水駐極聚丙烯熔噴非織造材料的制備及其帶電特性分析

吳燕金，王 江，王 洪

(東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

熔噴非織造材料作為口罩的“心臟”，起到主要的過濾作用。熔噴非織造布材料的過濾機(jī)制分為2種：機(jī)械過濾和靜電吸附。攜帶病毒的飛沫或粉塵的顆粒直徑在0.3 μm左右，很難僅僅通過物理機(jī)械作用將其過濾[1-2]，而駐極工藝可使熔噴非織造材料在氣阻較低情況下，過濾0.1～0.4 μm之間的顆粒[3]。目前電暈放電法使用范圍最廣，相關(guān)研究較多，但所得材料電荷密度橫向均勻性差，易受環(huán)境影響，在長期儲(chǔ)存過程中，熔噴非織造材料所帶電荷會(huì)逐漸消失，從而引起口罩過濾效率的下降[4]。而利用水駐極工藝生產(chǎn)的聚丙烯熔噴非織造材料具有高效低阻，過濾效率穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到眾多企業(yè)的歡迎。

水駐極技術(shù)利用高壓水泵，對(duì)純水進(jìn)行加壓，由噴嘴形成扇形水霧，對(duì)熔噴非織造材料表面噴射，使材料帶上駐極電荷[5]。美國3M等公司的專利中介紹了利用液體和聚合物材料制造駐極纖維網(wǎng)的方法，并在具體實(shí)施案例中探究了不同水壓和聚合物材料對(duì)駐極纖維網(wǎng)過濾效率的影響，這也是水駐極技術(shù)的起源[6-8]。Kyung等[9]研究了熔噴非織造材料的面密度和駐極隔距對(duì)駐極材料過濾阻力和過濾效率的影響；姬蘇倩等[10]探究了容塵實(shí)驗(yàn)前后水駐極聚丙烯熔噴非織造布的形貌特征與過濾性能。目前關(guān)于水駐極技術(shù)的工藝和機(jī)制的研究較少，例如水質(zhì)和烘燥溫度等重要的工藝參數(shù)對(duì)水駐極的影響以及水駐極熔噴非織造材料的帶電過程等問題還需要深入了解。

綜上所述，本文制備了水駐極聚丙烯熔噴非織造材料，探究水質(zhì)、烘燥溫度對(duì)駐極效果的影響，分析水駐極熔噴非織造材料的帶電特性，為深入了解水駐極技術(shù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

將Argutec DIV PP型水駐極母粒(青島方達(dá)化工有限公司)與S204型聚丙烯樹脂(密度為900 kg/m3,上海賽科石油化工有限公司)混合后熔噴成形，得到聚丙烯熔噴非織造材料。材料的面密度為42.5 g/m2，厚度為0.42 mm，透氣率為259.0 mm/s，初始過濾效率為37.5%，接觸角為139.3°。

水駐極工藝如圖1所示。用動(dòng)力噴霧機(jī)將水加壓后從扇形噴嘴噴出，水射流垂直噴射到水平運(yùn)動(dòng)的聚丙烯熔噴非織造材料上，對(duì)材料兩面進(jìn)行水駐極，經(jīng)熱風(fēng)烘箱烘干后，得到水駐極熔噴非織造材料。為得到水駐極效果較好的聚丙烯熔噴非織造材料，經(jīng)過多次預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)采用的駐極隔距為16.5 cm，網(wǎng)簾運(yùn)動(dòng)速度為0.2 m/min，水射流流速為1.46 L/min，水壓約0.3 MPa。

圖1 駐極工藝示意圖

分別用純水、去離子水、0.05% Na2CO3溶液和自來水4種水質(zhì)進(jìn)行水駐極，制備水駐極熔噴非織造材料，探究不同水質(zhì)對(duì)材料駐極效果的影響。

用純水對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料進(jìn)行水駐極，分別制備在110、130和150 ℃下熱風(fēng)烘燥2 min的樣品，探究烘燥溫度對(duì)樣品過濾性能的影響。

1.2 測試方法

1.2.1 面密度

剪取5個(gè)10 cm×10 cm規(guī)格的樣品，用ME204E型電子天平(梅特勒-托利多集團(tuán))稱取每個(gè)試樣的質(zhì)量，計(jì)算試樣的平均面密度。

1.2.2 厚 度

用YG141N型數(shù)字式織物厚度儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)測量樣品的厚度，測試壓力為200 cN，測試時(shí)間為10 s，取10個(gè)有效數(shù)據(jù)計(jì)算樣品平均厚度。

1.2.3 透氣率

用YG461G型全自動(dòng)透氣量儀(寧波紡織儀器廠)測試樣品透氣率，采用定壓力測試方式，測試面積為20 cm2，測試壓力為200 Pa，取10個(gè)測試結(jié)果的平均值為樣品透氣率。

1.2.4 電導(dǎo)率

采用FE38-Meter型電導(dǎo)率儀(梅特勒-托利多集團(tuán))測試液體的電導(dǎo)率，將電極浸沒在液體中，儀器自動(dòng)讀數(shù)，測試多次取平均值。

1.2.5 過濾效率

用TSI8130型自動(dòng)濾料測試儀(美國TSI公司)，采用鹽性NaCl氣溶膠顆粒，根據(jù)GB/T 2626—2019《呼吸防護(hù) 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》，用85 L/min檢測流量，顆粒物直徑為 0.26 μm 的NaCl氣溶膠為檢測介質(zhì)，測試材料過濾效率。

1.2.6 纖維表面靜電勢(shì)

用MFP-3D型原子力顯微鏡(牛津儀器)對(duì)材料中單纖維表面靜電勢(shì)進(jìn)行測定。在表面電勢(shì)顯微鏡(SPM)模式下，選用彈簧常數(shù)為2 N/m的OMCL導(dǎo)電探針，抬起高度為200 nm，共振振幅為2 V，在微納米尺度上測量材料表面電勢(shì)。

1.2.7 熔噴材料表面靜電勢(shì)

采用Model542A型靜電電位測試儀(美國TREK公司)測量材料表面靜電勢(shì)。在距樣品表面15 mm 處，用探頭測試樣品不同位置的表面靜電勢(shì)，結(jié)果穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。測試時(shí)，在樣品表面每隔5 cm取1個(gè)點(diǎn)，依次標(biāo)記序號(hào)，作出表面靜電勢(shì)分布圖。

2 討論與分析

2.1 液體電導(dǎo)率對(duì)水駐極效果的影響

目前使用的水駐極技術(shù)需要純水進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，對(duì)水質(zhì)要求較高。在絕大部分的水質(zhì)監(jiān)測中，電導(dǎo)率是最基本和重要的參數(shù)之一[11]，因此本文以材料電導(dǎo)率作為衡量水質(zhì)的指標(biāo)。電導(dǎo)率越小，水的導(dǎo)電性能越弱，離子濃度越低。利用不同水質(zhì)制備的熔噴非織造材料的過濾效率如表1所示。

表1 利用不同水質(zhì)制備的熔噴非織造材料的過濾效率

由表1可知，采用電導(dǎo)率越小的液體進(jìn)行水駐極，聚丙烯熔噴非織造材料的過濾效率越高。實(shí)驗(yàn)使用的聚丙烯熔噴非織造材料的接觸角為139.3°，具有很好的疏水性。Kudin等[12]報(bào)道了水中的OH-和H+在疏水界面附近的動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，由于水分子電荷分布的不對(duì)稱性，OH-和H+對(duì)疏水界面有很強(qiáng)的親和力。而水中其他離子的種類與含量可能會(huì)影響水駐極時(shí)固-液摩擦起電的過程，屏蔽水與聚丙烯纖維之間的直接相互作用，離子強(qiáng)度越大，屏蔽作用越明顯。因此，液體的電導(dǎo)率越小，水和纖維摩擦產(chǎn)生的電荷量越多，材料的靜電吸附效果越好。為得到高過濾效率的熔噴非織造材料，應(yīng)采用電導(dǎo)率小的純水進(jìn)行水駐極。

2.2 烘燥溫度對(duì)樣品過濾性能的影響

水駐極后，被打濕的熔噴非織造材料還需要進(jìn)行烘燥處理。用純水對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料進(jìn)行水駐極，分別在110、130和150 ℃下熱風(fēng)烘燥2 min制得樣品，探究烘燥溫度對(duì)樣品過濾性能的影響。測試不同烘燥溫度所得熔噴非織造材料的面密度、厚度和透氣率。為進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)測試了室溫晾干樣品的面密度、厚度和透氣率，結(jié)果見表2。

可以看出，隨著熱風(fēng)烘燥溫度的升高，水駐極熔噴非織造材料的面密度、厚度和透氣性的變化并不明顯，與原始樣品和自然晾干樣品的性能相差不大，而這3種性能直接決定熔噴非織造材料的機(jī)械過濾效果，因此常見的烘燥溫度不會(huì)影響水駐極材料的機(jī)械過濾效果。

表3示出不同烘燥溫度和水駐極熔噴非織造材料過濾性能間的關(guān)系，同時(shí)給出了水駐極熔噴非織造材料在室溫(25 ℃)下自然晾干的過濾性能。

未進(jìn)行駐極的原始樣品過濾效率只有37.6%，但經(jīng)過水駐極后，由表3可以看出，幾種樣品的過濾效率大幅度提升，皆為96%左右。同時(shí)，幾種樣品的過濾阻力差別不大，均在120 Pa左右。不同烘燥溫度處理樣品的過濾性能同自然晾干樣品的過濾性能差別不大。由此可見，水駐極熔噴非織造材料能利用駐極電荷的顆粒吸附能力，達(dá)到高效低阻的效果。除此之外，水駐極熔噴非織造材料中的電荷較穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)楹嬖锒p。

2.3 水駐極樣品帶電特性

材料的過濾性能由機(jī)械過濾和靜電吸附效果共同決定。材料的帶電特性會(huì)影響靜電吸附效果，從而影響水駐極熔噴非織造材料的過濾性能。為探究水駐極聚丙烯熔噴非織造材料的帶電特性，分別采用原子力顯微鏡和靜電電位測試儀測試樣品的表面靜電勢(shì)。圖2示出利用150 ℃熱風(fēng)烘燥樣品的纖維表面靜電勢(shì)分布圖。

圖2 單根纖維表面電勢(shì)分布圖

由圖2可以看出，在2 μm×2 μm的尺寸范圍內(nèi)，樣品表面同時(shí)呈現(xiàn)出正電勢(shì)和負(fù)電勢(shì)。也就是說，水駐極熔噴非織造材料的單根纖維表面電勢(shì)呈正負(fù)隨機(jī)分布。

圖3示出利用靜電電位測試儀測得的水駐極熔噴非織造材料正反兩面的表面靜電勢(shì)?？梢钥闯?，材料正反兩面的靜電勢(shì)皆呈正負(fù)隨機(jī)分布。

圖3 水駐極熔噴非織造材料表面電勢(shì)分布

水駐極熔噴非織造材料由多層纖網(wǎng)組成，為進(jìn)一步探究材料帶電特性，分別將材料剝?nèi)?層和2層纖維網(wǎng)，然后測試其表面靜電勢(shì)，并與原始樣品的表面靜電勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 水駐極熔噴非織造材料分層電勢(shì)分布圖

由圖4可見，分別剝?nèi)?層和2層纖網(wǎng)之后，材料表面靜電勢(shì)分布均發(fā)生明顯變化。與原始樣品的表面靜電勢(shì)相比：剝?nèi)?層纖網(wǎng)的水駐極聚丙烯熔噴非織造材料在大多數(shù)位置呈電正性，多數(shù)位置的表面靜電勢(shì)絕對(duì)值比較大；剝?nèi)?層纖網(wǎng)的材料表面在大多數(shù)位置呈負(fù)電勢(shì)分布且靜電勢(shì)絕對(duì)值較原始樣品大?？梢哉J(rèn)為，樣品表面靜電勢(shì)是材料各層纖網(wǎng)正負(fù)靜電勢(shì)相互中和后的凈電勢(shì)值，并且不同纖網(wǎng)的正電勢(shì)或負(fù)電勢(shì)大小各不相同。

通過微觀和宏觀2個(gè)尺度上的表面靜電勢(shì)測試證實(shí)，水駐極處理使熔噴非織造材料各個(gè)位置帶上大小不同的正電荷或負(fù)電荷，在過濾時(shí)可對(duì)不同電性的顆粒產(chǎn)生良好的靜電吸附效應(yīng)，從而賦予材料更高的過濾效率。

2.4 熔噴非織造材料帶電和過濾性能

電暈充電法的原理[13]是非均勻電場引起空氣的局部擊穿，電暈放電產(chǎn)生離子束轟擊電介質(zhì)并使電荷沉積在材料表面，是熔噴非織造材料廣泛采用的駐極方法。水駐極技術(shù)利用水和帶有水駐極母粒的聚丙烯熔噴非織造材料進(jìn)行摩擦對(duì)材料進(jìn)行駐極。電暈充電法與水駐極技術(shù)都可以使材料帶上電荷，為探究電暈充電與水駐極是否具有協(xié)同效應(yīng)，對(duì)添加了水駐極母粒的聚丙烯熔噴非織造材料分別進(jìn)行電暈充電處理、水駐極處理、水駐極后再進(jìn)行水駐極處理和電暈充電后再進(jìn)行水駐極處理，制得的4種材料的過濾效率如表4所示。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水駐極二次處理后，水駐極聚丙烯熔噴非織造材料的過濾效率相差不大，都在96%左右，而電暈充電聚丙烯熔噴非織造材料的過濾效率由92.2%降低至68.9%。因此，水駐極熔噴非織造材料的電荷受環(huán)境溫濕度影響較電暈充電熔噴非織造材料小，電荷穩(wěn)定性更好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說明水駐極和電暈充電之間并未存在協(xié)同效應(yīng)。

進(jìn)一步測試水駐極二次處理前后電暈充電熔噴非織造材料的表面靜電勢(shì)，結(jié)果如圖5、6所示。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水駐極處理后的電暈充電熔噴非織造材料的表面靜電勢(shì)大幅度下降，對(duì)顆粒物的靜電吸附能力減弱，因此過濾效率也隨之大幅下降。這是由于電暈充電法產(chǎn)生的電荷只能夠在材料表面和近表面上積累，電荷穩(wěn)定性受環(huán)境溫度和濕度影響[14]。在水駐極過程中，電暈充電熔噴非織造材料表面和水分子不斷接觸，纖維表面吸附了水分子后會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電性，使表面電荷向大氣傳遞[15]，而烘燥的溫度也會(huì)造成表面電荷的進(jìn)一步消失，因此電暈充電駐極與水駐極之間并沒有協(xié)同效應(yīng)。

圖5 電暈充電熔噴非織造材料表面電勢(shì)分布圖

圖6 水駐極后的電暈充電熔噴非織造材料表面電勢(shì)分布圖

2.5 熔噴非織造材料帶電過程分析

水駐極與常見的電暈充電之間沒有協(xié)同作用，二者使材料帶上駐極電荷的原理也不相同?；诠?液摩擦起電機(jī)制與上文實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以推測，水駐極聚丙烯熔噴非織造材料帶電過程如圖7所示。純水與管道和空氣的摩擦?xí)蔀閹д?、?fù)電或者中性的霧狀水滴[16]。在水駐極過程中，霧狀水滴在噴射力和真空抽吸力的作用下，高速通過纖維網(wǎng)，和內(nèi)外層纖維間相互生摩擦而發(fā)生電子轉(zhuǎn)移和離子轉(zhuǎn)移等反應(yīng)[17-18]，從而使纖維表面帶上不同類型的電荷。電荷間激發(fā)的電場相互疊加，使水駐極熔噴非織造材料在宏觀上表現(xiàn)為正負(fù)和大小隨機(jī)分布的表面靜電勢(shì)。

圖7 水駐極機(jī)制示意圖

3 結(jié) 論

本文在實(shí)驗(yàn)室模擬水駐極裝置上探究了水質(zhì)和干燥條件對(duì)駐極效果的影響；通過對(duì)電暈充電熔噴非織造材料進(jìn)行水駐極處理，探究二者之間是否存在協(xié)同效應(yīng)；在固-液摩擦起電機(jī)制和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，得出如下結(jié)論：

1)用純水、去離子水、Na2CO3溶液和自來水4種水溶液進(jìn)行水駐極發(fā)現(xiàn)，液體電導(dǎo)率越小，所得水駐極熔噴非織造材料的過濾效率越高。

2)常規(guī)熱風(fēng)烘燥溫度對(duì)水駐極熔噴非織造材料的過濾性能影響不大。經(jīng)過水駐極處理后，電暈充電熔噴非織造材料的過濾效率明顯下降，電暈充電與水駐極之間沒有協(xié)同效應(yīng)。

3)水駐極使熔噴非織造材料帶上大量隨機(jī)分布的正電荷與負(fù)電荷，材料表面靜電勢(shì)是各層纖網(wǎng)正負(fù)靜電勢(shì)疊加的結(jié)果，不能直觀反映材料內(nèi)部電場強(qiáng)度。

4)在水駐極過程中，純水與管道和空氣摩擦成為帶正電、負(fù)電或者中性的霧狀水滴，在噴射力和抽吸裝置的作用下，與熔噴非織造材料的內(nèi)外層纖維間相互摩擦，使纖維表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移和/或離子轉(zhuǎn)移而帶上隨機(jī)分布的正、負(fù)電荷。電荷間激發(fā)的電場相互疊加，使水駐極熔噴非織造材料在宏觀上表現(xiàn)為正負(fù)和大小隨機(jī)分布的表面靜電勢(shì)。