防护口罩用非织造过滤材料的研究进展

防护口罩用非织造过滤材料的研究进展

2019年12月以来，在湖北省武汉发现了病例，被称为新型冠状病毒肺炎。随着病毒的传播，疫情开始广泛发生，严重影响了广大人民群众的健康状况，引起了社会各界的关注。在类似非典、禽流感、新冠肺炎等主要通过呼吸道传染的疾病流行时，佩戴防护口罩是一种重要的防护措施。病毒携带者需要佩戴口罩，防止飞沫喷入空气，切断病毒传播;健康人员需要佩戴口罩，大幅度降低吸入含病毒空气的风险，因此，在疫情发生后制作口罩的非织造过滤材料短期内将成为供不应求的紧缺物资。目前，防护口罩的主要类型有医用口罩(医用防护口罩、医用外科口罩和一次性医用口罩)、劳保口罩(KN类、KP类)和日常防护口罩。纺粘非织造滤料、针刺非织造滤料和熔喷非织造滤料是防护口罩的主体材料。与传统纺织过滤材料相比，用于防护口罩的非织造过滤材料具有独特的三维立体网络结构、孔径小、孔隙率大、透气性与过滤性能好1纺粘非织造技术纺粘非织造滤料一般应用在防护口罩的最外层和最内层:外层的滤料为保护层，用作骨架，并有效拦截大粒径的颗粒物(颗粒直径大于10μm)，防止大颗粒物过早堵塞熔喷层形成滤饼;内层的滤料为舒适层，用作衬里。平衡过滤效率与过滤阻力这2项技术指标是制备优良纺粘非织造滤料的关键。图1示出双模头纺粘非织造翻网成型技术工艺流程。成网装置B中的纤维网呈逆时针方向运动，上下面翻转与成网装置A中顺时针运动的纤维网叠合。这项双模头纺粘非织造翻网成型技术的发明，不仅降低了成网装置B的抽吸风机功率配置，成网过程中抽吸风机总能耗降低了1/3，而且2层纤网的随机叠合会使得非织造滤料更加均匀。纺粘非织造技术的研究热点主要在纺粘非织造纤维网固结技术和原料的改性技术2个方面。纺粘非织造滤料的固结技术。用热风加固纺粘非织造纤维网(后文简称纺粘纤网)，可大幅度减小滤料过滤阻力图3分别为聚乙烯/聚丙烯热风纺粘非织造滤料的表面和截面扫描电镜照片。可看到，皮芯结构的双组分纺粘纤网利用皮层聚乙烯熔点低的特性，在热气流与气压的作用下皮层组分受热熔融流动，冷却后起到粘合作用，芯层聚丙烯组分形态稳定，纤维网中纤维与纤维在交叉点产生直接“点点熔融”粘合，形成稳定的三维立体蓬松结构，有利于降低滤料的过滤阻力。Liu等用于纺粘非织造滤料的聚合物改性。聚乙烯/聚丙烯经过母粒改性技术，即添加改性增能助剂，有利于提高纤维体系的结晶度，并且晶粒的尺寸有所减小。驻极产生的空间电荷主要被捕获在高度有序的晶区或者晶相与非晶相的界面处，另外晶区含有的细微晶粒，当强电流通过驻极材料时，会产生Maxwell-Wagner效应，使得晶粒的端面积聚大量相反极性的电荷，形成类似取向极化的极化电荷，晶粒尺寸减小易于被极化，从而产生更多的极化电荷，所以，增能助剂有利于空间电荷和极化电荷的产生和储存。有文献2针刺非织造滤料加工工艺针刺非织造滤料也是医用防护口罩、劳保口罩和日常防护口罩的重要材料。其主要用在口罩外层纺粘非织造滤料和内层熔喷非织造滤料之间，既要满足防护口罩的支撑需求(如图4所示)，还要具有一定的过滤性能。普通针刺非织造滤料的加工技术已经比较成熟。图5示出针刺非织造滤料的成型工艺流程。针刺非织造滤料生产原理是利用不同构造的刺针反复穿刺纤网，刺针的倒钩带动纤网中的纤维位移并相互缠绕固结成型。近年来，我国针刺非织造装备技术日趋成熟和完善，针刺非织造成套设备基本实现国产化，部分设备的工艺可与进口设备相媲美。随着理论研究与加工技术的发展，为进一步提升针刺非织造滤料的性能，研发的关注点主要集中在新原料的使用及其加工技术等方面。选用高介电常数的合成纤维采用聚丙烯表面改性与双驻极组合技术，通过对纤维表面能的控制，可提升过滤材料的驻极效果。邹志伟等通过改性处理，可提高非织造过滤材料中聚丙烯纤维的结晶度，增加电荷在陷阱中的存储量，延缓电荷衰退。Zhang等采用上述新技术制备的针刺非织造滤料能够用于防护口罩的拱形支撑结构中，并具有超低吸气阻力和显著过滤效率，突破了国内针刺非织造滤料过滤效率低、过滤阻力大、容尘量小、使用寿命短的技术瓶颈。3熔喷非织造滤料成型工艺流程熔喷非织造滤料用作防护口罩的核心过滤层，具有纤维细度细、孔径小、比表面积大、孔隙率高等特点。图6示出熔喷非织造滤料成型工艺流程。熔喷技术的研究方向主要归纳为以下几个方面。纤维直径纳米化聚合物改性技术。通过无机物4驻极处理纤维在非织造滤料的产业化生产中，驻极技术尤为重要。这是因为驻极处理在不影响材料结构，尤其是不增加过滤阻力的情况下，能够显著提高滤料的过滤效率。驻极技术种类图7示出典型的电晕驻极原理。图中采用的是针尖放电。利用一个非均匀电场引起空气局部放电，产生的粒子束轰击过滤材料，并使电荷大量沉积在纤维上。Tabti等有研究图9示出新型水驻极原理。采用经过特殊处理的水溶液，从喷雾装置中喷出，雾状液滴在喷射力和抽吸风装置双重作用下，高速通过具有弯曲通道的纤维网，水雾和空气流体对纤维进行充分摩擦，由摩擦起电产生的电荷沉积在滤料的纤维内部。通过离线式水驻极方法，制备出面密度为50g/m图10示出热气流驻极原理。利用脉冲热空气高速穿透纤维网，造成纤维与纤维震动摩擦、纤维与气流摩擦产生电荷，形成微电场，有效地吸附微细颗粒物。所在课题组最新研究发现，含有一定聚四氟乙烯纤维的聚丙烯针刺非织造滤料经热气流驻极处理后，过滤效率可从40.3%提高到75.5%。电晕驻极产生的电荷主要存储在滤料表面和近表面;水驻极和热气流驻极产生的电荷主要存储在滤料的内部。电晕驻极技术与水驻极和热气流驻极技术相结合，多重驻极处理技术可大大增加过滤材料携带的电荷量，提高过滤材料的综合性能5原料改性和驻极处理技术随着国家公共卫生应急管理体系的进一步健全，人们健康意识、安全意识的逐渐增强，对防护口罩过滤效率、呼吸阻力和舒适性的要求将越来越高，需要提升现有防护口罩用材料的综合性能，解决呼吸阻力大，密合性与舒适性不够等问题，降低泄露风险，提高安全性。防护口罩用非织造滤料及其制备技术未来的主要发展方向有以下几个方面。在聚合物改性方面:防护口罩用非织造滤料的驻极效果与原料改性和驻极技术密切相关，要继续优化增能助剂与聚丙烯切片改性技术，进一步提高制备的纤维结晶度，减小晶粒尺寸，增加驻极电荷存储量，延缓电荷衰退。在成型技术方面:对于针刺非织造滤料，需要突破聚四氟乙烯纤维的高速成网技术，改进刺针结构，提高对扁平纤维的针刺效率;对于熔喷非织造滤料，需要突破纤维纳米化、粗细纤维混纺技术，保证高滤效的同时，降低过滤阻力。在驻极处理技术方面:研发水驻极与电晕驻极组合技术及装备，解决滤料电荷存储量偏低、电荷在滤料厚度方向分布不均匀等问题;提高滤料单位纤维电荷存储量，增强滤料过滤性能;研究电荷在湿、热等极端环境中的逃逸机制，提升电荷稳定性，延缓电荷衰退，提高防护口罩的重复使用率。在完善评价标准体系方面:在现有标准体系基础上，建立在不同应用环境下防护口罩电荷存储量的检测方法，依据不同制备方法，对防护口