聚丙烯熔喷过滤材料的制备及性能研究

聚丙烯熔喷过滤材料的制备及性能研究

由于病因快速改变，传播速度快，人们容易感受到强烈的控制困难，世界上也很容易流行。氯胺化合物是一种新型的抗菌剂。本试验通过接枝法使2,4-二氨基-6-二烯丙基氨基-1,3,5-三嗪(简称NDAM)单体接枝到聚丙烯(PP)大分子链上,再将接枝反应后的PP与NDAM单体接枝共聚物(下称改性PP)经熔喷工艺制成熔喷过滤材料,经氯漂处理后使熔喷过滤材料具备抗菌性能。熔喷过滤材料是用于医用防护口罩中最主要的过滤材料,若制成具有抗菌性能的熔喷过滤材料,则将更好地降低病毒、细菌的感染率,提高口罩的防护性能。1试验部分1.1dam抗菌单体原料:PP(MFI1500),NDAM抗菌单体,过氧化二异丙苯(DCP)引发剂。NDAM抗菌单体属于三聚氰胺的衍生物,是一种氯胺化合物。将PP、NDAM单体和DCP按一定比例均匀混合,喂入螺杆挤出机,在高温加热(200℃)条件下熔融,发生接枝共聚反应,由挤出机挤出后冷却、切割,制得均匀的改性PP切片。图1是NDAM单体的化学结构;图2是改性PP的化学结构1.2pp熔喷非织造布的性能设计试验参数:纺丝温度240~280℃,喷丝孔直径0.18mm,螺杆挤出机长径比35∶1,拉伸热空气温度280~320℃,空气压力0.25MPa,接收距离28cm,PP熔体指数MFI>1000。本文主要讨论在适宜熔喷工艺参数条件下,改性PP切片与纯PP切片按三种不同比例混合加工而成的三种熔喷非织造布试样的过滤性能和抗菌性能。试样1~试样3的改性PP/PP的质量比依次为40/60、60/40和100/0。1.3数字视频监控系统采用G002C纤维检测系统测试纤维直径。该系统由计算机、摄像机、显微镜、检测软件组成,利用先进的计算机数字图像信号处理技术,达到方便测量纤维直径的目的。每种试样测量1000根纤维,并计算其平均值。1.4呼吸过滤效率测试采用TSI8130型自动滤料测试仪进行测试。气溶胶为NaCl非油性颗粒物,平均颗粒直径0.26μm;过滤效率测试精度为99.999%。该仪器的测试方法满足美国职业安全与健康局(NIOSH42CFR,Part84)对呼吸器的测试标准和评价要求,同时符合GB2626—2006《呼吸防护用品自吸过滤式防颗粒物呼吸器》对过滤效率的测试要求。过滤效率的计算是通过测量过滤材料两端颗粒物浓度得到颗粒物穿透率k,从而得出过滤效率η,计算公式如下:式中:CC1.5驻极体空气过滤材料采用电晕法驻极,在低压空气下对针形电极施加数千伏高压,使针尖附近形成强电场,针尖附近的空气分子被电离成正负离子,这些正负离子会频繁地发生复合,电极尖端就会辐射出淡紫色的电晕光辉,并伴随着“哧,哧”的放电声,此时针尖下的物体就会受到电场的作用,产生驻极效果驻极体空气过滤材料除原有的机械阻挡作用外,还依靠静电力直接吸引空气中的带电微粒并将其捕获,或诱导空气中的中性微粒产生极性将其捕获,从而更有效地过滤空气中的亚微米粒子,在不增加空气阻力的情况下显著提高过滤效率1.6杀菌才是杀菌由改性PP切片直接制成的纤维长丝或熔喷非织造布并不具有抗菌性能,必须经过氯漂后才能杀菌。氯漂过程如图3所示。氯离子替代改性PP聚合物上的氢离子,由于氯离子遇水形成游离态氯,即活性氯,具有强氧化性,能与细菌体内的酶系统发生化学反应,从而抑制和破坏细菌细胞中酶的活性,使细菌不能吸收葡萄糖,发生营养障碍以致死亡1.7a.b.悬浮液的抗菌性能依照美国纺织品染化师协会(AATCC100)的标准进行抗菌测试。0.5mL悬浮液中含有10式中:A———控制样的琼脂培养皿中细菌数量;B———试验样的琼脂培养皿中细菌数量。2结果与讨论2.1改性pp含量对熔喷非织造布拉伸性能的影响整个熔喷过程的纺丝温度控制在240~280℃之间,在熔喷工艺参数不变的情况下,制得面密度接近的三组改性PP熔喷非织造布,其基本性能见表1。三组熔喷非织造布的面密度较为接近,可近似看作三组熔喷非织造布具有相同面密度,在此前提下,测试其厚度和拉伸性能。由表1可见,随着改性PP含量的增加,熔喷非织造布的厚度、拉伸强力和伸长率随之降低。这是由于改性PP易降解,随着改性PP含量增加,熔体出现大量的小分子,使得大分子间交联程度增加,熔体黏度增加,流动性能降低,喷丝过程中易发生断丝、并丝等现象,且熔喷非织造布表面料点增加,纤维黏结点减少,纤维直径增加,使得熔喷非织造布蓬松度减少,导致厚度降低,同时料点聚集处易发生断裂,因此断裂强力和断裂伸长率均降低。2.2抗菌性成分测定熔喷过滤材料纤维直径的大小直接影响材料的过滤性能。因为纤维越细,纤维的比表面积越大,拦截病毒、细菌等颗粒物的概率增加,过滤效率提高。除此之外,处于纤维表面的抗菌材料对细菌、病毒具有较强杀灭作用,而处于纤维内部的抗菌成分的杀灭作用较低,因此纤维越细,纤维比表面积越大,则处于纤维表面的抗菌成分越多,杀菌效果越好。由表1可见,随着熔喷非织造布试样中改性PP含量的增加,试样纤维的平均直径逐渐增大。图4是放大500倍的熔喷非织造布试样SEM照片。改性PP质量分数为40%的熔喷非织造布试样表面纤维分布均匀,几乎看不到料点,无块状黏结点,单位面积的孔隙率最高,纤维直径小,试样较为理想;当改性PP质量分数增加到60%时,纤维表面开始出现不均匀形态,有少量偏粗的纤维,且出现少量料点及少量块状黏结点,纤维直径较前者粗;当使用100%改性PP加工成熔喷非织造布试样时,表面料点数量增加且明显可见,纤维直径更粗,断丝现象严重,纤维间的黏合较弱,表面手感粗糙。这是因为改性PP热稳定性能较差,易发生热降解,虽然纺丝温度尽量控制在280℃以下,但整个纺丝过程较为复杂,难免会发生降解。降解过程中出现大量的小分子使得大分子间交联程度增加,熔体黏度增加,流动性能降低,使得聚合物从喷丝孔喷出时不容易被拉长拉细,且易发生断丝、并丝等现象。2.3影响颗粒物防护性能的因素过滤效率是呼吸防护装备的关键性标准指标之一,表征着口罩对各类有害颗粒物的防护性能。影响过滤效率的因素主要有纤维线密度、表面结构、厚度和面密度、驻极处理,其中最主要的影响因素是纤维线密度和驻极处理。表2为未经驻极处理和经过驻极处理的熔喷非织造布试样的过滤性能测试结果。2.3.1改性pp含量对过滤性能的影响未经驻极处理的熔喷非织造布试样中,改性PP质量分数为40%的试样的过滤效率为37.12%。随着改性PP含量的增加,试样的过滤效率随之降低。由于三组试样均未进行驻极处理,且面密度相近,因此出现该情况的主要影响因素是纤维线密度以及试样的表面结构和厚度。纤维的毛细作用和纤维集合体之间产生的微细空隙增加了颗粒物通过时的碰撞概率,能有效提高过滤性能。纤维越细,随机排列的纤网相对越紧密,纤维与纤维之间空隙减少,使得其对微粒的扩散作用和惯性作用增强,最终使过滤材料的整体过滤效率提高。由熔喷非织造布试样的表面结构可知,随着改性PP含量的增加,试样表面纤维排列均匀度降低,且出现少量料点,导致孔隙率低、孔径大,过滤效率降低。由熔喷非织造布试样基本性能可知,随着改性PP含量的增加,在相同面密度条件下,试样的厚度减小,则颗粒通过过滤材料的路径缩短,使材料的接触面减少,过滤效率降低。三组未经驻极处理的熔喷非织造布试样的呼吸阻力差异较小,均符合医用防护口罩用过滤材料对呼吸阻力的要求,但三组试样的过滤效率总体偏低,均在40%以下,无法满足医用防护口罩对熔喷过滤材料的要求。2.3.2过滤效率与呼吸阻力的关系经过驻极处理的熔喷非织造布试样中,改性PP质量分数为40%的试样的过滤效率上升到84.88%,改性PP质量分数为60%的试样的过滤效率达到80.08%。过滤效率比未经驻极处理的试样有了极大提高,而呼吸阻力基本不变。由上可见,驻极处理可在不增加呼吸阻力的情况下,大幅度提高熔喷过滤材料的过滤效率。因此,若要将改性PP熔喷非织造布用于医用防护口罩,不仅要严格控制熔喷工艺参数,还需对其进行驻极处理。2.4抗菌性能分析表3是熔喷非织造布试样抗菌性能测试结果。随着改性PP含量的增加,试样对大肠杆菌的杀菌率逐渐增加,当改性PP质量分数为100%时,杀菌率达到100%,能有效杀灭大肠杆菌。但改性PP含量较低时,杀菌率较低,不能有效杀灭大肠杆菌。在理论上,含有质量分数40%和60%改性PP的试样中,其NDAM的含量已足够有效杀灭细菌。但是,经过熔喷工艺加工后,抗菌性能大大降低,只有含100%改性PP的熔喷非织造布才具备有效抗菌性能。主要有两方面原因:(1)PP和NDAM接枝率低。接枝率的高低直接决定活性氯的高低,活性氯是该改性聚合物的杀菌成分,活性氯含量越高,则杀菌效果越好。因此,要提高杀菌率就必须提高PP和NDAM的接枝率。(2)纺丝温度难控制。纺丝温度控制是本试验的关键技术,因为NDAM单体容易热降解,一旦发生降解,就会大大降低NDAM含量,使得氯代后活性氯含量降低,直接导致杀菌性能降低。除此之外,熔喷工艺参数还会直接影响纤维线密度,纤维越细,比表面积越大,则表面活性氯含量越高,杀菌效果越好。因此,必须选择适合的熔喷工艺参数,才能更好地发挥熔喷非织造布的抗菌性能。3熔喷非织造布试样在自然条件下,其(1)由于改性PP的热稳定性差,需将熔喷纺丝温度控制在240~280℃之间,并使用高熔体指数的PP为原料。(2)随着改性PP含量的增加,熔喷非织造布试样的纤维直径增加,纤维直径分布增大,表面纤维排列均匀度降低,厚度减小,使得过滤效率降低。(3)熔喷非织造布试样在经过30kV电压驻极处理后,过滤效率明显