張煌忠

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 三明 365000)

熔噴非織造材料在空氣過(guò)濾領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展研究

張煌忠

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 三明 365000)

由于熔噴非織造材料在空氣過(guò)濾方面具有高效、低阻、抗菌、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，使熔噴非織造材料的空氣過(guò)濾市場(chǎng)越來(lái)越大。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和世界經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)在熔噴非織造空氣過(guò)濾材料上得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展生物可降解熔噴材料、熔噴納米纖維、雙組份熔噴、駐極處理等代表了熔噴非織造空氣過(guò)濾材料的技術(shù)發(fā)展方向。

熔噴非織造材料；空氣過(guò)濾；技術(shù)發(fā)展

熔噴工藝是至今可以直接紡得的最細(xì)的超細(xì)纖維的一種非織造材料生產(chǎn)技術(shù)，它利用聚酯、聚丙烯等熱塑性高聚物在受熱熔融的狀態(tài)下，從紡絲箱體噴絲板上的細(xì)小噴絲孔中高速?lài)娚涠?，依靠噴絲孔兩側(cè)與聚合物熔體噴出方向呈一定夾角的高速熱空氣流噴吹，使其瞬間極限拉伸，形成超細(xì)纖維并收集在凝網(wǎng)簾或滾筒上，再經(jīng)過(guò)自身粘合或其他固結(jié)方法而成為超細(xì)纖維非織造材料。熔噴非織造材料具有纖維超細(xì)、比表面積大、孔隙小、空隙率高等特點(diǎn)，在一般性過(guò)濾中能夠發(fā)揮高效、低阻、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到良好的濾除粉塵和細(xì)菌等有害物質(zhì)的效果，是一種性能優(yōu)良的過(guò)濾材料。在空氣過(guò)濾領(lǐng)域，熔噴非織造材料已經(jīng)大量推廣應(yīng)用到醫(yī)用防菌口罩、室內(nèi)空調(diào)機(jī)過(guò)濾、汽水分離過(guò)濾、凈化室過(guò)濾等方面。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)鸟v極化處理后，熔噴非織造材料的空氣過(guò)濾效率可大大提高到99%以上，甚至可達(dá) 99.999%，適用于電子設(shè)備、超凈車(chē)間等高要求的空氣凈化場(chǎng)所，因而受到國(guó)內(nèi)外眾多生產(chǎn)企業(yè)和使用客戶(hù)的高度關(guān)注[1]。

1 熔噴非織造材料的空氣過(guò)濾機(jī)理

空氣過(guò)濾是將懸浮在氣體中的固體顆粒分離出來(lái)的一種技術(shù)，其基本原理是空氣在通過(guò)過(guò)濾材料(可滲性介質(zhì))時(shí)，空氣中固體顆粒為過(guò)濾材料所截留或吸附，從而實(shí)現(xiàn)氣體和固體顆粒的分離。

熔噴非織造材料的空氣過(guò)濾機(jī)理是：當(dāng)運(yùn)動(dòng)中的氣體攜帶粉塵顆粒流經(jīng)由熔噴非織造材料制成的過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，由于熔噴非織造材料含有數(shù)量足夠多的雜亂排列的超細(xì)纖維，孔徑尺寸較小的孔隙形成了對(duì)粉塵顆粒的無(wú)數(shù)道截留或吸附屏障，同時(shí)其又具有結(jié)構(gòu)蓬松、孔隙數(shù)量多、空隙率高的特點(diǎn)，不會(huì)對(duì)氣流形成過(guò)大的透過(guò)阻力[2]。粉塵顆粒由于有較大的體積尺寸且一般帶有某種電荷，通過(guò)熔噴非織造材料因形成篩效應(yīng)、慣性效應(yīng)、攔截效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、靜電效應(yīng)等作用而被有效攔截，所以熔噴非織造過(guò)濾材料既允許潔凈氣流順利通過(guò)，又能有效攔截粉塵粒子。

2 熔噴非織造材料在氣體過(guò)濾領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)的空氣過(guò)濾材料存在著過(guò)濾效果不佳、不經(jīng)濟(jì)耐用或者阻力偏大、不環(huán)保(不可焚燒或分解)等缺點(diǎn)，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和世界經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，熔噴非織造材料作為一種良好的空氣過(guò)濾材料，其過(guò)濾效果好、透過(guò)阻力小、重量輕、容量大、環(huán)保、價(jià)格適中等特點(diǎn)代表了未來(lái)過(guò)濾材料的主要發(fā)展方向，同時(shí)新的科學(xué)技術(shù)在熔噴非織造空氣過(guò)濾材料上也得到更加廣泛的應(yīng)用。

2.1 發(fā)展生物可降解熔噴材料

隨著世界工業(yè)的迅速發(fā)展，空氣污染變得越來(lái)越嚴(yán)重，人們對(duì)空氣過(guò)濾材料提出了越來(lái)越高的要求，同時(shí)也更加注重減少過(guò)濾材料本身對(duì)環(huán)境的污染。以往的空氣過(guò)濾材料多數(shù)是由聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺等不易降解的聚合物材料制成，其自身廢棄物的處理往往還會(huì)造成環(huán)境的再污染。世界環(huán)保意識(shí)的強(qiáng)化使得新型環(huán)?？山到膺^(guò)濾材料的應(yīng)用日漸增多，聚乳酸熔噴非織造材料就是其中的重要代表之一。

聚乳酸，英文名稱(chēng)Polylactic acid，簡(jiǎn)稱(chēng)PLA，是由生物發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸經(jīng)化學(xué)合成而得的熱塑性聚合物，具有良好的生物相容性和可降解性，在自然環(huán)境中微生物作用下能緩慢分解而最終消失的環(huán)境友好材料，具有可再生、生物相容、低碳排放和低能耗等特點(diǎn)。聚乳酸不同于其他的樹(shù)脂，而是來(lái)源于可再生的玉米、小麥、甘蔗等天然農(nóng)作物，是一種完全綠色材料，可以在土壤里自然降解，近年來(lái)越來(lái)越受到全世界的關(guān)注。聚乳酸的生產(chǎn)工藝路線(xiàn)主要是以小麥、谷物、玉米、甜菜等含淀粉的可再生植物資源為原料的發(fā)酵法，淀粉原料經(jīng)發(fā)酵過(guò)程制成乳酸，再通過(guò)化學(xué)合成轉(zhuǎn)換成聚乳酸[3]。發(fā)酵法以其原料充足、原料利用率和轉(zhuǎn)化率高、生產(chǎn)成本低于合成法而為各國(guó)所采用。目前，聚乳酸熔噴非織造材料生產(chǎn)工藝在美國(guó)和日本已經(jīng)基本成熟，其中最典型的是美國(guó)Nature Works公司的技術(shù)。由于聚乳酸切片與聚丙烯切片的相關(guān)物化性能非常接近，所以對(duì)已有的聚丙烯熔噴生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行適當(dāng)改造就可以適應(yīng)聚乳酸熔噴過(guò)濾非織造材料的生產(chǎn)。但聚乳酸切片需要進(jìn)行必要的干燥，同時(shí)聚乳酸熔體的流動(dòng)特性更接近于牛頓流體，所以需要使用更細(xì)的噴絲孔，其他條件(如DCD值、噴絲板溫度、成網(wǎng)機(jī)網(wǎng)帶孔隙率和網(wǎng)帶速度等)也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，其生產(chǎn)技術(shù)和性能指標(biāo)如表1和表2所示。

由于熔噴非織造材料工藝流程短、效率高、成本低，同時(shí)國(guó)內(nèi)聚丙烯熔噴非織造材料生產(chǎn)線(xiàn)較多，因此，聚乳酸熔噴非織造材料是一種很有發(fā)展前景的空氣過(guò)濾材料。目前的關(guān)鍵是提高聚乳酸非織造過(guò)濾材料的機(jī)械性能和物理性能，加快聚乳酸生產(chǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)化，降低生產(chǎn)成本。

2.2 發(fā)展熔噴納米纖維

對(duì)于非織造材料這類(lèi)組織結(jié)構(gòu)而言，空氣的過(guò)濾效率與孔隙尺寸密切相關(guān)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，熔噴非織造過(guò)濾材料的纖維越細(xì)、數(shù)量越多、密度越大，對(duì)粉塵顆粒的攔截效率也越好。在材料克重和厚薄不變的條件下，纖維的直徑在很大程度上決定了孔隙尺寸的大小。通過(guò)對(duì)幾個(gè)相似厚度的非織造材料樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，可以看出纖維直徑與非織造材料平均孔徑的關(guān)系，如表3所示。

表1 美國(guó)Nature Works公司的6262D聚乳酸熔噴生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)

表2 美國(guó)Nature Works公司的6262D聚乳酸非織造材料性能測(cè)試指標(biāo)

表3 纖維直徑與非織造材料平均孔徑的關(guān)系

納米纖維由于具有較小的孔隙尺寸和較大的比表面積，增加了空氣中微小懸浮顆粒在過(guò)濾材料表面沉積的概率。纖維的毛細(xì)作用和纖維集合體之間形成的微細(xì)孔隙對(duì)于顆粒過(guò)濾的直接攔截效應(yīng)和慣性沖擊效應(yīng)更為顯著，能有效阻截顆粒粉塵，大大提高了材料的過(guò)濾效率，特別是纖維越細(xì)，效果越明顯[4]。在同樣氣壓損失的情況下，可以采用更輕克重的納米熔噴非織造材料與紡粘材料復(fù)合，制成的SMS類(lèi)復(fù)合產(chǎn)品可以減少熔噴纖維所占的比重。

生產(chǎn)納米纖維過(guò)濾材料所采用的噴絲孔比普通設(shè)備上的噴絲孔要小得多，同時(shí)需要適當(dāng)改進(jìn)拉伸氣流的熱空氣噴射角度、熱空氣壓力、接受距離等工藝條件。目前比較先進(jìn)的納米熔噴生產(chǎn)線(xiàn)可以使用孔徑達(dá)63.5 μm的噴絲孔，紡出的熔噴纖維直徑大約為500 nm,最細(xì)的單纖直徑甚至可達(dá)200 nm，如表4所示。

表4 熔噴納米纖維與紡粘纖維、一般熔噴纖維的直徑對(duì)比

紡制納米纖維的熔噴設(shè)備由于噴孔小，單孔產(chǎn)量必然大大降低，工藝上可采取增加噴絲孔的孔數(shù)來(lái)提高生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)量。模塊結(jié)構(gòu)的噴絲板可組合成3 m以上的總寬度(根據(jù)產(chǎn)品幅寬而定)，每個(gè)噴絲板上安排3排甚至更多排的噴絲孔。目前比較成熟的生產(chǎn)線(xiàn)是采用63.5 μm的孔眼，單排噴絲板的孔眼數(shù)達(dá)到2 880個(gè)/m，如采用3排，則噴絲板的孔眼數(shù)可達(dá)8 640個(gè)/m，產(chǎn)量可與紡制普通熔噴纖維大體相當(dāng)。

2.3 發(fā)展雙組份熔噴技術(shù)

雙組份纖維是指由兩種聚合物混合紡制而成的一種新型化學(xué)纖維。通常情況下，組份聚合物要具備和滿(mǎn)足雙組份成形工藝與產(chǎn)品的特性要求，即一方面要考慮雙組份聚合物的熔融溫度和粘度等工藝特性的匹配，另一方面還需考慮雙組份混合材料在接觸邊界表面的復(fù)合粘合強(qiáng)度等性能因素的融合。近年來(lái)隨著高性能改性聚合物的開(kāi)發(fā)，特別是生物技術(shù)的進(jìn)步和生物高分子材料的大量涌現(xiàn)，給雙組份熔噴非織造材料的選擇增加了環(huán)境友好色彩。人們可以在滿(mǎn)足生產(chǎn)率的條件下成功地生產(chǎn)出雙組份纖維，并表現(xiàn)出許多基于獨(dú)特的雙組份性能的優(yōu)點(diǎn)，從而改善了單一聚合物性能的不足，具備更好的彈性、能回復(fù)原狀的蓬松性、優(yōu)異的導(dǎo)電性、較高的吸濕性和持久的抗靜電性等，在某些性能方面具備更好的適應(yīng)性和推廣價(jià)值[5]。如可以采用比較便宜的聚丙烯為芯材，在其外層采用能提高過(guò)濾性能的聚乳酸聚合物，從而既可以降低成本，又能達(dá)到提高過(guò)濾性能的要求。

雙組份熔噴生產(chǎn)線(xiàn)一般需要兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的擠出機(jī)和一個(gè)特殊的融合噴絲頭。這種熔噴技術(shù)的關(guān)鍵在于采用多路縫隙設(shè)計(jì)的全新薄板型分配板代替過(guò)去的衣架式分配熔體的方法，對(duì)雙組份的聚合物流量實(shí)現(xiàn)精確控制，并按要求把雙組份聚合物熔體通過(guò)不同的管道分別送到各噴絲孔。它采取了多泵式輸送系統(tǒng)，兩種不同的高聚物分別加熱、計(jì)量輸送、相互隔離，以分別保證熔融溫度、輸送量滿(mǎn)足雙組份的工藝要求，最后在噴絲孔噴口匯合，解決了過(guò)去由于不同聚合物的熔融溫度存在差異而難于共同紡絲的問(wèn)題。雙組份熔噴原理圖如圖1所示。

圖1 雙組份熔噴原理示意圖Fig.1 Bicomponent melt-blown principle diagram

2.4 發(fā)展駐極熔噴技術(shù)

熔噴非織造材料作為一種性能優(yōu)良的空氣過(guò)濾材料，不僅要通過(guò)增加厚度、發(fā)展納米技術(shù)和雙組份技術(shù)來(lái)有效提高過(guò)濾效率，而且還要盡可能地降低空氣的透過(guò)阻力?？諝獾耐高^(guò)阻力和過(guò)濾效率在一定程度上是一對(duì)矛盾體，如何在不增大空氣透過(guò)阻力的同時(shí)又能提高材料的過(guò)濾效果，最理想的解決辦法就是對(duì)熔噴非織造過(guò)濾材料進(jìn)行駐極處理。

干燥的固體粉塵顆粒在擴(kuò)散時(shí)，會(huì)與不同材料摩擦或接觸而產(chǎn)生電荷，但通常電荷強(qiáng)度很弱，而且由于各種原因會(huì)使其強(qiáng)度逐漸減弱。而經(jīng)駐極處理后的熔噴非織造材料由于能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存空間電荷或極化電荷，通過(guò)靜電作用可以吸附極化的微細(xì)粉塵顆粒。即使是中性粉塵在靠近纖維時(shí)，也會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生符號(hào)相反的鏡像電荷，從而在兩者之間產(chǎn)生吸引力而被材料捕捉，進(jìn)一步提高了過(guò)濾效率。因此駐極處理后的熔噴非織造材料具有優(yōu)異的除塵殺菌作用，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性，不會(huì)因洗滌而使電極化強(qiáng)度衰減。事實(shí)上，即使經(jīng)過(guò)烘燥和熨燙，也不會(huì)對(duì)其過(guò)濾性能造成較大的影響。

可見(jiàn)，駐極處理是提高熔噴法非織造材料過(guò)濾效率的重要后整理技術(shù)，經(jīng)過(guò)駐極整理的熔噴法非織造材料帶有持久的靜電，在普通濾塵機(jī)理的基礎(chǔ)上附加靜電效應(yīng)，可以捕集更多微細(xì)塵埃而空氣透過(guò)阻力卻不增大。有實(shí)驗(yàn)表明，駐極熔噴法非織造布除對(duì)0.005～1 mm的固體塵粒有很好的過(guò)濾效果外，對(duì)大氣中的氣溶膠、細(xì)菌、香煙煙霧、各種花粉等均有很好的阻截效果，具有極大的研究和推廣價(jià)值[6]。

駐極熔噴非織造材料的制備方法很多，有電暈充電法、熱極化法和低能電子束轟擊法等，其中電暈充電法是最常用的一種方法。電暈駐極法是在低壓空氣條件下，對(duì)針形電極施加數(shù)千伏的高壓，使針尖附近形成很強(qiáng)的電場(chǎng)；針尖附近的空氣分子被電離成正負(fù)離子，這些正負(fù)離子會(huì)頻繁地復(fù)合，電極尖端就會(huì)輻射出淡紫色的電暈光輝，此時(shí)針尖下的熔噴非織造材料受到電場(chǎng)的作用產(chǎn)生駐極效果(如圖2)。

圖2 多針充電電暈駐極法原理示意圖Fig.2 More needle corona charging in electrode method principle diagram

如果在充電電極上施加正電壓，則在周?chē)髿庵?，由于電暈電離形成的正離子就被注入熔噴非織造材料中，以空間電荷或極化電荷的形式長(zhǎng)期儲(chǔ)存。制造電暈效果的電極可以是單針點(diǎn)電暈充電，也可以是針端處于同一水平面的以陣列分布的多針電暈充電，亦或者是以刀口型、弦絲型的線(xiàn)狀電極的電暈充電。由于多針、刀口、弦絲電極的電暈充電不僅擴(kuò)大了充電范圍，而且改善了充電效率，是工業(yè)化駐極體生產(chǎn)中極化工藝常用的電極模式。

3 熔噴非織造材料在空氣過(guò)濾領(lǐng)域的前景展望

隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的加快，汽車(chē)尾氣、工業(yè)排放廢氣等造成全球空氣環(huán)境的日益惡化，已經(jīng)嚴(yán)重危及到人們的健康。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，目前每年全球有多達(dá)幾百萬(wàn)人因空氣污染而過(guò)早死亡[7]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，吸入被污染的空氣會(huì)引起慢性呼吸系統(tǒng)疾病的惡化，降低人體細(xì)胞的新陳代謝，進(jìn)而加速人體的衰老，同時(shí)也是某些癌病產(chǎn)生的重要誘因。近年來(lái)我國(guó)大部分省市的大氣污染狀況越發(fā)嚴(yán)重，固體顆粒物是影響我國(guó)城市空氣質(zhì)量的主要污染物，主要呈現(xiàn)煤煙型污染特征，城市大氣環(huán)境中總懸浮顆粒濃度普遍超標(biāo)、二氧化硫污染保持在較高水平、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染物排放總量迅速增加、氮氧化物污染趨勢(shì)加重、全國(guó)形成多個(gè)酸雨區(qū)等，部分城市已出現(xiàn)光化學(xué)煙霧現(xiàn)象，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境、影響人民群眾身體健康[8]。

熔噴非織造材料由于其纖維直徑小、比表面積大、孔隙小、空隙率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、電子、制藥、醫(yī)療、食品等行業(yè)的一般性過(guò)濾中(如勞保及醫(yī)療口罩、防毒面具等)，發(fā)揮其高效、低阻、抗菌、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，具有良好的濾除粉塵和細(xì)菌等有害物質(zhì)的效果。另外，隨著新的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于熔噴非織造空氣過(guò)濾材料，使之在半導(dǎo)體制造工場(chǎng)、原子力研究中心、無(wú)塵室、層流設(shè)備、工作臺(tái)等其他要求超高潔凈度的場(chǎng)合(如空調(diào)、汽車(chē)內(nèi)空氣過(guò)濾和發(fā)動(dòng)機(jī)空氣過(guò)濾等)需求強(qiáng)勁，熔噴非織造材料的氣體過(guò)濾市場(chǎng)越來(lái)越大[9]。

近幾年，熔噴非織造過(guò)濾材料發(fā)展十分迅速，技術(shù)不斷取得突破，各種專(zhuān)用熔噴原材料不斷涌現(xiàn)，世界范圍內(nèi)的產(chǎn)量逐年增加，這些都有力地促進(jìn)了熔噴非織造過(guò)濾材料的發(fā)展。

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(責(zé)任編輯：李華云)

Research on the Development of the Technology of Melt-blown Nonwoven Materials in the Field of Air Filtratim

ZHANG Huangzhong

(Sanming Vocational Technical College， Sanming Fujian 365000, China)

Because of the high efficiency, low resistance, antibacterial, and energy saving advantages of melt blown nonwoven material in air filtration, the air filtration material of the melt blown nonwovens is getting bigger and bigger. With the development of modern industrial technology and the globalization of the world economy, science and technology on melt blown nonwoven air filter material have been widely used. Development of biodegradable melt-blown materials, melt blown nanofibers, bicomponent melt blown and electret treatment, represents the technological development trend of melt blown nonwoven air filter material.

Melt-blown nonwoven materials; Air filter; Technology development

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201504013

2015-02-03

福建省教育廳2014年中青年教師教育科研項(xiàng)目(JB14197)

張煌忠(1974-)，男，福建仙游人，講師,工程師，主要研究方向?yàn)榉强椩旒夹g(shù)。

TS176.6

A

1671-5322(2015)04-0056-05