專利名稱：將合成纖維粉碎成微米和納米級纖維材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成纖維的粉碎方法，尤其涉及將合成纖維如聚酯長絲粉碎成微米和納米級纖維材料的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)如今，除了應(yīng)用于衣服和紡織品材料之外，纖維已經(jīng)在各種領(lǐng)域，如生物技術(shù)和生物制藥領(lǐng)域中被用作多功能材料。許多研究人員已經(jīng)致力于將纖維制成粉末而嘗試?yán)w維的新應(yīng)用。例如，Li和Hu在國際公開號為WO2004/055250A1的PCT專利申請描述了將諸如羊毛、棉和絲纖維等天然有機(jī)物質(zhì)粉碎成為納米級纖維材料的方法。
迄今為止，天然纖維，尤其是羊毛、絲和棉已通常被轉(zhuǎn)化為粉末形式。對于絲纖維，Tsubouchi(美國專利，No.5,853,764和No.6,427,933)發(fā)明了一種采用堿的水溶液制備超細(xì)絲粉末的方式，并提出了通過對絲線進(jìn)行機(jī)械粉碎而工業(yè)化制造結(jié)晶絲纖蛋白的方法。該發(fā)明人證實(shí)了這種超細(xì)的結(jié)晶絲纖蛋白粉末具有優(yōu)異的成形能力，改善了對皮膚的粘著性。該超細(xì)的絲纖蛋白也非常適合于制造用于化妝品、皮膚粉底、墨水添加劑、樹脂組合物和油漆的原料。Sano等(美國專利，No.5,718,954)也介紹了一種粒度約為10微米的超細(xì)絲粉末的制造方法，該超細(xì)絲粉末可用于塑料膜或片、涂料和纖維處理劑中。Otio等(美國專利，No.4,233,212)研究了一種將絲纖維粉碎成為微粉的方法，所獲得的粉末可用作化妝品制劑的添加劑。
除了絲之外，一些研究人員已經(jīng)致力于從動物毛發(fā)、尤其是從羊毛制備粉末，并發(fā)掘這些粉末的進(jìn)一步應(yīng)用。例如，Yamada等(美國專利，No.5,276,138)提出了一種使動物毛發(fā)發(fā)生增溶作用的方法。他們公開了動物毛發(fā)可用作重金屬的捕獲劑、化妝品和食物的添加劑、頭發(fā)滋補(bǔ)劑和衣物改良劑。Miyamoto等(Kobunshi Ronbunshu Vol.39，pp.2372-2376，2003)描述了一種通過研磨制造超細(xì)羊毛粉末的方法，也分析了所得到的粉末的熱學(xué)性質(zhì)。
除了蛋白質(zhì)纖維之外，許多研究人員還嘗試從纖維素纖維，尤其是棉制造粉末，目的是發(fā)掘他們的用途。例如，Banker等(美國專利，No.5,674,507)提出了采用磷酸與纖維素材料反應(yīng)而制造低結(jié)晶度的粉末纖維素、珠狀纖維素和水合纖維素的幾種方法，并證實(shí)了這些產(chǎn)物適用于化妝品、藥物、個人護(hù)理品和類似的產(chǎn)品中。Kumar等(Journal of Applied Polymer Science Vol.82(11)，pp.2624-2628，2001)提出了在攪拌作用下于磷酸中處理棉短絨而制造低結(jié)晶度的纖維素粉末的方法。Sachetto等(美國專利，No.4,357,467)發(fā)明了一種通過聯(lián)合采用物理處理和化學(xué)處理而獲得微晶的解聚纖維素的方法。Turbak等(美國專利，No.4,483,743)研究出將普通的纖維素轉(zhuǎn)化為有微纖絲的纖維素，而基本不會引起原材料發(fā)生化學(xué)變化的方法。他們將纖維素纖維，主要是棉細(xì)分成為粉末，這些粉末可用作食品的熱量添加劑，以及用作藥品的增稠劑。這些粉末也廣泛用作化妝和化妝用品工業(yè)中的增稠劑、增量劑和載體。Matsuda等(美國專利，No.6,214,163)也制造了算術(shù)平均纖維長度為0.05-0.1mm的超級微纖絲化纖維素，其適合于用作生產(chǎn)彩色紙的染料或顏料的載體。Orlando等(美國專利，No.2,978,446)開發(fā)了通過水解而制造以穩(wěn)定程度聚合的纖維素產(chǎn)品。另外，F(xiàn)orand(美國專利，No.5,026,569)研究出一種制造棉纖維顆粒和將這類顆粒用于面包食品中的方法。
上述的回顧表明，許多研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種將天然纖維轉(zhuǎn)化為粉末的方法。然而，看起來這些研究忽略了將合成纖維粉碎成為粉末的方法，基本上并沒有關(guān)注將合成纖維粉碎成為粉末的方法。甚至是聚酯長絲這一最重要和廣泛使用的合成纖維都還未被粉碎和應(yīng)用。因此，本發(fā)明的目的是開發(fā)合成纖維，尤其是聚酯長絲處于粉末形式時的新應(yīng)用。而且，本發(fā)明提供了通過將廢棄的合成纖維，如聚酯纖維或服裝粉碎成為微米或納米級的粉末而對其進(jìn)行再利用和回收的一些思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供將合成纖維粉碎成為微米或納米級纖維材料的方式。為了達(dá)到這一目的，本發(fā)明提出了一種聯(lián)合采用在不同粉碎階段進(jìn)行的幾種不同的粉碎技術(shù)，將合成纖維粉碎成為微米或納米級的纖維材料的方法。通過運(yùn)用這種提議的方法，可將合成纖維，如聚酯長絲容易地和有效地粉碎成為微米級和納米級的纖維粉末。粉碎過程的不同階段包括1.原材料制備提供長度為1-5cm的合成纖維；2.第一次粉碎對所述的合成纖維進(jìn)行機(jī)械粉碎，得到長度小于等于500μm的粉末；3.第二次粉碎將得到的合成纖維粉末加入到水中而形成懸浮液，并對所述懸浮液進(jìn)行超聲粉碎；4.過濾分離過濾懸浮液；收集被截留的材料，得到粒度集中于20-100μm(粒度的分析眾數(shù)為33μm)的微米級合成纖維粉末。
5.第三次粉碎收集濾液，并對濾液進(jìn)行分散和粉碎，得到粒度集中于40-300nm(粒度的分析眾數(shù)為76.8nm)的納米級纖維材料。
上述粒度值是采用粒度分析儀分析而獲得的結(jié)果。
如果需要干燥態(tài)的微米和納米級合成纖維粉末，則需要進(jìn)一步進(jìn)行如下的步驟6.干燥粉末采用普通的噴霧干燥器干燥粉末，得到干燥的微米和納米級的合成纖維粉末。
本發(fā)明方法適用于各種合成纖維，如聚酯長絲、尼龍纖維、醋酸纖維或丙烯酰類纖維等。
在本發(fā)明方法的原材料制備步驟中，可首先采用普通機(jī)器，如工業(yè)洗衣機(jī)和干燥機(jī)清潔和干燥合成纖維，然后將合成纖維切割至1-5cm的長度，如剪切為2cm長。
在各粉碎步驟中，第一次粉碎(即機(jī)械粉碎步驟)可采用機(jī)械式粉碎機(jī)進(jìn)行；第二次粉碎(即超聲粉碎步驟)可采用超聲粉碎機(jī)進(jìn)行；所述過濾分離步驟可采用篩孔度為20微米的過濾器進(jìn)行；第三次粉碎(即分散和粉碎步驟)可采用分散機(jī)進(jìn)行。具體來說，所采用的機(jī)械式粉碎機(jī)可例如為旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)(如FZ 102實(shí)驗(yàn)室微型旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī))，所采用的超聲粉碎機(jī)為可例如為Ultrasonic Crusher JY-99II D，所采用的過濾器可例如為篩孔度為20微米的鐵絲網(wǎng)微板篩，所采用的分散機(jī)可例如為IKA T25 Basic Ultra-Turrax分散機(jī)等。
上述用于將合成纖維粉碎為微米和納米級的設(shè)備的主要性能參數(shù)報(bào)道如下●FZ 102實(shí)驗(yàn)室微型旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)電壓220V電機(jī)功率150W旋轉(zhuǎn)速度1400rpm篩0.5mm●Ningbo Scientz技術(shù)有限公司的超聲粉碎機(jī)JY-99 II D電源電壓220V最大輸出功率1800W負(fù)載比0.3-99.7％●IKA T25 Basic Ultra-Turrax分散機(jī)電壓220V電機(jī)功率500W旋轉(zhuǎn)速度11000-24000rpm


圖1是合成纖維的典型例子——聚酯長絲的掃描電子顯微(下文中稱為SEM)圖像(放大率500X)，該長絲的直徑約為25-30μm。
圖2是第一次粉碎步驟后得到的長度約為0.5mm的合成纖維典型例子——聚酯粉末的SEM圖像(放大率50X)。
圖3第二次粉碎步驟之后的微米級合成纖維典型例子——微米級聚酯粉末的SEM圖像(放大率100X)，該粉末的尺寸降低到了200-300μm。
圖4是第三次粉碎步驟之后的納米級合成纖維典型例子——納米級聚酯粉末的SEM圖像(放大率30,000X)，該粉末的尺寸小于100nm。
圖5是第三次粉碎步驟之后的納米級合成纖維典型例子——納米級聚酯粉末的二維原子力顯微(下文中稱為AFM)圖像。
圖6是第三次粉碎步驟之后的納米級合成纖維典型例子——納米級聚酯粉末的三維AFM圖像。
圖7是采用LS13320激光粒度分析儀測量得到的微米級和納米級合成纖維典型例子——微米級和納米級聚酯粉末的尺寸分布。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明展開進(jìn)一步詳細(xì)的描述。需要說明的是，本發(fā)明采用合成纖維的典型例子——聚酯長絲作為原料實(shí)施本發(fā)明的方法。但是，應(yīng)該理解下述粉碎聚酯長絲的實(shí)施方式并非用于限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的方法也可用于將其它合成纖維，如尼龍纖維、醋酸纖維或丙烯酸纖維粉碎成為微米和納米級粉末纖維材料。
在本發(fā)明中，通過以下在概述部分簡要描述的方法將直徑約為25-30μm的聚酯纖維長絲粉碎成為微米和納米級的纖維材料。不同階段的SEM圖像如圖1到4所示。
圖1中所示的直徑為約25-30μm的聚酯纖維長絲是粉碎過程所采用的原材料。為制備原材料(步驟1)，將聚酯長絲放入到網(wǎng)袋中，然后再放入到洗衣機(jī)中進(jìn)行洗滌。采用約50-80℃的溫水洗滌長絲。洗滌后，在普通的干燥機(jī)中干燥聚酯長絲。然后將聚酯長絲切割成約1-5cm的長度，準(zhǔn)備進(jìn)行第一次粉碎。
在第一次粉碎過程中(步驟2)，可采用一系列機(jī)械式粉碎機(jī)，如實(shí)驗(yàn)室微型旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)FZ102，將聚酯長絲粉碎成為小片段。如圖2所示，經(jīng)過第一次粉碎之后得到了長度約為500μm的聚酯粉末，該第一次粉碎是一個粗粉碎過程。
在第二次粉碎過程中(步驟3)，將由步驟2得到的粗粉末20g加入到800ml的去離子水或蒸餾水中，形成懸浮液。然后采用超聲粉碎機(jī)將其粉碎為微米級的聚酯粉末，如圖3所示。這一步驟中可采用一系列的專業(yè)超聲粉碎機(jī)(如采用超聲粉碎機(jī)JY-99IID來研究本發(fā)明)。在第二次粉碎過程期間，設(shè)置超聲粉碎機(jī)JY-99IID在1800W功率下的運(yùn)轉(zhuǎn)時間是2秒，中間有1秒的間隔，而該懸浮液通過這種手段粉碎的時間是40分鐘。
然后，采用篩孔度為20微米的鐵絲網(wǎng)微板篩過濾懸浮液(步驟4)。截留在微板篩上的材料主要是微米級的聚酯粉末，有關(guān)的SEM圖像如圖3所示。圖3表明，經(jīng)過4個步驟處理之后，獲得了粒度為200-300μm的聚酯粉末(根據(jù)SEM觀察到的結(jié)果)。而濾液部分則將繼續(xù)用于下一步驟的粉碎中。
在第三次粉碎過程中(步驟5)，采用分散機(jī)，如IKA T25 BasicUltra-turrax將從步驟4得到的長絲懸浮液的濾液分散并粉碎成為納米級的聚酯粉末。IKA T25 Basic Ultra-turrax的操作時間為5分鐘，操作速度為22000rpm。經(jīng)過這一步驟之后，得到的懸浮液由納米級的聚酯粉末構(gòu)成。該粉末的SEM圖像和二維及三維AFM圖像分別如圖4、5、6所示。如圖4所示，經(jīng)過該步驟獲得了粒度小于100nm的聚酯粉末(根據(jù)SEM觀察到的結(jié)果)。
在步驟4和步驟5中，只有在要求干燥態(tài)粉末的情況下，才需要噴霧干燥器作為任選的設(shè)備?？刹捎靡幌盗械母稍餀C(jī)。例如，可采用Mini噴霧干燥器，其設(shè)定為2900W，溫度為100℃，以及壓縮空氣為5bar，分別對步驟4和步驟5的產(chǎn)物，即微米級聚酯粉末和納米級聚酯粉末進(jìn)行干燥處理。
可采用一系列的粒度分析儀測定本發(fā)明制造的微米和納米級聚酯粉末的粒度分布。例如，采用Beckman Coulter LS 13320激光粒度分析儀，按照ISO/DIN13320-1來測定微米和納米粉末的粒度分布。該微米和納米粉末的粒度分布如圖7所示。微米級合成纖維粉末的粒度集中于20-100μm(粒度的分析眾數(shù)為33μm)，而納米級纖維材料的粒度集中于40-300nm(粒度的分析眾數(shù)為76.8nm)。采用粒度分析儀測定的和用SEM觀察到的粉末尺寸存在差異，原因可能是在粒度分析計(jì)算的最優(yōu)模式中將顆粒設(shè)定為球形顆粒，而在SEM圖像的特定面積上對粉末是隨機(jī)選擇的。SEM和AFM，以及粒度分析儀分析都提供了表明采用本發(fā)明的方法可獲得微米和納米級聚酯粉末的證據(jù)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過調(diào)整超聲粉碎機(jī)和分散機(jī)的操作參數(shù)，可容易地按照以上描述的方法將其他合成纖維，如尼龍纖維、醋酸纖維或丙烯酸纖維粉碎成為微米級和納米級的纖維粉末。在此不再展開描述。
本發(fā)明的方法提供了聯(lián)合采用幾種不同的粉碎技術(shù)而將合成纖維，如聚酯長絲粉碎成為微米和納米級的新路線。通過應(yīng)用這些方法，可容易地和有效地將合成纖維，如聚酯長絲粉碎成為微米和納米級。
由本發(fā)明的方法制備得到的微米級或納米級合成纖維，如微米級聚酯纖維粉末和納米級聚酯粉末可用于改善棉質(zhì)織物的物理、功能性、熱學(xué)和液體傳輸性質(zhì)。預(yù)計(jì)本發(fā)明的微米級或納米級合成纖維，如納米極聚酯纖維粉末和微米級聚酯纖維粉末可用于棉質(zhì)織物的后整理工序，最終希望可以加強(qiáng)布的可用性，例如改變棉質(zhì)織布的防縐特性。
權(quán)利要求
1.用于將合成纖維粉碎成為微米級纖維材料的方法，包括以下步驟提供長度為1-5cm的合成纖維；對所述的合成纖維進(jìn)行機(jī)械粉碎，得到長度小于等于500μm的粉末；將得到的合成纖維粉末加入到水中而形成懸浮液，并對所述懸浮液進(jìn)行超聲粉碎；過濾懸浮液；收集被截留的材料，得到由粒度分析儀所表征的粒度集中于20-100μm，粒度分析眾數(shù)為33μm的微米級合成纖維粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述合成纖維為聚酯長絲、尼龍纖維、醋酸纖維或丙烯酸纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供長度為1-5cm的合成纖維的步驟為分別采用洗衣機(jī)和干燥器清潔和干燥合成纖維，然后將合成纖維切割至1-5cm的長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械粉碎步驟采用機(jī)械式粉碎機(jī)進(jìn)行；所述超聲粉碎步驟采用超聲粉碎機(jī)進(jìn)行；所述過濾步驟采用篩孔度為20微米的過濾器進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械式粉碎機(jī)為旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)；所述超聲粉碎機(jī)為Ultrasonic Crusher JY-99 II D；所述過濾器為篩孔度為20微米的鐵絲網(wǎng)微板篩。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟采用噴霧干燥器干燥合成纖維粉末，得到干燥的微米級合成纖維粉末。
7.用于將合成纖維粉碎成為納米級纖維材料的方法，包括以下步驟提供長度為1-5cm的合成纖維；對所述的合成纖維進(jìn)行機(jī)械粉碎，得到長度小于等于500μm的粉末；將得到的合成纖維粉末加入到水中而形成懸浮液，并對所述懸浮液進(jìn)行超聲粉碎；過濾懸浮液；收集濾液，對濾液進(jìn)行分散和粉碎，得到由粒度分析儀所表征的粒度集中于40-300nm，粒度分析眾數(shù)為76.8nm的納米級纖維材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述合成纖維為聚酯長絲、尼龍纖維、醋酸纖維或丙烯酸纖維。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述提供長度為1-5cm的合成纖維的步驟為分別采用洗衣機(jī)和干燥器清潔和干燥合成纖維，然后將合成纖維切割至1-5cm的長度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械粉碎步驟采用機(jī)械式粉碎機(jī)進(jìn)行；所述超聲粉碎步驟采用超聲粉碎機(jī)進(jìn)行；所述過濾步驟采用篩孔度為20微米的過濾器進(jìn)行；所述分散和粉碎步驟采用分散機(jī)進(jìn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械式粉碎機(jī)為旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)；所述超聲粉碎機(jī)為Ultrasonic Crusher JY-99 II D；所述過濾器為篩孔度為20微米的鐵絲網(wǎng)微板篩；所述分散機(jī)為IKA T25 BasicUltra-Turrax分散機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7-9任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟采用噴霧干燥器干燥合成纖維粉末，得到干燥的微米級合成纖維粉末。
全文摘要
將合成纖維如聚酯長絲粉碎為微米級和納米級纖維材料的方法，包括提供長度為1－5cm的合成纖維；對所述的合成纖維進(jìn)行機(jī)械粉碎，得到長度小于等于500μm的粉末；將得到的合成纖維粉末加入到水中而形成懸浮液，并對所述懸浮液進(jìn)行超聲粉碎；過濾懸浮液；收集被截留的材料，得到由粒度分析儀表征的粒度集中于20－100μm(粒度的分析眾數(shù)為33μm)的微米級合成纖維粉末，或者，收集濾液并對其進(jìn)行分散和粉碎，得到由粒度分析儀所表征的粒度集中于40－300nm(粒度的分析眾數(shù)為76.8nm)的納米級纖維材料。本發(fā)明方法制得的微米級合成纖維材料和納米級合成纖維材料可用于棉質(zhì)織物的后整理工序，最終希望可以加強(qiáng)布的可用性，例如改變棉質(zhì)織布的防縐特性。
文檔編號D01F6/62GK1900121SQ20051008604
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月19日
發(fā)明者袁進(jìn)華, 鄭燕花, 古兆權(quán), 簡志偉 申請人:香港理工大學(xué)