曾倩茹,劉 諾,李素英,張 偉,張 瑜,張海峰

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通 226019)

0 引 言

2019年底新型冠狀病毒(2019-nCoV)爆發(fā)給全世界人民造成了難以估計(jì)的生命和財(cái)產(chǎn)損失[1]。研究發(fā)現(xiàn)呼吸道飛沫傳播是其主要傳播途徑,當(dāng)前防護(hù)2019-nCoV的最有效措施為佩戴防護(hù)口罩[2]。此外,近年來(lái)我國(guó)在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)了一系列環(huán)境問(wèn)題,尤其是空氣污染越來(lái)越嚴(yán)重。被排放到大氣中的顆粒物嚴(yán)重威脅著人們的身體健康、空氣可見(jiàn)度、氣候及生態(tài)平衡等[3]。面對(duì)越來(lái)越加劇的病毒防護(hù)壓力和空氣污染問(wèn)題,研發(fā)高性能空氣過(guò)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)過(guò)駐極整理后材料表面或內(nèi)部帶有電荷,能夠在傳統(tǒng)空氣過(guò)濾材料碰撞、攔截和擴(kuò)散等機(jī)械捕獲機(jī)理的基礎(chǔ)上通過(guò)靜電吸引作用進(jìn)一步提高對(duì)微小顆粒的捕獲能力,而不增加空氣阻力,是個(gè)體防護(hù)口罩的核心過(guò)濾材料[4-7]。然而,傳統(tǒng)電暈駐極熔噴材料存在過(guò)濾效率低、過(guò)濾效率不穩(wěn)定的缺點(diǎn),限制了材料的使用壽命[8],大量消耗口罩帶來(lái)的“白色污染”對(duì)環(huán)境保護(hù)造成了巨大壓力。

為了提高駐極熔噴空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾性能,學(xué)者主要采用兩種研究策略:一方面通過(guò)摻雜改性助劑提高電荷陷阱對(duì)電荷的捕獲能力,以提高過(guò)濾效率穩(wěn)定性[9-11]。另一方面開(kāi)發(fā)新型駐極整理技術(shù)[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(guò)濾效率更高。通過(guò)高壓水射流對(duì)單纖維、短纖維插層熔噴材料駐極處理,能夠獲得高性能過(guò)濾材料。水駐極技術(shù)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(fù)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(chǎn)生電荷[15]。然而,目前對(duì)于水駐極整理的機(jī)理尚不完全清晰,對(duì)于水駐極整理熔噴材料過(guò)濾性能優(yōu)異的機(jī)理也需要進(jìn)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(shè)備對(duì)熔噴材料駐極整理,研究了水刺整理對(duì)熔噴材料表面形貌和過(guò)濾性能的影響規(guī)律。采用表面靜電壓測(cè)試儀和熱刺激電流法探究了熔噴水刺材料的電荷存儲(chǔ)性能。通過(guò)調(diào)控熔噴材料面密度優(yōu)化了其綜合過(guò)濾性能,本研究對(duì)制備過(guò)濾效率優(yōu)異的個(gè)體防護(hù)過(guò)濾材料具有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

純聚丙烯(PP)切片(熔融指數(shù)1 500 g/10 min,上海賽科石油化工有限責(zé)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(shí)驗(yàn)機(jī)(淼力精密設(shè)備張家港有限公司);水刺設(shè)備(常熟市飛龍無(wú)紡機(jī)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(shí)驗(yàn)箱(上海瀘升實(shí)驗(yàn)儀器廠);Trek-542A型表面靜電壓測(cè)試儀(美國(guó)Trek公司);TSI8130自動(dòng)濾料測(cè)試儀(美國(guó)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(guò)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(guò)自動(dòng)抽吸料裝置將混合好的原料喂入料斗,其中mPP切片質(zhì)量占總原料質(zhì)量比為5%,在螺桿擠出機(jī)里均勻混合后再經(jīng)過(guò)過(guò)濾和計(jì)量,混合均勻的熔體到達(dá)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(xì)纖維,接收到網(wǎng)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(xiàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 熔噴非織造工藝主要在線(xiàn)參數(shù)

1.2.2 水刺整理

對(duì)制備的改性熔噴非織造材料水刺處理,通過(guò)高壓水射流和氣流與纖維高速摩擦產(chǎn)生電荷,獲得熔噴水刺材料,其制備過(guò)程如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,首先對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)調(diào)濕處理,使樣品能夠更加有效地接受水射流的沖擊以達(dá)到更顯著的駐極效果。然后啟動(dòng)水刺設(shè)備,將經(jīng)預(yù)濕后的聚丙烯熔噴非織造材料送入網(wǎng)簾,進(jìn)行水刺整理。水刺噴頭噴出高壓水射流對(duì)熔噴材料進(jìn)行沖擊,同時(shí)在網(wǎng)簾底部配置負(fù)壓抽吸裝置對(duì)材料進(jìn)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(nèi)部穿梭流動(dòng),使纖維得到充分摩擦產(chǎn)生電荷并儲(chǔ)存在纖網(wǎng)內(nèi)部,完成駐極。之后通過(guò)傳送裝置將帶電的熔噴材料送至烘箱進(jìn)行烘干,烘干后得到水刺整理熔噴過(guò)濾材料。

1.3 表征及性能測(cè)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(dòng)電極與電補(bǔ)償?shù)姆椒?利用非接觸式靜電測(cè)試儀測(cè)量。測(cè)試在溫度(25±2)℃,濕度(45±5)%的環(huán)境下,首先將待測(cè)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(tái)固定在材料正上方,探針的指針?lè)较虺?當(dāng)儀器都固定好以后,接通電源,打開(kāi)測(cè)試儀器開(kāi)關(guān)即可測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)中探針與待測(cè)材料距離統(tǒng)一為1.5 cm,每個(gè)樣品選取50個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)試。

1.3.3 過(guò)濾性能

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

(1)

式中:η為過(guò)濾效率;ε1為上游氣溶膠濃度;ε2為下游氣溶膠濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 水刺前后熔噴材料形貌結(jié)構(gòu)

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(jī)雜亂排列,并構(gòu)成三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)適宜作為高效、低阻空氣過(guò)濾材料[16]。經(jīng)過(guò)水刺處理以后,熔噴材料的表面形貌產(chǎn)生明顯的變化,部分纖維受到高壓水射流作用發(fā)生斷裂,纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)也遭到破壞。在水刺過(guò)程中一方面高壓水射流與熔噴纖維高速摩擦產(chǎn)生電荷,另一方面高壓水射流還會(huì)導(dǎo)致纖維產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),當(dāng)水刺壓力過(guò)大時(shí),高壓水射流沖擊導(dǎo)致纖維會(huì)發(fā)生斷裂,反而會(huì)導(dǎo)致對(duì)顆粒物的捕獲能力下降。

2.2 水刺壓力對(duì)熔噴水刺材料過(guò)濾性能影響

不同水刺壓力下的熔噴材料過(guò)濾性能測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

(a)過(guò)濾效率及阻力

由圖3(a)可知,不同的水刺壓力下過(guò)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(guò)濾效率呈現(xiàn)出先升高后穩(wěn)定再降低的變化趨勢(shì)。這是由于在開(kāi)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(qiáng),從而產(chǎn)生更多電荷,以及水刺導(dǎo)致纖維纏結(jié)緊密,因此過(guò)濾效率增大。然而,隨著水刺壓力增大,熔噴纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞,導(dǎo)致過(guò)濾效率又逐漸下降。與此同時(shí),過(guò)濾阻力總體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),這是由于水刺壓力增大使部分纖維斷裂,熔噴纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)被破壞而導(dǎo)致的。

進(jìn)一步地,探討了水刺壓力對(duì)熔噴材料品質(zhì)因數(shù)(FQ)的影響。品質(zhì)因數(shù)是綜合評(píng)價(jià)過(guò)濾性能的指標(biāo)之一,在商業(yè)上有廣泛應(yīng)用[17],其定義如式(2)所示。

FQ=(ln 1/(1-η))/Δp

(2)

式中：FQ為品質(zhì)因數(shù),Pa-1；η為過(guò)濾效率,%；Δp為過(guò)濾阻力,Pa。品質(zhì)因數(shù)越高,表明此材料的綜合過(guò)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(guò)濾性能也呈現(xiàn)逐漸變好后又變差的趨勢(shì),這可以由品質(zhì)因數(shù)的定義來(lái)解釋,當(dāng)過(guò)濾阻力逐漸降低時(shí),品質(zhì)因數(shù)隨著過(guò)濾效率的增大而增大,而當(dāng)過(guò)濾效率也降低時(shí),品質(zhì)因數(shù)存在最高值。因此,從材料的綜合過(guò)濾性能角度來(lái)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(guò)濾性能。

2.3 熔噴水刺材料過(guò)濾效率耐熱、濕老化性能

駐極體類(lèi)個(gè)體防護(hù)過(guò)濾材料在存儲(chǔ)、使用的過(guò)程中受到環(huán)境的作用后電荷會(huì)不可避免地逃逸,由此導(dǎo)致靜電吸引作用的減弱,因此其過(guò)濾效率的穩(wěn)定性是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)[18]。在當(dāng)前的相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中也明確要求材料在過(guò)濾性能檢測(cè)前需要對(duì)其進(jìn)行高低溫濕熱老化處理。因此,對(duì)所制備的熔噴水刺材料的過(guò)濾效率穩(wěn)定性進(jìn)行研究,選取市場(chǎng)上的電暈駐極熔噴材料作為對(duì)比樣進(jìn)行測(cè)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(guò)濾效率衰減情況。

由圖4(a)中可以看出,在經(jīng)過(guò)熱老化處理以后,不同的熔噴材料過(guò)濾效率都出現(xiàn)了下降,這是由于高溫老化過(guò)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(chǎn)生運(yùn)動(dòng),當(dāng)獲得的能量高于陷阱能帶時(shí),就會(huì)從陷阱中逃逸,靜電吸引作用減弱導(dǎo)致過(guò)濾效率下降[19]。從圖4(b)中可以看出,經(jīng)過(guò)高濕處理以后,電暈駐極和水刺駐極熔噴材料的過(guò)濾效率也都呈現(xiàn)不同程度的衰減,這是由于高濕環(huán)境中水分子形成的導(dǎo)電通路引起駐極產(chǎn)生的電荷耗散,顯著降低靜電吸引能力,從而影響過(guò)濾效率。然而對(duì)比不同材料熱、濕老化處理后過(guò)濾效率的衰減情況,熔噴水刺材料過(guò)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(yōu)異的過(guò)濾效率耐老化穩(wěn)定性。

(a)熱老化

2.4 熔噴水刺材料帶電性能

對(duì)于駐極體過(guò)濾材料來(lái)說(shuō),靜電吸引作用對(duì)提高過(guò)濾性能具有重要作用,因此對(duì)制備的熔噴水刺過(guò)濾材料的帶電性能進(jìn)行研究。為方便起見(jiàn),以水刺壓力為0.6 MPa的樣品為例,測(cè)試其熱刺激電流譜圖(TSD)和表面靜電壓,結(jié)果如圖5所示。

(a)TSD圖譜

TSD是一種間接評(píng)價(jià)駐極體材料電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性的方法,持續(xù)對(duì)駐極體材料加熱時(shí)內(nèi)部存儲(chǔ)的電荷受到能量后會(huì)熱激發(fā)從而從電荷陷阱中逃逸,導(dǎo)致外電路中出現(xiàn)電流,根據(jù)電流峰值出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的溫度可以評(píng)價(jià)電荷存儲(chǔ)的穩(wěn)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(shí)出現(xiàn)了正負(fù)電流,表明同時(shí)存在正負(fù)電荷的逃逸。圖5(b)中材料表面靜電壓也對(duì)此進(jìn)一步證明,熔噴材料的正反兩面電荷隨機(jī)分布,且其電性也無(wú)明顯規(guī)律。由此可以證明熔噴水刺材料中同時(shí)存在正電荷和負(fù)電荷,推測(cè)其主要與駐極機(jī)理相關(guān),熔噴水刺過(guò)程中不僅存在著高壓水射流與熔噴纖維的固液摩擦,同時(shí)存在高速氣流和熔噴纖維的固氣摩擦,因此可能產(chǎn)生不同電性的電荷[20]。不同電性的電荷在過(guò)濾時(shí)可以依靠靜電吸引作用吸附捕獲不同帶電類(lèi)型的微顆粒,因此,與電暈駐極熔噴材料相比過(guò)濾效率更高。另一方面,熔噴水刺材料摩擦產(chǎn)生的電荷更多存儲(chǔ)于材料的內(nèi)部,因此電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性更好,過(guò)濾效率的耐老化穩(wěn)定性也更優(yōu)異。

2.5 不同面密度熔噴材料過(guò)濾性能

材料的厚度、面密度等也會(huì)影響其過(guò)濾性能,因此本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)控材料的面密度獲得了具有不同過(guò)濾性能的熔噴水刺材料,其性能如圖6所示。

(a)過(guò)濾效率及阻力

隨著面密度的增加過(guò)濾效率呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),過(guò)濾阻力呈線(xiàn)性增加的趨勢(shì)。當(dāng)面密度達(dá)到44 g/m2時(shí)過(guò)濾效率達(dá)到了99.97%,且基本趨于穩(wěn)定,此時(shí)對(duì)應(yīng)的過(guò)濾阻力為117.40 Pa。過(guò)濾性能呈現(xiàn)如此變化的原因與材料的結(jié)構(gòu)密切相關(guān),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(guò)的路徑變長(zhǎng),顆粒物受到靜電吸引及機(jī)械捕獲作用的概率增加,因此過(guò)濾效率明顯增加,此外材料面密度增加也會(huì)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(dǎo)致空氣分子穿過(guò)的路徑變長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾阻力的增大[21]。

進(jìn)一步對(duì)材料的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,隨著面密度的增加品質(zhì)因數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),這是由于面密度增加后材料過(guò)濾效率提升的程度不如過(guò)濾阻力上升的趨勢(shì)明顯,因此,通過(guò)增加材料面密度來(lái)提高過(guò)濾效率的方法會(huì)大幅度增加阻力。

3 結(jié) 論

1)熔噴水刺過(guò)濾材料的水刺壓力對(duì)過(guò)濾性能有重要影響,水刺壓力過(guò)大會(huì)破壞熔噴纖網(wǎng)結(jié)構(gòu),隨著水刺壓力增大,過(guò)濾效率呈現(xiàn)出先升高后穩(wěn)定再降低的變化趨勢(shì)。

2)熔噴水刺過(guò)濾材料中同時(shí)存在正負(fù)相反電性的電荷,熔噴水刺材料的過(guò)濾效率耐熱、濕老化穩(wěn)定性明顯優(yōu)于電暈駐極熔噴材料。

3)熔噴水刺材料的綜合過(guò)濾性能隨著面密度增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)材料面密度為44 g/m2時(shí)過(guò)濾效率達(dá)到了99.97%,對(duì)應(yīng)的過(guò)濾阻力為117.40 Pa,性能遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前個(gè)體防護(hù)材料要求標(biāo)準(zhǔn)。