性差异，极大增强了材料对水分的附加压力差，使水分自发地由疏水层向亲水层传输；同时，类蜂巢纤维网络结构的锥形直通孔道的孔径是由疏水层-中间层-亲水层逐渐减小，在厚度方向形成孔径梯度，具有附加的差动毛细效应，使水分在厚度方向上实现快速定向传输，因此，本专利技术中的润湿梯度与梯度锥形孔道结构的协同调控将使材料的单向导湿性能得到显著提升；而当水分从小孔径的亲水层传递到大孔径的疏水层时，由于毛细阻力作用，水分传递受到阻碍，从而实现材料对液体的反向渗透。本专利技术的纤维膜具有类蜂巢结构，主要是第一层纤维膜为类蜂巢结构纤维膜，第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜的制备方法，其特征在于，首先将由亲水型聚合物、纳米级金属-有机框架、交联剂I和溶剂I组成的纺丝液I进行静电纺丝，并以经过消电荷处理的绝缘材料作为接收基材，制得亲水型类蜂巢结构纤维膜，然后将由中间聚合物、交联剂II和溶剂II组成的纺丝液II进行静电纺丝，并以亲水型类蜂巢结构纤维膜作为接收基材，制得中间层类蜂巢结构纤维膜，接着将由疏水型聚合物、交联剂III和溶剂III组成的纺丝液III进行静电纺丝，并以中间层类蜂巢结构纤维膜作为接收基材，制得疏水型类蜂巢结构纤维膜，得到复合纤维膜，最后对复合纤维膜进行热处理至蜂窝孔壁纤维束搭接处形成物理化学粘结点，即得医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜；/n中间聚合物的亲水性介于亲水型聚合物和疏水型聚合物之间；/n纺丝液I的粘度范围为1～500mPa·s，电导率范围为100～10000μS/cm；/n纺丝液I静电纺丝的工艺参数包括：电压10～40kV，灌注速度0.5～4mL/h，喷丝头距接收基材距离6～20cm，环境相对湿度30～60％；/n绝缘材料为无纺布或静电纺纤维膜；/n消电荷处理的方法为：将绝缘材料置于消电荷溶剂中一段时间后烘干。/n...

【技术特征摘要】
1.一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜的制备方法，其特征在于，首先将由亲水型聚合物、纳米级金属-有机框架、交联剂I和溶剂I组成的纺丝液I进行静电纺丝，并以经过消电荷处理的绝缘材料作为接收基材，制得亲水型类蜂巢结构纤维膜，然后将由中间聚合物、交联剂II和溶剂II组成的纺丝液II进行静电纺丝，并以亲水型类蜂巢结构纤维膜作为接收基材，制得中间层类蜂巢结构纤维膜，接着将由疏水型聚合物、交联剂III和溶剂III组成的纺丝液III进行静电纺丝，并以中间层类蜂巢结构纤维膜作为接收基材，制得疏水型类蜂巢结构纤维膜，得到复合纤维膜，最后对复合纤维膜进行热处理至蜂窝孔壁纤维束搭接处形成物理化学粘结点，即得医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜；
中间聚合物的亲水性介于亲水型聚合物和疏水型聚合物之间；
纺丝液I的粘度范围为1～500mPa·s，电导率范围为100～10000μS/cm；
纺丝液I静电纺丝的工艺参数包括：电压10～40kV，灌注速度0.5～4mL/h，喷丝头距接收基材距离6～20cm，环境相对湿度30～60％；
绝缘材料为无纺布或静电纺纤维膜；
消电荷处理的方法为：将绝缘材料置于消电荷溶剂中一段时间后烘干。


2.根据权利要求1所述的一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜的制备方法，其特征在于，纺丝液I的制备过程为：先将金属-有机框架加入到溶剂I中，经超声分散1～4h后，再加入亲水型聚合物和交联剂I，在室温或50～90℃下用磁力搅拌装置连续搅拌2～24h。


3.根据权利要求2所述的一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜的制备方法，其特征在于，纺丝液I中，亲水型聚合物的质量含量为3～15％，金属-有机框架的质量含量为10～30％，交联剂I的质量含量为0.5～8％；
纺丝液II中，中间聚合物的质量含量为3～15％，交联剂II的质量含量为0.5～8％；
纺丝液III中，疏水型聚合物的质量含量为3～15％，交联剂III的质量含量为0.5～8％。


4.根据权利要求3所述的一种医卫防护用润湿梯度类蜂巢结构纤维膜的制备方法，其特征在于，亲水型聚合物为聚丙烯腈、醋酸纤维素、壳聚糖、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺和聚丙烯酸盐树脂中的一种以上；
中间聚合物为聚丙烯腈、醋酸纤维素、壳聚糖、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚丙烯酸盐树脂、聚氨酯、聚苯乙烯、聚己内酯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚对苯二甲酸乙二醇酯和热塑性聚氨酯弹性体中的一种以上；
疏水型聚合物为聚氨酯、聚苯乙烯、聚己内酯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚对苯二甲酸乙二醇酯和热塑性聚氨酯弹性体中的一种以上；
金属-有...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁彬，王先锋，张宇菲，林燕燕，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31