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青岛大学宁新教授团队 CEJ:通过界面大分子植入制备耐久双亲性聚丙烯微纳米纤维材料
2025-03-18  来源:高分子科技


  近日,青岛大学宁新教授团队亲性聚丙烯超细纤维材料的连续化制备技术上取得进展,在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为“Polypropylene durable amphiphilicity through interfacial macromolecular implantation”的研究论文并相关专利申报。该研究报道了一种工业化可行的双组份纤维纺丝和后处理工艺以制备具有耐久表面双亲性的聚丙烯(PP超细纤维及非织造材料。如图1流程图所示,在双组份熔融纺丝过程中,两种组份熔体界面上发生了分子链相互扩散,改性聚乙烯醇(PVA共聚物的部分大分子链段被植入到PP界面相,并随着纤维冷却固化被锚定PP纤维表面,这是PP纤维具有亲水性的原因。热水(95 )处理去除PP纤维表面游离的PVA,得到PP超细纤维,但并不会改变锚定PVA亲水链段带来的亲水效果;DMSO处理(65 )则可进一步提取PP表面上锚定较浅的PVA链或将其掩埋进PP内部使PP纤维表面再转化为亲油性和疏水性。此外,PVA可回收再利用,回收后的PVA组成、分子结构、热性能与原料一致。


  理论上,这种新型大分子界面植入机制可以拓展到其他高分子熔体加工工艺(熔融共挤出、多层吹塑等),其他双组份纺丝配置(并列型side by side、皮芯型sheath/core、橘瓣型segmented pie、海岛型island/sea等)以及其他疏水聚合物材料(聚烯烃、聚酯等)改性技术上,从而具有广谱的材料应用研究指导意义。


/疏水PP微纳米纤维非织造材料制备工艺流程、大分子界面植入机制示意图;(aPVA/PP海岛纤维,(bPP-w,(cPP-d,(dPP-w-d微纳米纤维无纺布的SEM图像


  图2a-d中,XRDTGDSC以及PVA提取后的失重率测试结果均协同一致表明,PVA/PP海岛纤维经热水或DMSO多次反复处理后,PVA几乎被完全去除。经热水处理后得到的PP-w纤维表现出反复持久的亲水性,并由此带给非织造材料显著的水相毛细芯吸效应(图2e),属于双亲性(Amphiphilic)材料。而经DMSO直接处理或热水处理后再进一步DMSO处理得到的PP-dPP-w-d纤维则再次表现出疏水性。


  在机理研究中,通过ATR-FTIRXPS这两种经典的分子层级的表面测试技术才得以检测到PP微纳米纤维表面成分中仍然存在-OHO元素)(多次测量可复现)。PP-w样品表面O元素含量为12.6%,这是由于锚定的PVA分子链部分暴露在表面,表现出亲水性;PP-dPP-w-d样品氧元素含量分别为5.9%5.7%,说明DMSO由于特殊的氢键作用会进一步提取表面锚定较少的PVA分子链,但不能完全去除PP表面内部锚定的PVA 分子链或者引起PP溶胀使PVA分子链进一步内化到PP表面内部,使其仍然处于ATR-FTIRXPS技术的检测精度范围内,宏观表面却表现为疏水性(如图2g-i)所示)。


2 PP纤维非织造材料(a)XRD谱图,(b)TG曲线,(c)DSC曲线,(d)PVA提取后的失重率,e)水相和(f)油相中毛细芯吸高度动态变化曲线,(gFTIR谱图,(hXPS谱图,(i)表面O含量


  图3测试结果表明,通过大分子界面植入法制备的PP纤维具有耐久的双亲性,不会随着样品的老化和有机溶剂等恶劣环境的侵蚀而改变,远优于传统表面改性工艺所带来的亲水耐久性,且更具产业化前景。新型大分子界面植入机制有望使得常见的大部分疏水性化学纤维获得类似于天然纤维素纤维的表面双亲性特性,并实现产业化、规模化,这将有可能改变大部分化学纤维在其生命周期末端的环境处置命运。


3 PP纤维非织造材料亲水效果的耐有机溶剂和耐久性


  聚丙烯(PP)作为全球第二大合成纤维材料,因其轻质、成本低、机械强度高、耐腐蚀等优势,广泛应用于医疗、过滤、卫生等领域。然而,PP的极度疏水性导致其难以进行表面功能化处理,限制了其在高端领域的应用。传统改性方法(如浸渍、涂层、等离子处理、化学接枝等)存在耐久性差、工艺复杂、污染环境及成本和规模化等问题。如何赋予PP纤维持久可控的亲水/疏水特性,是学术界与产业界共同关注的难题。本文为解决此行业难点提供了一种全新的路线。


  青岛大学纺织服装学院蔡顺忠硕士与赵壬海博士为论文共同第一作者,宁新教授与明津法副教授为论文共同通讯作者。非织造材料与产业用纺织品创新研究院是青岛大学校直属科研机构,研究院关注非织造产业领域技术和产品创新,现设有特型非织造装备和工艺的工程研究、智能纺织品中功能纤维研究、纤维表面改性与非织造材料的功能后整理研究、非织造结构及纤维隔膜在环境、新能源方面的研究四个研究方向。


  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161428

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