駐極修飾聚丙烯熔噴專用料的制備及性能

康少冉 李志健 吳海偉 韋海茹 劉鈺維

(陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安，710021)

醫(yī)用口罩能夠阻擋大部分的細(xì)菌和病毒，其結(jié)構(gòu)一般由最外層的無紡布、中間層熔噴布和里層的無紡布組成，其中，中間層的熔噴布是口罩的核心，起到阻擋病毒和細(xì)菌的效果[1]。熔噴布是以高熔體流動速率(MFR)的聚丙烯(PP)為原料，在熔噴布螺桿機(jī)中高溫熔融后，在高速熱氣流的牽引作用下經(jīng)噴絲板實現(xiàn)熔融噴絲，所形成的細(xì)絲纖維直徑可達(dá)0.5～2.0 μm。然而僅就熔噴布而言，由于噴絲孔直徑、加工工藝等限制，很難達(dá)到90%以上的過濾效率，因此,需要增加駐極功能來提高熔噴布的過濾效率[2]。

常規(guī)的駐極修飾熔噴布是通過在熔噴布生產(chǎn)過程中向熔噴PP中摻加駐極母粒來實現(xiàn)熔噴布的駐極處理效果，然而由于熔噴布機(jī)的螺桿長徑比短，摻加的駐極母粒通常無法實現(xiàn)與熔噴PP的均勻融合，導(dǎo)致所產(chǎn)熔噴布過濾效率不均勻，出現(xiàn)局部甚至大部分的過濾效率不達(dá)標(biāo)的問題。利用高長徑比(長徑比56∶1)的雙螺桿擠出機(jī)在熔噴料制備過程中直接對熔噴PP進(jìn)行駐極修飾，可實現(xiàn)對駐極體的有效分散，增強(qiáng)熔噴布的駐極修飾效果。此外,由于熔噴布機(jī)噴絲的工藝特點，熔噴布專用PP要求MFR達(dá)到1 800 g/10 min，而常規(guī)PP的MFR在30 g/10 min左右，通過對常規(guī)PP改性可以提高其MFR[3]，通過調(diào)節(jié)過氧化物和PP的質(zhì)量比可以調(diào)節(jié)其MFR[4-8]。

下面以過氧化二苯甲酰為降解劑，添加復(fù)合型駐極處理劑，通過雙螺桿擠出機(jī)熔融混煉制備了駐極修飾的PP熔噴專用料，探討了熔噴料的加工工藝、駐極效果，并對熔噴料的應(yīng)用加工過程進(jìn)行了同步熱分析。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

PP粒料，S2040H，陜西延長中煤榆林能源化工有限公司；PP粉料，040，中國石油克拉瑪依石化分公司；過氧化二苯甲酰，淄博碧云化工有限公司；硬脂酸鈣，東莞市漢維科技股份有限公司；復(fù)合抗氧劑，南京巴斯德化工有限公司；復(fù)合型駐極體處理劑，自制。

雙螺桿擠出機(jī)，65，南京瑞亞擠出機(jī)械制造有限公司；蠕動泵，HT-2S，上海精密儀器儀表有限公司；熔體流動速率儀，6500，英斯特朗(上海)試驗設(shè)備貿(mào)易有限公司；熔噴布試驗生產(chǎn)線，HDRPB-1，宏大研究院有限公司；細(xì)菌過濾效率檢測儀，PK0469，上海品魁機(jī)電科技有限公司；同步熱測量儀，STA2500，耐馳(上海)機(jī)械儀器有限公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)，Quanta，賽默飛世爾科技(中國)有限公司。

1.2 材料制備

取一定質(zhì)量的PP粉料、硬脂酸鈣和復(fù)合抗氧劑，在高速混料機(jī)中攪拌共混5 min，將混合均勻的原料加入雙螺桿擠出機(jī)中，同時向雙螺桿擠出機(jī)中泵入過氧化二苯甲酰和復(fù)合型駐極體處理劑，進(jìn)行熔融共混與降解，制得了駐極修飾熔噴PP專用料PPH-ZJY-1800。

1.3 測試與表征

MFR按照GB/T 30923—2014進(jìn)行測試，測試溫度230 ℃，負(fù)載2.16 kg，每個樣品測試5次，取平均值。

細(xì)菌過濾效率按照YY 0469—2011進(jìn)行測試，加點電壓10 kV，流量30 L/min，壓差18 Pa。

FESEM觀察：電壓1.0 KV。

同步熱分析按照GB/T 33047—2021進(jìn)行測試，氮氣氣氛，升溫速率30 ℃/min，測試溫度范圍25～550 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對熔噴料MFR的影響

2.1.1 降解劑注入量的影響

表1為降解劑注入量對產(chǎn)品MFR的影響。

表1 降解劑注入量對產(chǎn)品MFR的影響

由表1可以看出，隨著降解劑注入量的增加，產(chǎn)品的MFR不斷升高，注入量20 mL/min時，產(chǎn)品的MFR達(dá)到1 845.21 g/10 min。

2.1.2 喂料量的影響

表2為喂料量對產(chǎn)品MFR的影響。

表2 喂料量對產(chǎn)品MFR的影響

由表2可以看出，產(chǎn)品的MFR隨喂料量的增加而降低，這是由于降解劑的比例降低，導(dǎo)致PP分子鏈斷裂的幾率減少。喂料量55 kg/h為最佳值。

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速的影響

表3為螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品MFR的影響。

表3 螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品MFR的影響

由表3可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速提高，產(chǎn)品的MFR逐漸降低。這是由于隨著螺桿轉(zhuǎn)速提高，物料停留時間變短，降解劑反應(yīng)不完全所導(dǎo)致[9-11]。最佳螺桿轉(zhuǎn)速為320 r/min。

2.2 駐極效果

圖1為PPH-ZJY-1800的FESEM形貌。

由圖1可以看出，駐極粉體呈納米級顆粒均勻分散在熔噴料中，從而保證了熔噴布較好的駐極效果[12]。

圖2為過濾后熔噴布的FESEM形貌，表4為熔噴布的過濾效率。

表4 熔噴布過濾效率 %

由圖2可以看出，熔噴布的纖維直徑為0.5～2.0 μm，熔噴布對較大顆粒(如粉塵)的過濾主要靠纖維空隙之間的物理攔截，而對細(xì)小顆粒(如細(xì)菌、病毒等)則靠駐極體的靜電吸附，從而保證了熔噴布的過濾效率。由表4可以看出，不帶駐極修飾熔噴布對直徑0.3 μm的顆粒物過濾效率僅為62.447%；駐極修飾熔噴布對直徑0.3 μm的顆粒物過濾效率為96.185%。這是由于駐極修飾熔噴布在靜電發(fā)生器的電暈放電作用下儲存正電荷，而大多數(shù)病毒帶負(fù)電荷，故可有效阻隔病毒。

2.3 同步熱分析

圖3為PPH-ZJY-1800和復(fù)合駐極體的同步熱分析。

由圖3可以看出，PPH-ZJY-1800在176.8 ℃處的峰為PP的熔融峰，在450 ℃處的峰為復(fù)合駐極體表面接枝改性聚合物的熔融峰；當(dāng)溫度為400～500 ℃時，樣品發(fā)生分解：第一階段失重48.95%，第二階段失重47.30%，總計失重96.25%，對應(yīng)于PPH-ZJY-1800中PP和其他助劑的降解失重，而駐極粉體除其表面接枝聚合物降解失重外，基本未發(fā)生降解。熔噴布的加工溫度為200 ℃左右，遠(yuǎn)低于駐極粉體的降解溫度，駐極粉體可以完整地保留在熔噴布中。

3 結(jié)論

a) 降解劑注入量為20 mL/min時，PP熔噴專用料的最佳制備工藝條件：螺桿轉(zhuǎn)速320 r/min，喂料量55 kg/h。所得產(chǎn)品的MFR為1 802.48 g/10 min。

b) 制得的駐極修飾PP熔噴布可有效阻隔病毒，過濾效率96.185%。