空氣過濾材料用聚烯烴原纖化纖維的研究

吳劍波

(深圳市好亞通防護(hù)用品有限公司，廣東 深圳 518106)

1 引言

膜裂法制備纖維是20世紀(jì)70年代起發(fā)展較為迅速的一種技術(shù)，是利用薄膜經(jīng)高倍縱向拉伸，分子取向平衡排列，軸向強(qiáng)度升高，緯向強(qiáng)度降至極限，經(jīng)機(jī)械或化學(xué)方法原纖化處理后，會(huì)自行劈裂成纖的特性[1，2]制備而成。文獻(xiàn)報(bào)道最多的工業(yè)化膜裂纖維(原纖化纖維)主要為聚四氟乙烯材料和熱塑性聚烯烴材料(聚丙烯、聚乙烯及其共混材料)。聚四氟乙烯原料和成型設(shè)備價(jià)格較高、制備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率較低，僅在高溫過濾材料、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑工程和航空等特殊領(lǐng)域應(yīng)用較多[3]，而聚烯烴材料價(jià)格低廉、密度小、強(qiáng)度高、抗化學(xué)腐蝕性好[4]。

采用膜裂新工藝制備原纖化纖維，具有對原材料要求不高、生產(chǎn)工藝流程短、設(shè)備投資較少、產(chǎn)品規(guī)格在一定程度可調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。國產(chǎn)原纖化纖維直徑大、毛絲多、強(qiáng)度低、硬度大、手感不佳，使得其應(yīng)用受到一定限制，僅在20世紀(jì)90年代應(yīng)用于香煙濾嘴[5，6]。傳統(tǒng)空氣過濾材料主要采用熔噴法，過濾效率很高，但氣流阻力非常大，使用壽命短。而原纖化纖維制備的非織造空氣過濾材料，具有大孔徑、多通道的蓬松結(jié)構(gòu)，在高效過濾的前提下，保證了極低的氣流阻力，經(jīng)高壓極化處理后，其過濾效率進(jìn)一步提高，特別適用于制作高效低阻空氣過濾材料，附加值高，市場前景好[7]，因此本文將空氣過濾材料用聚烯烴原纖化纖維作為研究重點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

共聚PP，T30S，Mn為80000，聚合度約為1800，熔融指數(shù)為3.0 g/10 min(2.16 kg/230℃)撫順乙烯化工；增韌劑，POE，8210，熔融指數(shù)為20 g/10 min(2.16 kg/190℃)，埃克森美孚；增韌劑，LLDPE，F(xiàn)U149M，熔融指數(shù)為1.0 g/10 min(2.16 kg/190℃)，韓國SK；增容劑，PP-g-GMA/St，按孫曉東[8]所述方法自制；補(bǔ)強(qiáng)劑，超支化接枝改性納米粉體，按趙輝等人[9]所述方法自制。

2.2 儀器與設(shè)備

單螺桿擠出流延實(shí)驗(yàn)線：MESI-30/40，廣州市普同實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司；模溫機(jī)：JO-05，2套，昆山新久陽機(jī)械設(shè)備有限公司；分切裝置：同軸刀具架，刀片采用鎢鋼合金，刀片間距10 mm～20 mm可調(diào)，上海潤鋒機(jī)械工具有限公司；原纖化裝置：開纖機(jī)由前后兩對壓輥和導(dǎo)輥與中間開纖輥所組成，開纖輥連接伺服電機(jī)，針排可拆卸更換，自制。

全自動(dòng)單紗強(qiáng)力機(jī)，YG023B-II，常州二紡精密機(jī)械有限公司；萬能材料試驗(yàn)機(jī)：HF-9005，蘇州力高檢測設(shè)備有限公司；掃描電子顯微鏡，SU3500，日立高新技術(shù)公司；纖維細(xì)度儀，YG002型，溫州際高檢測儀器有限公司；纖維投影儀，XSZ-109 G208C，溫州際高檢測儀器有限公司；光學(xué)顯微鏡，XZ-2B，寧波永新光學(xué)股份有限公司；薄膜測厚儀：CHY-U，濟(jì)南三泉中石實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；數(shù)字式織物透氣量儀，YG461，常州市中纖儀器有限公司；恒溫恒濕箱透濕性測試儀，TN11068-B，東莞市通銘檢測科技有限公司。

2.3 原纖化纖維制備方法

膜母粒的制備：PP顆粒料100份、增容劑2.5份、補(bǔ)強(qiáng)劑4份、抗氧劑0.5份～1.5份、光穩(wěn)定劑0.15份～0.5份，將上述各成分在高混機(jī)中低速充分混合，然后經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)熔融塑化、擠出、水冷、風(fēng)干、切粒、干燥得到膜母粒。

改性薄膜料的制備：將PP顆粒料100份和膜母粒20份在高混機(jī)中高速混合均勻，得到改性薄膜料，備用。

將改性薄膜料加入到擠出機(jī)的料斗中，在單螺桿擠出機(jī)中熔融塑化，依次進(jìn)入計(jì)量泵、過濾器和熔體分配器，然后通過特制模頭擠出，再經(jīng)流延輥和冷卻輥的預(yù)拉伸得到超薄薄膜。薄膜在線分切成10 mm扁條，依次經(jīng)過第一次多輥熱拉伸、第二次多輥熱拉伸、紅外烘箱熱定型、機(jī)械開纖、集束收卷制成聚烯烴原纖化纖維。

2.4 高效低阻空氣過濾材料制備方法

將制備的聚烯烴原纖化纖維通過集束、張力控制、導(dǎo)絲、蒸汽軟化、卷曲、熱定型后導(dǎo)入圓盤式或閘刀式纖維切斷機(jī)切成指定長度的原纖化短纖維，短纖維經(jīng)雙道開松、梳理、鋪網(wǎng)、雙道針刺、熱定型和收卷制備成非織造布空氣過濾材料(克重約150 g/m2)。

對針刺非織造空氣過濾材料采用高壓極化處理，極化工藝為：極化電壓為25 kV，輸出電流為1 mA，極化距離為15 mm，通過控制過濾材料的走布速度調(diào)節(jié)極化時(shí)間為20 s，高壓極化完成后，收卷得到高效低阻空氣過濾材料。

2.5 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

2.5.1扁絲

拉伸斷裂應(yīng)力和斷裂拉伸應(yīng)變(縱向)：采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 1040—2006《塑料 拉伸性能的測定》進(jìn)行測定。

取向度：采用X射線衍射法測定扁絲的取向度。

厚度：采用薄膜測厚儀，進(jìn)行扁絲厚度的測定。

2.5.2原纖化纖維

平均直徑：采用光學(xué)顯微鏡自動(dòng)掃描法，隨機(jī)測定1000根～2000根纖維直徑，然后計(jì)算平均值。

原纖化指數(shù)：參照楊旭紅[10]所述原纖化指數(shù)主觀評價(jià)法進(jìn)行測定。

斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率：按照GB/T 19975—2005《高強(qiáng)化纖長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》測試，其中兩夾頭隔距為250 mm，前伸速度為250 mm/min，預(yù)加張力為5 cN。

熱收縮率：按照GB/T 6505—2001《合成纖維長絲熱收縮率試驗(yàn)方法》進(jìn)行測定。

2.5.3空氣過濾材料

過濾效率：按照GB 2626—2006《呼吸防護(hù)用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》中第6.3節(jié)進(jìn)行測試。

氣流阻力：按照GB 19083—2010《醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求》 中第5.4節(jié)進(jìn)行測試，其中選用0.3 μm的NaCl 顆粒，氣體流量為 30 L/min，測試環(huán)境溫濕度分別約為23℃和30%。

透氣率：按照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》進(jìn)行透氣量測量，壓差選擇200 Pa。

透濕率：使用透濕性試驗(yàn)儀，按照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第2部分：蒸發(fā)法》，測試過濾材料的透濕性。

3 結(jié)果與討論

扁絲流延、鑄片和冷卻成型部分的主要工藝參數(shù)如表1所示。

3.1 熱拉伸溫度對扁絲物理機(jī)械性能的影響

為了使拉伸溫度分布均勻，本研究采用熱輥多道拉伸的方式，鋼輥內(nèi)部設(shè)置多層不銹鋼、多層高壓軟管連接雙螺旋流道，流道進(jìn)出口分別使用進(jìn)口高壓油管連接至拉伸系統(tǒng)配套模溫機(jī)，保證輥表面溫差≤1℃。本研究固定一次拉伸比為5，二次拉伸比為1.5，研究了熱拉伸溫度對扁絲的外觀和物理機(jī)械性能的影響，結(jié)果如表2所示。

表1 流延設(shè)備主要工藝參數(shù)

表2 熱拉伸溫度對扁絲物理機(jī)械性能的影響

由表2可知，隨著熱拉伸溫度的升高，扁絲的拉伸斷裂應(yīng)力、斷裂拉伸應(yīng)變和取向度先增加，超過160℃后又開始降低，而扁絲的厚度也對應(yīng)著先降低，后增加。這可能是因?yàn)閯傔_(dá)到扁絲材料軟化點(diǎn)時(shí)，隨著熱拉伸溫度升高，高分子分子鏈的運(yùn)動(dòng)加快，塑性增強(qiáng)，松弛時(shí)間縮短，拉伸中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較小，同時(shí)取向度增加，拉伸斷裂應(yīng)力也增加，厚度也隨之變薄。但熱拉伸溫度繼續(xù)升高時(shí)，高溫下聚烯烴材料開始熱降解，其解取向也加快，取向度、拉伸斷裂應(yīng)力隨之降低[11]。當(dāng)熱拉伸溫度過高時(shí)，扁絲在接觸到輥筒的同時(shí)，由于瞬間的高溫，局部收縮出現(xiàn)較嚴(yán)重的褶皺，導(dǎo)致疊膜，扁絲厚度又有增加的趨勢。因此本研究確定拉伸溫度為160℃。

3.2 熱拉伸比對扁絲物理機(jī)械性能的影響

固定二次拉伸比為1.5，研究總拉伸比對扁絲物理機(jī)械性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 總拉伸比對扁絲物理機(jī)械性能的影響

注：熱拉伸溫度為160 ℃。

由表3可知，在一定范圍內(nèi)，隨著總拉伸比的增加，扁絲的拉伸斷裂應(yīng)力、斷裂拉伸應(yīng)變和取向度也隨之增大，其主要原因可能是在適當(dāng)?shù)睦鞙囟认?，在拉伸過程中，聚烯烴材料的大分子鏈發(fā)生了高度取向。當(dāng)拉伸比達(dá)到7.5以上時(shí)，扁絲的拉伸斷裂應(yīng)力則無顯著提高。隨著總拉伸比的增加，厚度會(huì)減少，厚度均勻性變差，因此厚度在滿足其拉伸應(yīng)力的前提下，可以適當(dāng)降低總拉伸比，以改善厚度均勻性[12]。為了得到較細(xì)的原纖化纖維，扁絲厚度不能超過2.5 μm，即總拉伸比應(yīng)≥7.5。

為了研究一次拉伸比和二次拉伸比對扁絲性能的影響程度，本研究進(jìn)一步設(shè)計(jì)了幾組試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在固定總拉伸比的前提下，在一定范圍內(nèi)一次拉伸比的增加，更有利于得到超薄扁絲，但均勻性會(huì)變差，為了兼顧扁絲厚度與扁絲厚度均勻性，因此本研究選擇一次拉伸比為4，二次拉伸比為2。

表4 一次拉伸比與二次拉伸比對扁絲厚度的影響

注：總拉伸比為8，針密度為60針/cm。

3.3 針密度對原纖化纖維性能的影響

針密度是指單位長度針排上原纖化針的數(shù)量，增加針密度是降低原纖化纖維單絲寬度的有效途徑。固定熱拉伸溫度為160℃、一次拉伸比為4、二次拉伸比為2，研究了針密度對原纖化纖維平均直徑的影響，結(jié)果如表5所示。

注：開纖比為3.0，熱定型溫度為200℃。

由表5可知，針密度增加后，原纖化纖維的平均直徑減小，這是因?yàn)殡S著針密度的增加，纖維之間的交聯(lián)點(diǎn)變短，在同一寬度范圍內(nèi)各纖維交聯(lián)點(diǎn)的有效寬度減小，因此纖維變細(xì)。但隨著針密度繼續(xù)增加，開纖時(shí)容易產(chǎn)生原纖化毛絲，針密度超過75針/cm以上，斷絲增加，造成纏輥現(xiàn)象，無法連續(xù)開纖和收卷。因此，可在開纖前將扁絲先通過紅外烘箱進(jìn)行熱定型處理，使扁絲受熱而具有一定塑性，扁絲受熱后結(jié)晶度變小，柔性增大，避免因薄膜脆裂而產(chǎn)生原纖化毛絲現(xiàn)象[13]。本研究選擇針密度為75針/cm。

3.4 開纖比對原纖化纖維性能的影響

固定熱拉伸溫度為160℃，一次拉伸比為4、二次拉伸比為2，針密度為75針/cm，研究開纖比對原纖化纖維物理機(jī)械性能的影響，結(jié)果如表6所示。

注：熱定型溫度為200℃。

由表6可知，隨著開纖比的增大，原纖化指數(shù)增加、平均直徑減小，這些對空氣濾材是有益的[14]。但隨著開纖比的增大，原纖化纖維的平均細(xì)度降低，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率逐漸降低，熱收縮率也略有增加。同時(shí)原纖化纖維的毛絲也增多，在單位面積上纖維網(wǎng)格也不如開纖比小時(shí)整齊，這可能是因?yàn)獒樰佫D(zhuǎn)速增加，針輥的震動(dòng)也增加，容易使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成毛絲。原纖化纖維在制備超薄扁絲過程中，單位寬度上被分割成許多絲連的網(wǎng)狀，各網(wǎng)狀之間能橫向形變，松散、富有彈性，所以手感柔軟。為了兼顧原纖化纖維的機(jī)械性能、加工性和潛在過濾性能，本研究選擇開纖比為3.0。

3.5 熱定型溫度對原纖化纖維性能的影響

固定熱拉伸溫度為160℃，一次拉伸比為4、二次拉伸比為2，針密度為75針/cm，開纖比為3.0，研究了熱定型溫度對原纖化纖維熱收縮率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 熱定型溫度對原纖化纖維熱收縮率的影響

在熱拉伸的過程中，扁絲會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，為了消除內(nèi)應(yīng)力，完善微晶化結(jié)構(gòu)，減少收縮率，進(jìn)一步提高原纖化纖維的尺寸穩(wěn)定性及表面平整度，需要對扁絲進(jìn)行熱定型處理[15]。熱定型處理的效果取決于熱定型的溫度和時(shí)間，在設(shè)備確定的前提下，其拉伸速度是固定不變的，即熱定型的時(shí)間是固定的，所以熱定型溫度是關(guān)鍵。

由圖1可知，隨著熱定型溫度升高，原纖化纖維的熱收縮率先急劇降低，后趨于平緩。其原因可能是隨著熱定型溫度升高，高分子中分子鏈的運(yùn)動(dòng)加快，取向也增加，熱拉伸溫度繼續(xù)升高時(shí)，其取向度接近100%。但考慮到設(shè)備能耗，高溫工作會(huì)加速生產(chǎn)線機(jī)械和電氣部分的腐蝕和老化，因此本研究選擇熱定型溫度為220℃。

綜上研究得到空氣過濾材料用原纖化纖維的最佳加工工藝：熱拉伸溫度為160℃、一次拉伸比為4、二次拉伸比為2、針密度為75針/cm、開纖比為3.0、熱定型溫度為220℃。

3.6 空氣過濾材料結(jié)構(gòu)與性能分析

按照最佳加工工藝，制備原纖化纖維，并制成空氣過濾材料。

3.6.1掃描電子顯微鏡(SEM)分析

使用掃描電子顯微鏡觀察空氣過濾材料的微觀形貌，并與國產(chǎn)針刺空氣過濾材料對比，如圖2、圖3所示。

圖2 國產(chǎn)針刺空氣過濾材料

由圖2和圖3可知，國產(chǎn)針刺空氣過濾材料纖維的直徑較細(xì)，且直徑分布較窄，而高效低阻空氣過濾材料的截面為扁平狀，既有較粗的大纖維，也有劈裂的超細(xì)纖維，并且原纖化程度非常高。

3.6.2空氣過濾材料中原纖化纖維直徑及分布

圖3 高效低阻空氣過濾材料(原纖化纖維)

圖4 空氣過濾材料中原纖化纖維的直徑及分布

從圖4可以看出，空氣過濾材料中原纖化纖維的直徑以超細(xì)纖維(直徑≤50μm，約占75.3%)為主，較粗纖維(直徑≥100μm，約占3.8%)為輔。結(jié)合圖3，可以看出，原纖化法制備的聚烯烴纖維，不僅含有大量的原纖化程度很高的超細(xì)纖維，還含有少量直徑分布較廣的粗纖維。超細(xì)纖維的比表面積大、吸附能力強(qiáng)，可作為主體過濾材料，較粗的纖維，具有一定強(qiáng)度，可以作為骨架纖維支撐纖網(wǎng)，保證纖網(wǎng)有一定的厚度和強(qiáng)度，形成大孔徑、多通道的蓬松結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)熔噴或紡粘空氣過濾材料容易堆實(shí)，增加過濾阻力的問題，從而在高效過濾的前提下，保證了濾材的氣流阻力很低，容塵量和透氣率很高。經(jīng)高壓極化處理后，空氣濾材的過濾效率進(jìn)一步提高，因此特別適用于制作高效低阻空氣過濾材料，附加值高，市場前景非常好[16]。

3.6.3空氣過濾材料過濾及舒適性能測試

表7 空氣過濾材料過濾及舒適性能測試

由表7可知，按照選定工藝制備原纖化纖維并制成的空氣過濾材料，具有較高的過濾效率和極低的氣流阻力，以及優(yōu)異的透氣性和透濕性。因此可以廣泛應(yīng)用于個(gè)人呼吸防護(hù)、空氣過濾器、真空吸塵器、汽車空氣凈化、室內(nèi)空氣凈化等領(lǐng)域。隨著對過濾材料研究和開發(fā)的深入，其在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

4 結(jié)論

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，確定了空氣過濾材料用聚烯烴原纖化纖維的加工工藝為：熱拉伸溫度為160℃、一次拉伸比為4、二次拉伸比為2、開纖比為3.0、針密度為75針/cm、熱定型溫度為220℃；選擇合適的熱拉伸溫度有利于增強(qiáng)纖維斷裂強(qiáng)度及降低薄膜厚度，對原纖化開纖效果有積極影響；在總拉伸比固定的前提下，在一定范圍內(nèi)一次拉伸比增加，更有利于得到超薄扁絲。按照確定加工工藝制備原纖化纖維并制成的空氣過濾材料具有優(yōu)異的綜合性能，可作為高效低阻空氣過濾材料，應(yīng)用于空氣凈化領(lǐng)域。