聚丙烯熔喷布对气溶胶过滤性能的影响

聚丙烯熔喷布对气溶胶过滤性能的影响

2019年底，新型冠病毒（covid-19）的爆发增加了人们的自我保护意识，并在公共场所上戴帽子是习惯。然而，如何选择安全有效的针头和血液已成为人们关注的问题。无论是一次性医用口罩、医用外科口罩、防护口罩还是民用口罩，其质量核心均在于内部使用的聚丙烯熔喷布。众所周知，聚丙烯熔喷布具有较大的比表面积和大小不一的孔隙，能吸附、捕获、阻隔固体颗粒物根据国家标准、行业标准的要求，医用外科口罩、防护口罩、民用口罩的检测指标均包含了对颗粒过滤效率的要求。YY0469—2011《医用外科口罩》中提到，在气体流速为30L/min时，口罩对非油性颗粒过滤效率应不小于30%;GB19038—2010《医用防护口罩技术要求》中提到在气体流速为85L/min时，1级口罩对非油性颗粒过滤效率应不小于95%;GB2626—2019《呼吸防护自吸过滤式防颗粒物呼吸器》中提到在气体流速为85L/min时，KN95口罩对油性、非油性颗粒过滤效率均应不小于95%。LI等本试验通过电晕放电法、纯水喷射法制备了电驻极聚丙烯熔喷布和水驻极聚丙烯熔喷布，探讨了两种驻极熔喷布的形貌特性、透湿性能、对油性颗粒物的过滤效率和容尘能力等性能指标。1测试1.1主要原材料改性聚丙烯粒料：熔融指数(150±10)g/min，熔点160～170℃，山东道恩集团有限公司生产。1.2聚丙烯熔喷布的制备电晕放电法制备的聚丙烯熔喷布(以下称电驻极聚丙烯熔喷布)的工艺流程如图1所示。将改性聚丙烯粒料添加到生产设备的进料槽，经过熔融、挤出、牵引、施加高压、缠绕工序形成电驻极聚丙烯熔喷布。纯水喷射法制备的聚丙烯熔喷布(以下称水驻极聚丙烯熔喷布)的工艺流程如图2所示。将改性聚丙烯粒料添加到生产设备的进料槽，经过熔融、挤出、牵引、缠绕工序形成未驻极的聚丙烯熔喷布；将未驻极的聚丙烯熔喷布装载到驻极设备上，通过设备自带的高压喷嘴装置将纯净水喷射到聚丙烯熔喷布上进行纯水驻极，再经过高温、缠绕，最终形成水驻极聚丙烯熔喷布。1.3扫描电子显微镜及仪器美国TSI公司8130-A型自动滤料检测仪，德国卡尔·蔡司(CarlZeiss)公司ZEISSEVO18型扫描电子显微镜，宁波纺织仪器厂电脑式织物透湿仪，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司电子天平。1.4性能试验采用面密度为25g/m1.4.1表达方向采用扫描电子显微镜，对不同驻极方式的聚丙烯熔喷布进行容尘试验前后的形貌表征。1.4.2湿度测试采用电脑式织物透湿仪，对不同驻极方式的聚丙烯熔喷布进行透湿量测试。1.4.3颗粒过滤效率及气流阻力采用8130-A型自动滤料检测仪，用油性气溶胶颗粒(油性气溶胶质量浓度为70mg/m(1)对不同驻极方式的聚丙烯熔喷布进行预处理，测试预处理前后的颗粒过滤效率及气流阻力；(2)气体流速为10、20、30、40、50、60、70、85、95、100L/min时，测试不同驻极方式的聚丙烯熔喷布的颗粒过滤效率及气流阻力；(3)气体流速为85L/min时，测试不同驻极方式的聚丙烯熔喷布在1～5层时的颗粒过滤效率及气流阻力；(4)气体流速为85L/min时，测试不同驻极方式的聚丙烯熔喷布的容尘能力并测试颗粒过滤效率及气流阻力随时间的变化。2结果与讨论2.1负载气溶胶颗粒物两种不同驻极方式的聚丙烯熔喷布容尘试验前后的扫描电镜照片如图3所示。由图3(a)、(b)可知，相比于电驻极熔喷布，水驻极熔喷布内部存在更多大小不一的孔洞，可以负载更多的气溶胶颗粒物。由图3(c)、(d)可知：在进行170min的容尘试验后，两种不同驻极方式的聚丙烯熔喷布表面及内部均被气溶胶颗粒覆盖；对容尘后的聚丙烯熔喷布进行称重，水驻极熔喷布质量增加0.92g/100cm2.2透湿量测试结果对两种不同驻极方式的聚丙烯熔喷布在温度38℃、湿度90%的条件下进行透湿量测试，结果显示：水驻极聚丙烯熔喷布的透湿量为8619g/(m2.3过滤性能2.3.1过滤效率及气流阻力对预处理前后不同驻极方式的聚丙烯熔喷布的过滤性能进行测试，当气体流速为85L/min时，试验结果见表1。由表1可见：预处理前后，水驻极聚丙烯熔喷布的过滤效率及气流阻力均优于电驻极聚丙烯熔喷布；且预处理后，水驻极聚丙烯熔喷布的颗粒过滤效率下降幅度较小。这可能与生产过程中熔喷布的驻极方式不同有关：电驻极熔喷布采用外部施加高压的方式，通过电晕放电激活驻极母粒从而形成电荷量少、不均匀且不稳定的聚丙烯熔喷布；水驻极聚丙烯熔喷布采用外部纯水喷射的方式，在纯水喷射的作用下激活驻极母粒，在此过程中，电荷被重新排列，分布均匀，然后再经过高温条件，最终形成电荷量多、分布均匀且性能稳定的聚丙烯熔喷布。2.3.2两种驻极方式的聚丙烯熔喷布对空气阻力的过滤效率的影响两种不同驻极方式的聚丙烯熔喷布在不同气体流速下对气溶胶颗粒的过滤效率与气流阻力曲线图如图4所示。由图4可知：当气体流速由10L/min增至100L/min时，电驻极聚丙烯熔喷布对气溶胶颗粒的过滤效率由92.81%下降至72.00%，气流阻力由19.4Pa上升至80.6Pa；水驻极聚丙烯熔喷布对气溶胶颗粒的过滤效率由98.22%下降至91.71%，气流阻力由14.9Pa上升至71.7Pa。由此可见，随着气体流速的增大，两种不同驻极方式的聚丙烯熔喷布对气溶胶颗粒物的过滤效率逐渐降低，气流阻力逐渐增大。这可能是由于随着气体流速的增大，气溶胶颗粒物具有的动能逐渐增大，穿透熔喷布的能力逐渐增强，最终导致过滤效率随气体流速增大而逐渐下降。而气流阻力与速度成正比关系，因此气流阻力随着流速的增大而增大。对于不同的驻极方式而言，电驻极熔喷布的颗粒过滤效率下降更快，这可能与熔喷布本身携带的电荷量少、不均匀且不稳定有关。2.3.3过滤性能与气流阻力两种不同驻极方式的聚丙烯熔喷布在不同叠加层数下对气溶胶颗粒的过滤效率与气流阻力曲线图如图5所示。由图5可知：当叠加层数由1层增至5层时，电驻极聚丙烯熔喷布对气溶胶颗粒的过滤效率由76.76%增至99.85%，气流阻力由74.1Pa增至363Pa；水驻极聚丙烯熔喷布对气溶胶颗粒的过滤效率由90.42%增至99.99%，气流阻力由51.9Pa增至280.4Pa。由此可见，随着熔喷布叠加层数的增加，熔喷布的过滤效率和气流阻力同时增大。这可能是由于随着叠加层数的增加，熔喷布所带的电荷量增多，可以吸附更多的颗粒物，同时聚丙烯熔喷布的叠加会使内部纤维通道进一步错落叠加，导致气流阻力增大。另外，相同层数下，水驻极熔喷布的过滤性能与气流阻力均优于电驻极熔喷布。这可能是由于相同叠加层数下水驻极熔喷布携带的电荷量多于电驻极熔喷布。2.3.4气流阻力变化对两种不同驻极方式的聚丙烯熔喷布进行容尘能力测试，其气溶胶颗粒过滤效率与气流阻力曲线如图6所示。由图6可以看出，随着容尘时间的延长，两种不同驻极方式的聚丙烯熔喷布的气流阻力直线上升，气溶胶颗粒的过滤效率逐渐下降。这可能是由于油性气溶胶颗粒物本身不带电，且以液体形式存在，在进行容尘试验时，油性气溶胶颗粒易渗透进入聚丙烯熔喷布，沉积在纤维表面，过滤效率开始下降。随着容尘时间的延长，气溶胶液体慢慢聚集起来，形成液膜，堵住纤维通道，过滤效率依然下降，气流阻力逐渐增大。最终聚丙烯熔喷布表面及内部被气溶胶覆盖完全，达到饱和状态，过滤效率基本保持平衡。3预处理前后水驻极聚丙烯熔喷布的透湿性能(1)相比于电驻极聚丙烯熔喷布，水驻极聚丙烯熔喷布内部存在更多大小不一的孔洞，气流阻力较低；容尘试验结束后，水驻极熔喷布负载的颗粒物较多，过滤性能较好。(2)相比于电驻极聚丙烯熔喷布，水驻极聚丙烯熔喷布的透湿性能更好。(3)当气体流速为85L/min时，预处理前后，水驻极聚丙烯熔喷布的过滤效率及气流阻力均优于电驻极聚丙烯熔喷布，且预处理后，水驻极聚丙烯熔喷布的颗粒过滤效率下降幅度较小。(4)当气体流速由10L/min增至100L/min时，气溶胶颗