熔喷水刺非织造材料制备及其过滤性能

曾倩茹,刘 诺,李素英,张 伟,张 瑜,张海峰

(南通大学 纺织服装学院,江苏 南通 226019)

2019年底新型冠状病毒(2019-nCoV)爆发给全世界人民造成了难以估计的生命和财产损失[1]。研究发现呼吸道飞沫传播是其主要传播途径,当前防护2019-nCoV的最有效措施为佩戴防护口罩[2]。此外,近年来我国在经济快速发展的同时也带来了一系列环境问题,尤其是空气污染越来越严重。被排放到大气中的颗粒物严重威胁着人们的身体健康、空气可见度、气候及生态平衡等[3]。面对越来越加剧的病毒防护压力和空气污染问题,研发高性能空气过滤材料迫在眉睫。

熔喷材料具有纤维直径小、比表面积大、孔径尺寸小、孔隙率高以及多孔网状结构等优点,经过驻极整理后材料表面或内部带有电荷,能够在传统空气过滤材料碰撞、拦截和扩散等机械捕获机理的基础上通过静电吸引作用进一步提高对微小颗粒的捕获能力,而不增加空气阻力,是个体防护口罩的核心过滤材料[4-7]。然而,传统电晕驻极熔喷材料存在过滤效率低、过滤效率不稳定的缺点,限制了材料的使用寿命[8],大量消耗口罩带来的“白色污染”对环境保护造成了巨大压力。

为了提高驻极熔喷空气过滤材料的过滤性能,学者主要采用两种研究策略:一方面通过掺杂改性助剂提高电荷陷阱对电荷的捕获能力,以提高过滤效率稳定性[9-11]。另一方面开发新型驻极整理技术[12-14]。近些年研究表明,高压水射流驻极(水驻极)处理的熔喷材料相比于电晕驻极熔喷材料过滤效率更高。通过高压水射流对单纤维、短纤维插层熔喷材料驻极处理,能够获得高性能过滤材料。水驻极技术是在一定压力下将水从喷雾装置中喷出形成高压水射流,在高压和负压抽吸双重作用下,水射流和气流与纤维材料高速摩擦从而产生电荷[15]。然而,目前对于水驻极整理的机理尚不完全清晰,对于水驻极整理熔喷材料过滤性能优异的机理也需要进一步的研究。

本文制备了改性聚丙烯熔喷材料,并采用水刺设备对熔喷材料驻极整理,研究了水刺整理对熔喷材料表面形貌和过滤性能的影响规律。采用表面静电压测试仪和热刺激电流法探究了熔喷水刺材料的电荷存储性能。通过调控熔喷材料面密度优化了其综合过滤性能,本研究对制备过滤效率优异的个体防护过滤材料具有一定的参考价值。

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

纯聚丙烯(PP)切片(熔融指数1 500 g/10 min,上海赛科石油化工有限责任公司),改性聚丙烯(mPP)切片(宣城广能非织造有限公司)。

1.1.2 仪器

AFSJ-80型熔喷实验机(淼力精密设备张家港有限公司);水刺设备(常熟市飞龙无纺机械有限公司);TM3000型扫描电子显微镜(日本Hitachi有限公司);H/GDWS-100L型高低温实验箱(上海泸升实验仪器厂);Trek-542A型表面静电压测试仪(美国Trek公司);TSI8130自动滤料测试仪(美国TSI公司)。

1.2 材料制备

1.2.1 熔喷材料制备

熔喷水刺材料制备过程如图1所示。

图1 熔喷水刺材料制备

以PP切片和mPP切片为原料,通过自动抽吸料装置将混合好的原料喂入料斗,其中mPP切片质量占总原料质量比为5%,在螺杆挤出机里均匀混合后再经过过滤和计量,混合均匀的熔体到达熔喷模头并从喷丝孔喷出,在高温、高速气流的牵伸作用下拉伸成超细纤维,接收到网帘上后依靠自身的残余热量黏合加固成熔喷非织造材料,熔喷非织造工艺主要在线参数见表1。

表 1 熔喷非织造工艺主要在线参数

1.2.2 水刺整理

对制备的改性熔喷非织造材料水刺处理,通过高压水射流和气流与纤维高速摩擦产生电荷,获得熔喷水刺材料,其制备过程如图1所示。在实验开始前,首先对样品进行预调湿处理,使样品能够更加有效地接受水射流的冲击以达到更显著的驻极效果。然后启动水刺设备,将经预湿后的聚丙烯熔喷非织造材料送入网帘,进行水刺整理。水刺喷头喷出高压水射流对熔喷材料进行冲击,同时在网帘底部配置负压抽吸装置对材料进行抽吸,水射流和高速空气气流在聚丙烯熔喷非织造材料内部穿梭流动,使纤维得到充分摩擦产生电荷并储存在纤网内部,完成驻极。之后通过传送装置将带电的熔喷材料送至烘箱进行烘干,烘干后得到水刺整理熔喷过滤材料。

1.3 表征及性能测试

1.3.1 表面形貌

采用扫描电子显微镜(SEM,TM 3000)观察熔喷材料表面形貌。

1.3.2 表面静电压

表面电压采用振动电极与电补偿的方法,利用非接触式静电测试仪测量。测试在温度(25±2)℃,湿度(45±5)%的环境下,首先将待测试驻极体材料放置于三脚架上,然后再将静电探针用铁架台固定在材料正上方,探针的指针方向朝下,当仪器都固定好以后,接通电源,打开测试仪器开关即可测试。本实验中探针与待测材料距离统一为1.5 cm,每个样品选取50个不同的位置进行测试。

1.3.3 过滤性能

采用自动滤料测试仪测试熔喷材料的过滤性能,测试参照GB 2626—2019《呼吸防护 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》,测试有效面积为100 cm2。采用氯化钠(NaCl)气溶胶颗粒为过滤介质,质量中值直径为0.26 μm,几何标准差小于1.83。过滤阻力通过高灵敏度的电子压力传感器测试。过滤效率通过测量滤料上下两端颗粒物的浓度计算获得,计算公式如下:

(1)

式中:η为过滤效率;ε1为上游气溶胶浓度;ε2为下游气溶胶浓度。

2.1 水刺前后熔喷材料形貌结构

图2为水刺前后熔喷材料的扫描电镜照片。

(a)水刺前 (b)水刺后

从图2(a)可以看出水刺前熔喷材料纤维随机杂乱排列,并构成三维多孔网状结构,这种结构适宜作为高效、低阻空气过滤材料[16]。经过水刺处理以后,熔喷材料的表面形貌产生明显的变化,部分纤维受到高压水射流作用发生断裂,纤网结构也遭到破坏。在水刺过程中一方面高压水射流与熔喷纤维高速摩擦产生电荷,另一方面高压水射流还会导致纤维产生运动,当水刺压力过大时,高压水射流冲击导致纤维会发生断裂,反而会导致对颗粒物的捕获能力下降。

2.2 水刺压力对熔喷水刺材料过滤性能影响

不同水刺压力下的熔喷材料过滤性能测试结果如图3所示。

(a)过滤效率及阻力

由图3(a)可知,不同的水刺压力下过滤效率分别为41.47%、99.10%、99.20%、99.36%、97.08%和90.41%,随着水刺压力增大,过滤效率呈现出先升高后稳定再降低的变化趋势。这是由于在开始阶段随着水刺压力增大,高压水射流和熔喷纤维的摩擦作用增强,从而产生更多电荷,以及水刺导致纤维缠结紧密,因此过滤效率增大。然而,随着水刺压力增大,熔喷纤网结构遭到破坏,导致过滤效率又逐渐下降。与此同时,过滤阻力总体呈现逐渐下降的趋势,这是由于水刺压力增大使部分纤维断裂,熔喷纤网结构被破坏而导致的。

进一步地,探讨了水刺压力对熔喷材料品质因数(FQ)的影响。品质因数是综合评价过滤性能的指标之一,在商业上有广泛应用[17],其定义如式(2)所示。

FQ=(ln 1/(1-η))/Δp

(2)

式中：FQ为品质因数,Pa-1；
η为过滤效率,%；
Δp为过滤阻力,Pa。品质因数越高,表明此材料的综合过滤性能越好。由图3(b)可以看出,随着水刺压力的增加,熔喷材料的综合过滤性能也呈现逐渐变好后又变差的趋势,这可以由品质因数的定义来解释,当过滤阻力逐渐降低时,品质因数随着过滤效率的增大而增大,而当过滤效率也降低时,品质因数存在最高值。因此,从材料的综合过滤性能角度来考虑,水刺压力增加在一定程度上可以提高熔喷材料的综合过滤性能。

2.3 熔喷水刺材料过滤效率耐热、湿老化性能

驻极体类个体防护过滤材料在存储、使用的过程中受到环境的作用后电荷会不可避免地逃逸,由此导致静电吸引作用的减弱,因此其过滤效率的稳定性是一项重要的性能指标[18]。在当前的相关检测标准中也明确要求材料在过滤性能检测前需要对其进行高低温湿热老化处理。因此,对所制备的熔喷水刺材料的过滤效率稳定性进行研究,选取市场上的电晕驻极熔喷材料作为对比样进行测试,研究温度70 ℃处理24 h后以及温度38 ℃、湿度85%条件处理24 h后熔喷材料的过滤效率衰减情况。

由图4(a)中可以看出,在经过热老化处理以后,不同的熔喷材料过滤效率都出现了下降,这是由于高温老化过程中,电晕驻极和水刺驻极熔喷材料受到热刺激的作用后捕获到陷阱中的电荷产生运动,当获得的能量高于陷阱能带时,就会从陷阱中逃逸,静电吸引作用减弱导致过滤效率下降[19]。从图4(b)中可以看出,经过高湿处理以后,电晕驻极和水刺驻极熔喷材料的过滤效率也都呈现不同程度的衰减,这是由于高湿环境中水分子形成的导电通路引起驻极产生的电荷耗散,显著降低静电吸引能力,从而影响过滤效率。然而对比不同材料热、湿老化处理后过滤效率的衰减情况,熔喷水刺材料过滤效率衰减的程度明显小于电晕驻极熔喷材料,表明熔喷水刺材料具有更优异的过滤效率耐老化稳定性。

(a)热老化

2.4 熔喷水刺材料带电性能

对于驻极体过滤材料来说,静电吸引作用对提高过滤性能具有重要作用,因此对制备的熔喷水刺过滤材料的带电性能进行研究。为方便起见,以水刺压力为0.6 MPa的样品为例,测试其热刺激电流谱图(TSD)和表面静电压,结果如图5所示。

(a)TSD图谱

TSD是一种间接评价驻极体材料电荷存储稳定性的方法,持续对驻极体材料加热时内部存储的电荷受到能量后会热激发从而从电荷陷阱中逃逸,导致外电路中出现电流,根据电流峰值出现对应的温度可以评价电荷存储的稳定性。

从图5(a)可看出,熔喷水刺材料TSD图谱中随着温度的上升同时出现了正负电流,表明同时存在正负电荷的逃逸。图5(b)中材料表面静电压也对此进一步证明,熔喷材料的正反两面电荷随机分布,且其电性也无明显规律。由此可以证明熔喷水刺材料中同时存在正电荷和负电荷,推测其主要与驻极机理相关,熔喷水刺过程中不仅存在着高压水射流与熔喷纤维的固液摩擦,同时存在高速气流和熔喷纤维的固气摩擦,因此可能产生不同电性的电荷[20]。不同电性的电荷在过滤时可以依靠静电吸引作用吸附捕获不同带电类型的微颗粒,因此,与电晕驻极熔喷材料相比过滤效率更高。另一方面,熔喷水刺材料摩擦产生的电荷更多存储于材料的内部,因此电荷存储稳定性更好,过滤效率的耐老化稳定性也更优异。

2.5 不同面密度熔喷材料过滤性能

材料的厚度、面密度等也会影响其过滤性能,因此本实验通过调控材料的面密度获得了具有不同过滤性能的熔喷水刺材料,其性能如图6所示。

(a)过滤效率及阻力

随着面密度的增加过滤效率呈现先增加后趋于稳定的趋势,过滤阻力呈线性增加的趋势。当面密度达到44 g/m2时过滤效率达到了99.97%,且基本趋于稳定,此时对应的过滤阻力为117.40 Pa。过滤性能呈现如此变化的原因与材料的结构密切相关,随着材料面密度的增加,一方面携带颗粒物的空气分子穿过的路径变长,颗粒物受到静电吸引及机械捕获作用的概率增加,因此过滤效率明显增加,此外材料面密度增加也会增加材料上的带电情况,提高静电吸引能力。另一方面面密度增加导致空气分子穿过的路径变长也会导致过滤阻力的增大[21]。

进一步对材料的品质因数进行了计算,随着面密度的增加品质因数呈现逐渐下降的趋势,这是由于面密度增加后材料过滤效率提升的程度不如过滤阻力上升的趋势明显,因此,通过增加材料面密度来提高过滤效率的方法会大幅度增加阻力。

1)熔喷水刺过滤材料的水刺压力对过滤性能有重要影响,水刺压力过大会破坏熔喷纤网结构,随着水刺压力增大,过滤效率呈现出先升高后稳定再降低的变化趋势。

2)熔喷水刺过滤材料中同时存在正负相反电性的电荷,熔喷水刺材料的过滤效率耐热、湿老化稳定性明显优于电晕驻极熔喷材料。

3)熔喷水刺材料的综合过滤性能随着面密度增加呈现逐渐下降的趋势,本实验中当材料面密度为44 g/m2时过滤效率达到了99.97%,对应的过滤阻力为117.40 Pa,性能远优于当前个体防护材料要求标准。

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