一种高孔隙率面膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高孔隙率复合面膜基布的制备方法。
背景技术
面膜作为一种具有保湿、美白和毛孔清洁等多种功效的护肤，现已成为消费者皮肤护理的首选，其覆盖于面部使用，以助于所含的液体成分渗人肌肤。
目前，市场上的面膜根据形状可分为3类，即膏状、泥状和片状中。其中，由精华液和面膜纸或面膜基布组成的片状面膜最为常见。其中面膜基布的材质非常多样，例如有无纺布、生物纤维、凝胶及水性胶布(也称巴布贴)，其中无纺布是最多品牌使用的。从使用的面膜基材来看，70％以上为无纺布，且以水刺无纺布为主，常用的有天丝纤维、黏胶纤维、棉纤维、铜氨纤维、蚕丝纤维等，非织造布的特点是高速高产、工艺变化多、可应用纤维广泛、结构性能多样化，符合“一次性使用、实用方便、安全卫生、低成本”的面膜使用要求。但是这些基布也存在很多问题。黏胶纤维制备基布的优点是造价低廉、吸湿性好、有较好的可纺性；但作为面膜基布时也存在很多缺点：质地重，力学性能差，湿态下力学性能下降严重，弹性差、易变形，尺寸稳定性差、缩水率大；浸水后发硬、使得其孔隙率减小，从而导致面膜基材湿态下透气性下降、亲肤性差，是粘胶纤维制备面膜基材时无法规避的问题。牛奶蛋白由于其在水中柔软、吸水率高，具有优异的弹性，且质地轻盈，用于改性粘胶纤维制备面膜基布，可增加基布在水中的柔软度、提高弹力，提高了基布的亲肤性能，同时牛奶蛋白中含有大量氨基酸，因此具有优异的亲肤性能，对皮肤有养护作用。但是采用牛奶蛋白纤维和粘胶纤维混纺时，依然存在收缩率大和尺寸不稳定的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高孔隙率面膜的制备方法。通过牛奶蛋白纤维素改性粘胶纤维制得高孔隙率的面膜基布，提高面膜基布的透气性和吸湿性。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高孔隙率改性面膜基布的制备方法，包括牛奶蛋白纤维素制备和复合纺丝，其特征在于：所述牛奶蛋白纤维素制备依次包括减压蒸发、脱脂、碱化、分离和揉和步骤；其中减压蒸发是对纯牛奶进行分段减压蒸发，第一阶段温度为45～60℃，蒸发压力为22～30kPa，浓缩到含水量为65～75％，第二阶段温度为35～50℃，蒸发压力为12～20kPa，浓缩到含水量为50～60％。
在减压蒸发过程中，由于水分蒸发，使得蛋白浓度变高，导致其受热均匀性变差，产生局部过热现象，部分蛋白质变性，使得牛奶蛋白纤维素提取率降低、制得的牛奶蛋白纤维品质差。本发明采用分段减压方式，提高真空度，避免蛋白变性，同时保证蒸发效率，提高了牛奶蛋白纤维素的提取率。
另外，牛奶蛋白纤维的的拉伸强度、断裂强度较低，在纺丝时由于纤维之间出现的的拉伸作用，容易出现断丝、分层等问题，本发明采用分段减压蒸发，通过降温减压，保证蛋白纤维结构稳固，提高其拉伸强度等，保证了其用于静电纺丝制备基布时具有优异的力学性能。
进一步，所述脱脂是减压蒸发后的牛奶进行离心分离，然后手收集液，离心转速为1000～5000rpm，时间为30～60min，将脂肪去除率控制在90～95％；上述碱化是在离心后的滤液中加入质量浓度为3～5％的氢氧化钠水溶液，碱化温度为40～60℃，碱化处理后脂肪剩余率小于1％；所述分离是用半透膜将碱化后的乳浊液中的蛋白质分离出来；所述揉合是在蛋白质中加入去离子水和蛋白质粘合剂，装入揉合机加热至60℃进行揉合形成流体。
进一步，所述复合纺丝是将用粘胶纤维素混合溶解水中，配制成纺丝液A，将牛奶蛋白纤维素预处理后加入纳米炭黑配制成纺丝液B，采用同轴静电纺丝制成复合面膜基布。
进一步，所述同轴纺丝过程中，电极电压为40～90KV，纺丝电极间距为150～200mm，纺丝湿度为20～35％，纺丝温度为25～55℃，纺丝液A和纺丝液B的纺丝速度比为6～12:1。
进一步，上述纺丝液A的质量浓度为2～20％。
进一步，上述纺丝液B具体是在预处理后的牛奶蛋白纤维素中加入3～10％质量比例的纳米炭黑，在700～1000rpm速率下搅拌6～8h，纺丝液B的质量浓度为5～22％，其中纳米炭黑的粒径为20～50nm。
牛奶蛋白纤维素由于自身存在严重静电、质量比电阻高，纺丝时容易出现团聚，相互缠绕、结点的现象，从而使得牛奶蛋白纤维分布不均匀，制备的面膜基布性能差。具有大量微孔纳米炭黑，其与牛奶蛋白纤维素混合，降低了纺丝液的质量比电阻，同时提高了牛奶蛋白纤维素之间的静电传导，从而消除牛奶蛋白纤维内部的静电积累，防止了牛奶蛋白纤维素团聚，在纺丝过程中，牛奶蛋白纤维素均匀分散于复合面膜基布中，使得基布厚度均匀。另外，炭黑的多孔结构，使得牛奶蛋白纤维在其表面孔道口会形成收缩，使得收缩位置附近形成一定孔隙，从而增加孔隙率。此外，炭黑的表面基团分别牛奶蛋白纤维分子链和粘胶纤维素之间产生作用力，若纤维素要发生尺寸收缩等变形，则需要克服该作用力，从而提高纤维素的抗变形能力，使得纤维素之间尺寸稳定性增强，从而提高基布湿态下的力学性能。
进一步，所述牛奶蛋白纤维素预处理是将制备的牛奶蛋白纤维素流体过滤除杂，然后在30～50℃下，以700～1500rpm的转速搅拌滤液5～8h，减少后续纺丝过程中出现的毛丝、断头，提高纺丝韧性。
最具体的，一种高孔隙率改性面膜基布的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤1、牛奶蛋白纤维素制备
对纯牛奶进行分段减压蒸发，其中第一阶段温度为45～60℃，蒸发压力为22～30kPa，浓缩到含水量为65～75％，第二阶段温度为35～50℃，蒸发压力为12～20kPa，浓缩到含水量为50～60％；对减压蒸发后的牛奶进行离心分离，然后收集滤液，离心转速为1000～5000rpm，时间为30～60min；在离心后的滤液中加入质量浓度为3～5％的氢氧化钠水溶液，碱化温度为40～60℃；用半透膜将碱化后的乳浊液中的蛋白质分离出来；在蛋白质中加入去离子水和蛋白质粘合剂，装入揉合机加热至60℃进行揉合形成流体；
步骤2、复合面膜基布制备
2.1、将粘胶纤维素溶解在水中，配制成质量浓度为2～20％的纺丝液A；
2.2、将步骤1制备的牛奶蛋白纤维素流体过滤，将滤液在30～50℃下，以700～1500rpm的转速搅拌5～8h，加入3～10％质量比例的纳米炭黑，在700～1000rpm速率下搅拌6～8h，形成质量浓度为5～22％的纺丝液B，其中纳米炭黑的粒径为20～50nm；
2.3、将纺丝液A和纺丝液B采用同轴静电纺丝混纺，纺丝电极电压为40～90KV，纺丝电极间距150～200mm，纺丝湿度20～35％纺丝温度25～55℃，纺丝液A和纺丝液B的纺丝速度比为6～12:1，制成复合面膜基布。
本发明采用牛奶蛋白纤维与粘胶纤维素混合使用，纺丝液A和纺丝液B进行同轴异速纺丝时，由于不同的纺丝速度，使得牛奶蛋白纤维形成过程中受到拉伸，从而使得基布中形成一定的孔隙，本发明采用粘胶纤维，与本发明提取的牛奶蛋白纤维在炭黑的改性下同轴静电纺丝，也克服了纺丝过程中基布力学性能降低的问题。另外，采用牛奶蛋白纤维素与粘胶纤维素进行混纺，增加了纤维素的分子链段之间存在相互排斥，使得在混纺过程中，纤维之间保持一定的距离，形成了一定的孔隙结构，进一步提高了复合面膜基布的孔隙率，使得基材密实性降低，从而提高了基布的透气性和吸湿性。
本发明具有如下技术效果：
本发明方法中，牛奶蛋白纤维的提取率从70％提高到90％，具有优异的力学性能。本发明方法制备改性面膜基布过程中没有断丝、分层现象；制得的基布均匀性好、无团聚；同时基布浸水后的收缩率下降、尺寸稳定性好；本发明基布孔径大、孔隙率高、孔隙率达到70.2％，使得面膜基本具有优异的透气性和吸湿性，其透气量达到2960mm/s，水蒸气透过量达到1580g/(m2·d)。
附图说明
图1：本发明制备的牛奶蛋白纤维改性基布和非改性基布孔径分布占比图。
图2：本发明制备的牛奶蛋白纤维改性基布和非改性基布孔隙率对比图。
图3：本发明制备的牛奶蛋白纤维改性基布和非改性基布透气量对比图。
图4：本发明制备的牛奶蛋白纤维改性基布和非改性基布透湿性能对比图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种高孔隙率改性面膜基布的制备方法，按如下步骤进行：
步骤1、牛奶蛋白纤维素制备
对纯牛奶进行分段减压蒸发，第一阶段温度为55℃，蒸发压力为25kPa，浓缩到含水量为70％，第二阶段温度为40℃，蒸发压力为15kPa，浓缩到含水量为55％；
对减压蒸发后的牛奶进行离心分离，然后收集滤液，离心转速为4000rpm，时间为40min；在离心后的滤液中加入质量浓度为4％的氢氧化钠水溶液，碱化温度为50℃；用半透膜将碱化后的乳浊液中的蛋白质分离出来；在蛋白质中加入去离子水和蛋白质粘合剂，装入揉合机加热至60℃进行揉合；
步骤2、复合面膜基布制备
2.1、将粘胶纤维素溶解在水中，配制成质量浓度为10％的纺丝液A；
2.2、将步骤1制备的牛奶蛋白纤维素过滤，将滤液在45℃下，以1000rpm的转速搅拌6h，加入5％质量比例的纳米炭黑，在800rpm速率下搅拌7h，形成质量浓度为15％的纺丝液B，其中纳米炭黑的粒径为20～50nm；
2.3、将纺丝液A和纺丝液B采用同轴静电纺丝混纺，纺丝电极电压为60KV，纺丝电极间距180mm，纺丝湿度30％纺丝温度45℃，纺丝液A和纺丝液B的纺丝速度比为8:1，制成复合面膜基布。
本实施例在纺丝过程中没有出现断丝、分层的现象，制备的面膜基布无团聚现象，均匀性好。
实施例2
一种高孔隙率改性面膜基布的制备方法，按如下步骤进行：
步骤1、牛奶蛋白纤维素制备
对纯牛奶进行分段减压蒸发，第一阶段温度为60℃，蒸发压力为30kPa，浓缩到含水量为65％，第二阶段温度为50℃，蒸发压力为20kPa，浓缩到含水量为50％；
对减压蒸发后的牛奶进行离心分离，然后收集滤液，离心转速为1000rpm，时间为60min；在离心后的滤液中加入质量浓度为5％的氢氧化钠水溶液，碱化温度为40℃；用半透膜将碱化后的乳浊液中的蛋白质分离出来，在蛋白质中加入去离子水和蛋白质粘合剂，装入揉合机加热至60℃进行揉合；
步骤2、复合面膜基布制备
2.1、将粘胶纤维素溶解在水中，配制成质量浓度为2％的纺丝液A；
2.2、将步骤1制备的牛奶蛋白纤维素过滤，将滤液在50℃下，以700rpm的转速搅拌8h，加入3％质量比例的纳米炭黑，在700rpm速率下搅拌6h，形成质量浓度为5％的纺丝液B，其中纳米炭黑的粒径为20～50nm；
2.3、将纺丝液A和纺丝液B采用同轴静电纺丝混纺，纺丝电极电压为40KV，纺丝电极间距150mm，纺丝湿度20％纺丝温度55℃，纺丝液A和纺丝液B的纺丝速度比为6:1，制成复合面膜基布。
本实施例在纺丝过程中没有出现断丝、分层的现象，制备的面膜基布无团聚现象，均匀性好。
实施例3
一种高孔隙率改性面膜基布的制备方法，按如下步骤进行：
步骤1、牛奶蛋白纤维素制备
对纯牛奶进行分段减压蒸发，第一阶段温度为45℃，蒸发压力为22kPa，，浓缩到含水量为75％，第二阶段温度为35℃，蒸发压力为12kPa，浓缩到含水量为60％；
对减压蒸发后的牛奶进行离心分离，然后收集滤液，离心转速为5000rpm，时间为30min；在离心后的滤液中加入质量浓度为3％的氢氧化钠水溶液，碱化温度为60℃；用半透膜将碱化后的乳浊液中的蛋白质分离出来，在蛋白质中加入去离子水和蛋白质粘合剂，装入揉合机加热至60℃进行揉合；
步骤2、复合面膜基布制备
2.1、将粘胶纤维素溶解在水中，配制成质量浓度为20％的纺丝液A；
2.2、将步骤1制备的牛奶蛋白纤维素过滤，将滤液在30℃下，以1500rpm的转速搅拌5h，加入10％质量比例的纳米炭黑，在1000rpm速率下搅拌8h，形成质量浓度为22％的纺丝液B，其中纳米炭黑的粒径为20～50nm；
2.3、将纺丝液A和纺丝液B采用同轴静电纺丝混纺，纺丝电极电压为40KV，纺丝电极间距200mm，纺丝湿度35％纺丝温度25℃，纺丝液A和纺丝液B的纺丝速度比为12:1，制成复合面膜基布。
本实施例在纺丝过程中没有出现断丝、分层的现象，制备的面膜基布无团聚现象，均匀性好。
对比例
对比例采用牛奶蛋白纤维直接将和粘胶纤维素混纺制备基布：
将粘胶纤维素溶解在水中，配制成质量浓度15％的纺丝液A；采用一次减压蒸发提取的牛奶蛋白纤维素与水配制成质量浓度为12％的纺丝液B，采用静电纺丝混纺，纺丝电极电压为60KV，纺丝电极间距180mm，纺丝湿度30％纺丝温度45℃，纺丝液A和纺丝液B的纺丝速度比为8∶1制成面膜基布。
在制备过程中，发生了纺丝断裂、分层的现象，制备的基布厚薄不均匀。
本发明制备的改性面膜基布和对比例制备的基布的孔径占比数据如表1所示。
表1：两种基布不同孔径占比数据
可知，本发明制备的改性基布的孔径分布中，大尺寸孔占比高，大的孔隙结构，透气能力增强。对比例中60μm以上的孔径分布增加，主要是由于纺丝过程中出现断丝现象，导致出现较大孔径。
本发明制备的基布较对比例制备的基布浸水后的收缩率下降了56.4％，具有优异的尺寸稳定性。
对本发明制备的改性的面膜基布性能分析：
1.孔径结构及孔隙率
利用扫描电子显微镜对样品进行表面形态分析，改性面膜基布的孔隙率明显比对比例制备的基布大，即是说通过改性结合特定的纺丝手段，大大提高了基布的孔隙率。用孔隙率来表征非织造材料的通透性能，其计算公式为
P＝[1-m/(ρδ)]×100％；
其中p为孔隙率，％；ρ为纤维密度，g/m3；δ为材料厚度，m；m为材料平方米质量，g/m2。
按照此公式计算，计算出牛奶蛋白纤维素改性基布的孔隙率为72.4％，对比例制备的基布的孔隙率为49.1％，如图2所示。说明本发明制备的牛奶蛋白纤维改性基布具有高孔隙率，从而保证了优异的透气性和吸湿性。
图1为两种材料不同孔径所占的比例。从数据可知，本发明牛奶蛋白改性纤维素所制备面膜基布的孔径分布与非改性基布的孔径分布相比，本发明制备的面膜基布大尺寸孔占比高，孔隙率高达72.4％，可知，本发明制备的面膜基布的密实性低，孔数量多，随着纤维孔径增大，储存毛细水的能力增强，进一步有效锁住面膜液中的乳液分子，面膜液在面膜基布中的水分蒸发缓慢，面膜保液时间越长，能有效提高面膜保湿性。
2.透气性能检测
参照GB/T5453—1997《纺织品织物透气性的测定》标准，利用YG461E型全自动织物透气仪测量干态面膜基布的透气性。从图3可知，牛奶蛋白纤维素改性基布的透气量为2980mm/s，较非改性基布提高约54.9％。
3.透湿性能检测
参照GB/T12704.1—2009《纺织品织物透湿性试验方法第1部分:吸湿法》标准，采用正杯法，并根据计算了干态面膜基布的透湿量(WVT)。从图4可知，牛奶蛋白纤维素改性基布的透湿量为1580g/(m2·d)，较非改性基布(730g/(m2·d))提高了约67.2％，由此可见本发明制备的牛奶蛋白纤维改性基布的吸湿性能优异。
