熔噴水刺非織造材料制備及其過濾性能

曾倩茹,劉 諾,李素英,張 偉,張 瑜,張海峰

(南通大學 紡織服裝學院,江蘇 南通 226019)

0 引 言

2019年底新型冠狀病毒(2019-nCoV)爆發給全世界人民造成了難以估計的生命和財產損失[1]。研究發現呼吸道飛沫傳播是其主要傳播途徑,當前防護2019-nCoV的最有效措施為佩戴防護口罩[2]。此外,近年來我國在經濟快速發展的同時也帶來了一系列環境問題,尤其是空氣污染越來越嚴重。被排放到大氣中的顆粒物嚴重威脅著人們的身體健康、空氣可見度、氣候及生態平衡等[3]。面對越來越加劇的病毒防護壓力和空氣污染問題,研發高性能空氣過濾材料迫在眉睫。

熔噴材料具有纖維直徑小、比表面積大、孔徑尺寸小、孔隙率高以及多孔網狀結構等優點,經過駐極整理后材料表面或內部帶有電荷,能夠在傳統空氣過濾材料碰撞、攔截和擴散等機械捕獲機理的基礎上通過靜電吸引作用進一步提高對微小顆粒的捕獲能力,而不增加空氣阻力,是個體防護口罩的核心過濾材料[4-7]。然而,傳統電暈駐極熔噴材料存在過濾效率低、過濾效率不穩定的缺點,限制了材料的使用壽命[8],大量消耗口罩帶來的“白色污染”對環境保護造成了巨大壓力。

為了提高駐極熔噴空氣過濾材料的過濾性能,學者主要采用兩種研究策略:一方面通過摻雜改性助劑提高電荷陷阱對電荷的捕獲能力,以提高過濾效率穩定性[9-11]。另一方面開發新型駐極整理技術[12-14]。近些年研究表明,高壓水射流駐極(水駐極)處理的熔噴材料相比于電暈駐極熔噴材料過濾效率更高。通過高壓水射流對單纖維、短纖維插層熔噴材料駐極處理,能夠獲得高性能過濾材料。水駐極技術是在一定壓力下將水從噴霧裝置中噴出形成高壓水射流,在高壓和負壓抽吸雙重作用下,水射流和氣流與纖維材料高速摩擦從而產生電荷[15]。然而,目前對于水駐極整理的機理尚不完全清晰,對于水駐極整理熔噴材料過濾性能優異的機理也需要進一步的研究。

本文制備了改性聚丙烯熔噴材料,并采用水刺設備對熔噴材料駐極整理,研究了水刺整理對熔噴材料表面形貌和過濾性能的影響規律。采用表面靜電壓測試儀和熱刺激電流法探究了熔噴水刺材料的電荷存儲性能。通過調控熔噴材料面密度優化了其綜合過濾性能,本研究對制備過濾效率優異的個體防護過濾材料具有一定的參考價值。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

純聚丙烯(PP)切片(熔融指數1 500 g/10 min,上海賽科石油化工有限責任公司),改性聚丙烯(mPP)切片(宣城廣能非織造有限公司)。

1.1.2 儀器

AFSJ-80型熔噴實驗機(淼力精密設備張家港有限公司);水刺設備(常熟市飛龍無紡機械有限公司);TM3000型掃描電子顯微鏡(日本Hitachi有限公司);H/GDWS-100L型高低溫實驗箱(上海瀘升實驗儀器廠);Trek-542A型表面靜電壓測試儀(美國Trek公司);TSI8130自動濾料測試儀(美國TSI公司)。

1.2 材料制備

1.2.1 熔噴材料制備

熔噴水刺材料制備過程如圖1所示。

圖1 熔噴水刺材料制備

以PP切片和mPP切片為原料,通過自動抽吸料裝置將混合好的原料喂入料斗,其中mPP切片質量占總原料質量比為5%,在螺桿擠出機里均勻混合后再經過過濾和計量,混合均勻的熔體到達熔噴模頭并從噴絲孔噴出,在高溫、高速氣流的牽伸作用下拉伸成超細纖維,接收到網簾上后依靠自身的殘余熱量黏合加固成熔噴非織造材料,熔噴非織造工藝主要在線參數見表1。

表 1 熔噴非織造工藝主要在線參數

1.2.2 水刺整理

對制備的改性熔噴非織造材料水刺處理,通過高壓水射流和氣流與纖維高速摩擦產生電荷,獲得熔噴水刺材料,其制備過程如圖1所示。在實驗開始前,首先對樣品進行預調濕處理,使樣品能夠更加有效地接受水射流的沖擊以達到更顯著的駐極效果。然后啟動水刺設備,將經預濕后的聚丙烯熔噴非織造材料送入網簾,進行水刺整理。水刺噴頭噴出高壓水射流對熔噴材料進行沖擊,同時在網簾底部配置負壓抽吸裝置對材料進行抽吸,水射流和高速空氣氣流在聚丙烯熔噴非織造材料內部穿梭流動,使纖維得到充分摩擦產生電荷并儲存在纖網內部,完成駐極。之后通過傳送裝置將帶電的熔噴材料送至烘箱進行烘干,烘干后得到水刺整理熔噴過濾材料。

1.3 表征及性能測試

1.3.1 表面形貌

采用掃描電子顯微鏡(SEM,TM 3000)觀察熔噴材料表面形貌。

1.3.2 表面靜電壓

表面電壓采用振動電極與電補償的方法,利用非接觸式靜電測試儀測量。測試在溫度(25±2)℃,濕度(45±5)%的環境下,首先將待測試駐極體材料放置于三腳架上,然后再將靜電探針用鐵架臺固定在材料正上方,探針的指針方向朝下,當儀器都固定好以后,接通電源,打開測試儀器開關即可測試。本實驗中探針與待測材料距離統一為1.5 cm,每個樣品選取50個不同的位置進行測試。

1.3.3 過濾性能

采用自動濾料測試儀測試熔噴材料的過濾性能,測試參照GB 2626—2019《呼吸防護 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》,測試有效面積為100 cm2。采用氯化鈉(NaCl)氣溶膠顆粒為過濾介質,質量中值直徑為0.26 μm,幾何標準差小于1.83。過濾阻力通過高靈敏度的電子壓力傳感器測試。過濾效率通過測量濾料上下兩端顆粒物的濃度計算獲得,計算公式如下:

(1)

式中:η為過濾效率;ε1為上游氣溶膠濃度;ε2為下游氣溶膠濃度。

2 結果與討論

2.1 水刺前后熔噴材料形貌結構

圖2為水刺前后熔噴材料的掃描電鏡照片。

(a)水刺前 (b)水刺后

從圖2(a)可以看出水刺前熔噴材料纖維隨機雜亂排列,并構成三維多孔網狀結構,這種結構適宜作為高效、低阻空氣過濾材料[16]。經過水刺處理以后,熔噴材料的表面形貌產生明顯的變化,部分纖維受到高壓水射流作用發生斷裂,纖網結構也遭到破壞。在水刺過程中一方面高壓水射流與熔噴纖維高速摩擦產生電荷,另一方面高壓水射流還會導致纖維產生運動,當水刺壓力過大時,高壓水射流沖擊導致纖維會發生斷裂,反而會導致對顆粒物的捕獲能力下降。

2.2 水刺壓力對熔噴水刺材料過濾性能影響

不同水刺壓力下的熔噴材料過濾性能測試結果如圖3所示。

(a)過濾效率及阻力

由圖3(a)可知,不同的水刺壓力下過濾效率分別為41.47%、99.10%、99.20%、99.36%、97.08%和90.41%,隨著水刺壓力增大,過濾效率呈現出先升高后穩定再降低的變化趨勢。這是由于在開始階段隨著水刺壓力增大,高壓水射流和熔噴纖維的摩擦作用增強,從而產生更多電荷,以及水刺導致纖維纏結緊密,因此過濾效率增大。然而,隨著水刺壓力增大,熔噴纖網結構遭到破壞,導致過濾效率又逐漸下降。與此同時,過濾阻力總體呈現逐漸下降的趨勢,這是由于水刺壓力增大使部分纖維斷裂,熔噴纖網結構被破壞而導致的。

進一步地,探討了水刺壓力對熔噴材料品質因數(FQ)的影響。品質因數是綜合評價過濾性能的指標之一,在商業上有廣泛應用[17],其定義如式(2)所示。

FQ=(ln 1/(1-η))/Δp

(2)

式中：FQ為品質因數,Pa-1；η為過濾效率,%；Δp為過濾阻力,Pa。品質因數越高,表明此材料的綜合過濾性能越好。由圖3(b)可以看出,隨著水刺壓力的增加,熔噴材料的綜合過濾性能也呈現逐漸變好后又變差的趨勢,這可以由品質因數的定義來解釋,當過濾阻力逐漸降低時,品質因數隨著過濾效率的增大而增大,而當過濾效率也降低時,品質因數存在最高值。因此,從材料的綜合過濾性能角度來考慮,水刺壓力增加在一定程度上可以提高熔噴材料的綜合過濾性能。

2.3 熔噴水刺材料過濾效率耐熱、濕老化性能

駐極體類個體防護過濾材料在存儲、使用的過程中受到環境的作用后電荷會不可避免地逃逸,由此導致靜電吸引作用的減弱,因此其過濾效率的穩定性是一項重要的性能指標[18]。在當前的相關檢測標準中也明確要求材料在過濾性能檢測前需要對其進行高低溫濕熱老化處理。因此,對所制備的熔噴水刺材料的過濾效率穩定性進行研究,選取市場上的電暈駐極熔噴材料作為對比樣進行測試,研究溫度70 ℃處理24 h后以及溫度38 ℃、濕度85%條件處理24 h后熔噴材料的過濾效率衰減情況。

由圖4(a)中可以看出,在經過熱老化處理以后,不同的熔噴材料過濾效率都出現了下降,這是由于高溫老化過程中,電暈駐極和水刺駐極熔噴材料受到熱刺激的作用后捕獲到陷阱中的電荷產生運動,當獲得的能量高于陷阱能帶時,就會從陷阱中逃逸,靜電吸引作用減弱導致過濾效率下降[19]。從圖4(b)中可以看出,經過高濕處理以后,電暈駐極和水刺駐極熔噴材料的過濾效率也都呈現不同程度的衰減,這是由于高濕環境中水分子形成的導電通路引起駐極產生的電荷耗散,顯著降低靜電吸引能力,從而影響過濾效率。然而對比不同材料熱、濕老化處理后過濾效率的衰減情況,熔噴水刺材料過濾效率衰減的程度明顯小于電暈駐極熔噴材料,表明熔噴水刺材料具有更優異的過濾效率耐老化穩定性。

(a)熱老化

2.4 熔噴水刺材料帶電性能

對于駐極體過濾材料來說,靜電吸引作用對提高過濾性能具有重要作用,因此對制備的熔噴水刺過濾材料的帶電性能進行研究。為方便起見,以水刺壓力為0.6 MPa的樣品為例,測試其熱刺激電流譜圖(TSD)和表面靜電壓,結果如圖5所示。

(a)TSD圖譜

TSD是一種間接評價駐極體材料電荷存儲穩定性的方法,持續對駐極體材料加熱時內部存儲的電荷受到能量后會熱激發從而從電荷陷阱中逃逸,導致外電路中出現電流,根據電流峰值出現對應的溫度可以評價電荷存儲的穩定性。

從圖5(a)可看出,熔噴水刺材料TSD圖譜中隨著溫度的上升同時出現了正負電流,表明同時存在正負電荷的逃逸。圖5(b)中材料表面靜電壓也對此進一步證明,熔噴材料的正反兩面電荷隨機分布,且其電性也無明顯規律。由此可以證明熔噴水刺材料中同時存在正電荷和負電荷,推測其主要與駐極機理相關,熔噴水刺過程中不僅存在著高壓水射流與熔噴纖維的固液摩擦,同時存在高速氣流和熔噴纖維的固氣摩擦,因此可能產生不同電性的電荷[20]。不同電性的電荷在過濾時可以依靠靜電吸引作用吸附捕獲不同帶電類型的微顆粒,因此,與電暈駐極熔噴材料相比過濾效率更高。另一方面,熔噴水刺材料摩擦產生的電荷更多存儲于材料的內部,因此電荷存儲穩定性更好,過濾效率的耐老化穩定性也更優異。

2.5 不同面密度熔噴材料過濾性能

材料的厚度、面密度等也會影響其過濾性能,因此本實驗通過調控材料的面密度獲得了具有不同過濾性能的熔噴水刺材料,其性能如圖6所示。

(a)過濾效率及阻力

隨著面密度的增加過濾效率呈現先增加后趨于穩定的趨勢,過濾阻力呈線性增加的趨勢。當面密度達到44 g/m2時過濾效率達到了99.97%,且基本趨于穩定,此時對應的過濾阻力為117.40 Pa。過濾性能呈現如此變化的原因與材料的結構密切相關,隨著材料面密度的增加,一方面攜帶顆粒物的空氣分子穿過的路徑變長,顆粒物受到靜電吸引及機械捕獲作用的概率增加,因此過濾效率明顯增加,此外材料面密度增加也會增加材料上的帶電情況,提高靜電吸引能力。另一方面面密度增加導致空氣分子穿過的路徑變長也會導致過濾阻力的增大[21]。

進一步對材料的品質因數進行了計算,隨著面密度的增加品質因數呈現逐漸下降的趨勢,這是由于面密度增加后材料過濾效率提升的程度不如過濾阻力上升的趨勢明顯,因此,通過增加材料面密度來提高過濾效率的方法會大幅度增加阻力。

3 結 論

1)熔噴水刺過濾材料的水刺壓力對過濾性能有重要影響,水刺壓力過大會破壞熔噴纖網結構,隨著水刺壓力增大,過濾效率呈現出先升高后穩定再降低的變化趨勢。

2)熔噴水刺過濾材料中同時存在正負相反電性的電荷,熔噴水刺材料的過濾效率耐熱、濕老化穩定性明顯優于電暈駐極熔噴材料。

3)熔噴水刺材料的綜合過濾性能隨著面密度增加呈現逐漸下降的趨勢,本實驗中當材料面密度為44 g/m2時過濾效率達到了99.97%,對應的過濾阻力為117.40 Pa,性能遠優于當前個體防護材料要求標準。