防護(hù)口罩用非織造濾料的制備技術(shù)與研究現(xiàn)狀

張 星， 劉金鑫， 張海峰， 王玉曉， 靳向煜

(1. 東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620；2. 南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

2019年12月以來(lái)，我國(guó)湖北省武漢市陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了后被稱為新型冠狀病毒肺炎病例，隨著病毒的傳播，造成疫情大面積發(fā)生，嚴(yán)重影響了廣大民眾的身體健康，使公共安全衛(wèi)生問題受到各界的廣泛關(guān)注。在類似非典、禽流感、新冠肺炎等主要通過呼吸道傳染的疾病流行時(shí)，佩戴防護(hù)口罩是一種重要的防護(hù)措施。病毒攜帶者需要佩戴口罩，防止飛沫噴入空氣，切斷病毒傳播；健康人員需要佩戴口罩，大幅度降低吸入含病毒空氣的風(fēng)險(xiǎn)，因此，在疫情發(fā)生后制作口罩的非織造過濾材料短期內(nèi)將成為供不應(yīng)求的緊缺物資。

目前，防護(hù)口罩的主要類型有醫(yī)用口罩(醫(yī)用防護(hù)口罩、醫(yī)用外科口罩和一次性醫(yī)用口罩)、勞保口罩(KN類、KP類)和日常防護(hù)口罩。紡粘非織造濾料、針刺非織造濾料和熔噴非織造濾料是防護(hù)口罩的主體材料。與傳統(tǒng)紡織過濾材料相比，用于防護(hù)口罩的非織造過濾材料具有獨(dú)特的三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、孔徑小、孔隙率大、透氣性與過濾性能好[1]。本文介紹了紡粘、針刺和熔噴非織造濾料及其制備技術(shù)，闡述了駐極處理技術(shù)的原理與應(yīng)用，分析了防護(hù)口罩用非織造濾料未來(lái)的主要發(fā)展方向，以期為防護(hù)口罩的生產(chǎn)提供參考。

1 紡粘非織造濾料及其制備技術(shù)

紡粘非織造濾料一般應(yīng)用在防護(hù)口罩的最外層和最內(nèi)層：外層的濾料為保護(hù)層，用作骨架，并有效攔截大粒徑的顆粒物(顆粒直徑大于10 μm)，防止大顆粒物過早堵塞熔噴層形成濾餅；內(nèi)層的濾料為舒適層，用作襯里。平衡過濾效率與過濾阻力這2項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是制備優(yōu)良紡粘非織造濾料的關(guān)鍵。

圖1示出雙模頭紡粘非織造翻網(wǎng)成型技術(shù)工藝流程。成網(wǎng)裝置B中的纖維網(wǎng)呈逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，上下面翻轉(zhuǎn)與成網(wǎng)裝置A中順時(shí)針運(yùn)動(dòng)的纖維網(wǎng)疊合。這項(xiàng)雙模頭紡粘非織造翻網(wǎng)成型技術(shù)的發(fā)明，不僅降低了成網(wǎng)裝置B的抽吸風(fēng)機(jī)功率配置，成網(wǎng)過程中抽吸風(fēng)機(jī)總能耗降低了1/3，而且2層纖網(wǎng)的隨機(jī)疊合會(huì)使得非織造濾料更加均勻。

1—料斗；2—螺桿擠出機(jī)；3—過濾器；4—計(jì)量泵；5—紡絲箱；6—牽伸裝置；7—冷卻風(fēng)；8—分絲；9—抽吸裝置；10—成網(wǎng)裝置A；11—成網(wǎng)裝置B；12—加固裝置；13—成卷裝置。圖1 雙模頭紡粘非織造翻網(wǎng)成型技術(shù)工藝流程Fig.1 Schematic of preparation of spunbond nonwoven filtration materials with a double die head

紡粘非織造技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要在紡粘非織造纖維網(wǎng)固結(jié)技術(shù)和原料的改性技術(shù)2個(gè)方面。

紡粘非織造濾料的固結(jié)技術(shù)。用熱風(fēng)加固紡粘非織造纖維網(wǎng)(后文簡(jiǎn)稱紡粘纖網(wǎng))，可大幅度減小濾料過濾阻力[2-3]，有效平衡濾料的過濾效率與阻力。紡粘纖網(wǎng)在熱加固時(shí)，主要采用熱軋或熱風(fēng)技術(shù)。圖2分別為聚丙烯熱軋紡粘非織造濾料的表面和軋點(diǎn)截面掃描電鏡照片。由照片可明顯觀察到，聚丙烯纖維經(jīng)一對(duì)軋輥高溫高壓的共同作用后，長(zhǎng)絲發(fā)生形變、熔融、互相粘合固結(jié)，粘合區(qū)域形成類似“薄膜狀”的軋點(diǎn)形態(tài)，這些熱軋?jiān)斐傻拿荛]膜狀結(jié)構(gòu)使得濾料的過濾阻力增加。

圖2 聚丙烯熱軋紡粘非織造濾料表面和軋點(diǎn)截面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of polypropylene calender point-bonding nonwoven filtration material. (a) Surface morphology；(b) Cross section morphology

圖3分別為聚乙烯/聚丙烯熱風(fēng)紡粘非織造濾料的表面和截面掃描電鏡照片?？煽吹剑ば窘Y(jié)構(gòu)的雙組分紡粘纖網(wǎng)利用皮層聚乙烯熔點(diǎn)低的特性，在熱氣流與氣壓的作用下皮層組分受熱熔融流動(dòng)，冷卻后起到粘合作用，芯層聚丙烯組分形態(tài)穩(wěn)定，纖維網(wǎng)中纖維與纖維在交叉點(diǎn)產(chǎn)生直接“點(diǎn)點(diǎn)熔融”粘合，形成穩(wěn)定的三維立體蓬松結(jié)構(gòu)，有利于降低濾料的過濾阻力。Liu等[4]研究發(fā)現(xiàn)，相同面密度的雙組分紡粘非織造濾料，熱軋加固后的過濾阻力為81.3 Pa(過濾性能測(cè)試采用氯化鈉氣溶膠，質(zhì)量中值直徑為0.26 μm，幾何標(biāo)準(zhǔn)差小于1.83，氣體流量為32 L/min)，過濾效率為92.3%，而熱風(fēng)加固后的過濾阻力僅為22.6 Pa，過濾效率為88.6%，顯然，采用熱風(fēng)加固雖然會(huì)略微降低濾料的過濾效率，但可以大幅度減小濾料的過濾阻力。熱風(fēng)加固方法制備的過濾材料手感柔軟，與面部皮膚接觸時(shí)，能明顯提高舒適度。

圖3 聚乙烯/聚丙烯熱風(fēng)紡粘非織造濾料掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of polyethylene/polypropylene nonwoven filtration materials fabricated via air bonding. (a) Surface morphology；(b) Cross section morphology

用于紡粘非織造濾料的聚合物改性。聚乙烯/聚丙烯經(jīng)過母粒改性技術(shù)，即添加改性增能助劑，有利于提高纖維體系的結(jié)晶度，并且晶粒的尺寸有所減小。駐極產(chǎn)生的空間電荷主要被捕獲在高度有序的晶區(qū)或者晶相與非晶相的界面處，另外晶區(qū)含有的細(xì)微晶粒，當(dāng)強(qiáng)電流通過駐極材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Maxwell-Wagner效應(yīng)，使得晶粒的端面積聚大量相反極性的電荷，形成類似取向極化的極化電荷，晶粒尺寸減小易于被極化，從而產(chǎn)生更多的極化電荷，所以，增能助劑有利于空間電荷和極化電荷的產(chǎn)生和儲(chǔ)存。有文獻(xiàn)[5]報(bào)道，經(jīng)過駐極處理后，當(dāng)增能助劑添加于芯層聚丙烯時(shí)，紡粘非織造濾料的過濾效率提高，聚乙烯/聚丙烯紡粘非織造濾料的過濾效率可以達(dá)到98.9%，過濾阻力僅為37.92 Pa。這種新型的過濾材料在防護(hù)口罩中被廣泛應(yīng)用。

2 針刺非織造濾料及其制備技術(shù)

針刺非織造濾料也是醫(yī)用防護(hù)口罩、勞保口罩和日常防護(hù)口罩的重要材料。其主要用在口罩外層紡粘非織造濾料和內(nèi)層熔噴非織造濾料之間，既要滿足防護(hù)口罩的支撐需求(如圖4所示)，還要具有一定的過濾性能。普通針刺非織造濾料的加工技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

圖4 拱形設(shè)計(jì)的KN95口罩Fig.4 KN95 mask with arched structure

圖5示出針刺非織造濾料的成型工藝流程。針刺非織造濾料生產(chǎn)原理是利用不同構(gòu)造的刺針反復(fù)穿刺纖網(wǎng)，刺針的倒鉤帶動(dòng)纖網(wǎng)中的纖維位移并相互纏繞固結(jié)成型。近年來(lái)，我國(guó)針刺非織造裝備技術(shù)日趨成熟和完善，針刺非織造成套設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，部分設(shè)備的工藝可與進(jìn)口設(shè)備相媲美。

1—針板；2—刺針；3—?jiǎng)兙W(wǎng)板；4—托網(wǎng)板；5—成卷裝置；6—纖維網(wǎng)；7—針刺非織造濾料。圖5 針刺非織造濾料的成型工藝流程Fig.5 Schematic of preparation of needle punched nonwoven filtration materials

隨著理論研究與加工技術(shù)的發(fā)展，為進(jìn)一步提升針刺非織造濾料的性能，研發(fā)的關(guān)注點(diǎn)主要集中在新原料的使用及其加工技術(shù)等方面。選用高介電常數(shù)的合成纖維[6-7]，應(yīng)用非織造刺針機(jī)械運(yùn)動(dòng)和氣流摩擦技術(shù)，通過摩擦中電荷積聚使材料帶上靜電，可提高濾料過濾時(shí)吸附微顆粒氣溶膠的性能。在濾料加工過程中，精確混入適量的聚四氟乙烯膜裂纖維[8-9]，使用時(shí)濾料中的聚四氟乙烯纖維與其他纖維、過濾氣流不斷摩擦起電，纖維能持續(xù)性聚集電荷，可幫助濾料很好地吸附非油性顆粒物質(zhì)。Wang等[10]研究發(fā)現(xiàn)：聚四氟乙烯/聚丙烯針刺復(fù)合濾料的過濾效率可以達(dá)到89.4%，過濾阻力僅為18.6 Pa；未加入聚四氟乙烯膜裂纖維的針刺濾料過濾效率僅為61.8%，過濾阻力沒有顯著變化。

采用聚丙烯表面改性與雙駐極組合技術(shù)，通過對(duì)纖維表面能的控制，可提升過濾材料的駐極效果。鄒志偉等[11]研究發(fā)現(xiàn)：針刺非織造濾料去除油劑后，體積比電阻增加，介電常數(shù)變大，纖維更易聚集大量的正電荷或負(fù)電荷；穩(wěn)定的微電場(chǎng)可以提高濾料對(duì)微顆粒物的吸附，過濾效率比未處理時(shí)高15%左右。

通過改性處理，可提高非織造過濾材料中聚丙烯纖維的結(jié)晶度，增加電荷在陷阱中的存儲(chǔ)量，延緩電荷衰退。Zhang等[12]研究發(fā)現(xiàn)：采用較高結(jié)晶度聚丙烯纖維制備的針刺非織造濾料，對(duì)氯化鈉氣溶膠過濾效率達(dá)到90.7%，過濾阻力僅為5.88 Pa；而相同結(jié)構(gòu)由較低結(jié)晶度聚丙烯纖維組成的針刺非織造濾料的過濾效率僅為54.6%。

采用上述新技術(shù)制備的針刺非織造濾料能夠用于防護(hù)口罩的拱形支撐結(jié)構(gòu)中，并具有超低吸氣阻力和顯著過濾效率，突破了國(guó)內(nèi)針刺非織造濾料過濾效率低、過濾阻力大、容塵量小、使用壽命短的技術(shù)瓶頸。

3 熔噴非織造濾料及其制備技術(shù)

熔噴非織造濾料用作防護(hù)口罩的核心過濾層，具有纖維細(xì)度細(xì)、孔徑小、比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn)。圖6示出熔噴非織造濾料成型工藝流程。

1—料斗；2—螺桿擠出機(jī)；3—過濾器；4—計(jì)量泵；5—紡絲模頭；6—熱空氣；7—抽吸裝置；8—成網(wǎng)裝置。圖6 熔噴非織造濾料的成型技術(shù)工藝圖Fig.6 Schematic of preparation of melt blown nonwoven filtration materials

熔噴技術(shù)的研究方向主要?dú)w納為以下幾個(gè)方面。

纖維直徑納米化[13-14]技術(shù)。通過改良噴絲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選用高熔指聚合物切片[15]的方法，減小熔噴材料直徑，提高過濾效率。Hassan等[16]設(shè)計(jì)3種特殊噴絲板(長(zhǎng)徑比分別為30、50、200，噴絲孔直徑分別為0.304 8、0.177 8、0.127 0 mm)，制備了纖維直徑在300～500 nm之間的聚丙烯熔噴非織造材料。Nayak等[17]使用熔融指數(shù)為100、300 g/(10 min)的聚丙烯切片，通過在螺桿中注入去離子水/壓縮空氣的方法，制備了纖維直徑在438～755 nm之間的熔噴材料。

聚合物改性技術(shù)。通過無(wú)機(jī)物[18-19]/有機(jī)物[20]改性樹脂切片的方法，增強(qiáng)駐極效果，可提高熔噴材料的過濾性能。Yu等[21]研究發(fā)現(xiàn)：樹脂經(jīng)電氣石改性后，可提高熔噴纖維的結(jié)晶度、表面電壓和過濾性能，當(dāng)電氣石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，過濾效率可達(dá)到88.6%；未改性時(shí)，過濾效率僅為54.0%。Zhang等[22]研究發(fā)現(xiàn)：聚丙烯樹脂經(jīng)增能助劑改性后，制備得到的熔噴非織造過濾材料(面密度為40 g/m2)，過濾阻力僅為92 Pa；過濾效率可以達(dá)到99.22%(過濾性能測(cè)試時(shí)采用的氣體流量為85 L/min)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB 2626—2019《呼吸防護(hù)自吸過濾式防顆粒物呼吸器》中規(guī)定的阻力指標(biāo)值(210 Pa)。所在課題組將2011年制備的增能助劑改性熔噴駐極濾料(面密度為50 g/m2)進(jìn)行時(shí)效比對(duì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：存儲(chǔ)前過濾效率為99.4%(氣體流量為85 L/min)，過濾阻力為107.2 Pa；試樣經(jīng)8 a密封儲(chǔ)存后，2019年測(cè)得的過濾效率為97.05%，過濾效率值下降小于3%，過濾阻力為109.8 Pa，基本保持不變，表明駐極效果非常穩(wěn)定，能夠充分滿足防護(hù)口罩長(zhǎng)期戰(zhàn)略儲(chǔ)備的需求。采用聚合物改性及增能助劑添加技術(shù)，可突破熔噴非織造濾料存放時(shí)效短的共性技術(shù)問題，大大提升我國(guó)防護(hù)產(chǎn)品的戰(zhàn)略儲(chǔ)備能力。

4 駐極處理技術(shù)

在非織造濾料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，駐極技術(shù)尤為重要。這是因?yàn)轳v極處理在不影響材料結(jié)構(gòu)，尤其是不增加過濾阻力的情況下，能夠顯著提高濾料的過濾效率。駐極技術(shù)種類[23-25]較多，其中電暈駐極技術(shù)最為常見，水駐極技術(shù)與熱氣流駐極技術(shù)比較新穎。

圖7示出典型的電暈駐極原理。圖中采用的是針尖放電。利用一個(gè)非均勻電場(chǎng)引起空氣局部放電，產(chǎn)生的粒子束轟擊過濾材料，并使電荷大量沉積在纖維上。

1—高壓電源；2—駐極針板；3—待駐極濾料；4—銅板。圖7 電暈駐極原理圖Fig.7 Mechanism of corona charging

Tabti等[26]將聚丙烯熔噴非織造材料分別在75 ℃和20 ℃的環(huán)境下駐極(駐極電壓均為10 kV)研究發(fā)現(xiàn)，熔噴非織造濾料在75 ℃環(huán)境中駐極效果更好，表面電壓更高，電荷衰減更慢。原因主要有3點(diǎn)：溫度越高，駐極電荷可以從“淺阱”移動(dòng)到“深阱”中，使電荷存儲(chǔ)更加穩(wěn)定；溫度升高后可提高電荷遷移率，使更多的電荷存儲(chǔ)到材料內(nèi)部，提高電荷存儲(chǔ)量；加熱狀態(tài)下可以降低空氣濕度，延緩電荷衰減。

有研究[27]發(fā)現(xiàn)，在電暈駐極過程中，駐極電極和熔噴非織造濾料之間的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一種“電暈藍(lán)光”現(xiàn)象(如圖8所示)。駐極電壓的差異引起了不同強(qiáng)度的“電暈藍(lán)光”，電暈駐極材料的過濾效率與“電暈藍(lán)光”強(qiáng)度呈線性增加的關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過在線控制“電暈藍(lán)光”的強(qiáng)弱來(lái)預(yù)測(cè)材料的過濾性能，通過光學(xué)成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

圖8 “電暈藍(lán)光”現(xiàn)象Fig.8 Blue-colored glow phenomenon at different voltage

圖9示出新型水駐極原理。采用經(jīng)過特殊處理的水溶液，從噴霧裝置中噴出，霧狀液滴在噴射力和抽吸風(fēng)裝置雙重作用下，高速通過具有彎曲通道的纖維網(wǎng)，水霧和空氣流體對(duì)纖維進(jìn)行充分摩擦，由摩擦起電產(chǎn)生的電荷沉積在濾料的纖維內(nèi)部。通過離線式水駐極方法，制備出面密度為50 g/m2的熔噴駐極濾料，其過濾阻力為81.6 Pa，過濾效率達(dá)到94.98%，且過濾效率能保持13周不產(chǎn)生明顯下降[28]。所在課題組最新研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯針刺非織造濾料經(jīng)水駐極處理后，試樣的過濾效率可從48.7%提高到85.6%。

1—噴霧裝置；2—水霧；3—待駐極濾料；4—抽吸裝置。圖9 水駐極原理圖Fig.9 Mechanism of hydro charging

圖10示出熱氣流駐極原理。利用脈沖熱空氣高速穿透纖維網(wǎng)，造成纖維與纖維震動(dòng)摩擦、纖維與氣流摩擦產(chǎn)生電荷，形成微電場(chǎng)，有效地吸附微細(xì)顆粒物。所在課題組最新研究發(fā)現(xiàn)，含有一定聚四氟乙烯纖維的聚丙烯針刺非織造濾料經(jīng)熱氣流駐極處理后，過濾效率可從40.3%提高到75.5%。

1—熱空氣；2—待駐極濾料；3—駐極裝置。圖10 熱氣流駐極原理圖Fig.10 Mechanism of hot air charging

電暈駐極產(chǎn)生的電荷主要存儲(chǔ)在濾料表面和近表面；水駐極和熱氣流駐極產(chǎn)生的電荷主要存儲(chǔ)在濾料的內(nèi)部。電暈駐極技術(shù)與水駐極和熱氣流駐極技術(shù)相結(jié)合，多重駐極處理技術(shù)可大大增加過濾材料攜帶的電荷量，提高過濾材料的綜合性能[29-30]。

5 展 望

隨著國(guó)家公共衛(wèi)生應(yīng)急管理體系的進(jìn)一步健全，人們健康意識(shí)、安全意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，對(duì)防護(hù)口罩過濾效率、呼吸阻力和舒適性的要求將越來(lái)越高，需要提升現(xiàn)有防護(hù)口罩用材料的綜合性能，解決呼吸阻力大，密合性與舒適性不夠等問題，降低泄露風(fēng)險(xiǎn)，提高安全性。防護(hù)口罩用非織造濾料及其制備技術(shù)未來(lái)的主要發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面。

在聚合物改性方面：防護(hù)口罩用非織造濾料的駐極效果與原料改性和駐極技術(shù)密切相關(guān)，要繼續(xù)優(yōu)化增能助劑與聚丙烯切片改性技術(shù)，進(jìn)一步提高制備的纖維結(jié)晶度，減小晶粒尺寸，增加駐極電荷存儲(chǔ)量，延緩電荷衰退。

在成型技術(shù)方面：對(duì)于針刺非織造濾料，需要突破聚四氟乙烯纖維的高速成網(wǎng)技術(shù)，改進(jìn)刺針結(jié)構(gòu)，提高對(duì)扁平纖維的針刺效率；對(duì)于熔噴非織造濾料，需要突破纖維納米化、粗細(xì)纖維混紡技術(shù)，保證高濾效的同時(shí)，降低過濾阻力。

在駐極處理技術(shù)方面：研發(fā)水駐極與電暈駐極組合技術(shù)及裝備，解決濾料電荷存儲(chǔ)量偏低、電荷在濾料厚度方向分布不均勻等問題；提高濾料單位纖維電荷存儲(chǔ)量，增強(qiáng)濾料過濾性能；研究電荷在濕、熱等極端環(huán)境中的逃逸機(jī)制，提升電荷穩(wěn)定性，延緩電荷衰退，提高防護(hù)口罩的重復(fù)使用率。

在完善評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系方面：在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系基礎(chǔ)上，建立在不同應(yīng)用環(huán)境下防護(hù)口罩電荷存儲(chǔ)量的檢測(cè)方法，依據(jù)不同制備方法，對(duì)防護(hù)口罩用過濾材料進(jìn)行分類分級(jí)；形成各類防護(hù)口罩濾料標(biāo)準(zhǔn)與最終防護(hù)口罩標(biāo)準(zhǔn)的銜接，有利于我國(guó)個(gè)體防護(hù)用核心濾料制造技術(shù)的整體進(jìn)步。

此外，還要依據(jù)特定使用環(huán)境的需求，研制正壓式送風(fēng)頭罩，解決醫(yī)護(hù)人員在長(zhǎng)時(shí)間救治過程中存在的防護(hù)等級(jí)不夠、面部壓瘡嚴(yán)重、生理負(fù)荷大等問題，更好地滿足國(guó)家對(duì)新型冠狀病毒肺炎防控的需求。