駐極母粒的制備及其對(duì)熔噴材料結(jié)構(gòu)與性能的影響研究

楊童童,陳海燕,李 娜,姜匯賢,劉 偉

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院,江蘇儀征 211900)

熔噴非織造布由于纖維直徑小、比表面積大、空隙率高、深層過(guò)濾性能高、空氣通氣阻力低以及加工性能良好,被認(rèn)為是最具有前途的過(guò)濾材料,成為僅次于針刺法的第二大類(lèi)非織造布濾材[1-3]。駐極體過(guò)濾材料利用纖維本身帶電及對(duì)帶電粉塵靜電吸引的長(zhǎng)庫(kù)倫力作用捕獲粉塵,增強(qiáng)了對(duì)微小粒子的捕獲能力。聚丙烯(PP)熔噴駐極非織造材料融合了PP熔噴材料及駐極體的優(yōu)點(diǎn),具有突出的疏水性,熱穩(wěn)定性以及較高的電荷儲(chǔ)存能力,越來(lái)越受到人們的關(guān)注,需求量與日俱增。同時(shí),人們對(duì)過(guò)濾材料的過(guò)濾效率、過(guò)濾粒徑、通氣阻力、使用感受和使用壽命的要求也更為嚴(yán)格。駐極體是指具有長(zhǎng)期儲(chǔ)存電荷功能的電介質(zhì)材料,已被廣泛應(yīng)用于高效低阻空氣過(guò)濾材料領(lǐng)域。駐極母?？梢杂行г黾尤蹏姛o(wú)紡布中電荷捕集能阱的密度和深度,提高熔噴無(wú)紡布的過(guò)濾效率和抗熱衰減的性能,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命[4-6]。

為了解決過(guò)濾材料表面靜電荷不穩(wěn)定的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外科研人員進(jìn)行了大量的探索與研究。有科研人員將無(wú)機(jī)或有機(jī)添加劑加入駐極體過(guò)濾材料中改善駐極體的帶電能力,提高駐極體過(guò)濾材料的過(guò)濾性能[7-10]。但鮮有關(guān)于無(wú)機(jī)添加劑/PP共混和有機(jī)添加劑/PP共混的非織造材料的性能對(duì)比。

基于無(wú)機(jī)電氣石和有機(jī)聚四氟乙烯(PTFE)可極化易帶電的特性,本文采用電氣石和PTFE分別與PP切片以一定比例混合造粒,經(jīng)相同的熔噴成型工藝,結(jié)合電駐極工藝,獲得不同的非織造材料,研究無(wú)機(jī)和有機(jī)駐極母粒的過(guò)濾性能以及非織造材料的表觀形態(tài)、纖維直徑、過(guò)濾性能及力學(xué)性能,全面研究電氣石和PTFE的加入對(duì)聚丙烯熔噴材料的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

PP,230 ℃,2.16 kg負(fù)荷下的熔融指數(shù)為1 500 g/10 min,燕山石油化工股份有限公司;電氣石,粒徑范圍為100～500 nm,平均粒徑為256 nm,密度為3.02～3.40 g/cm3,莫氏硬度為6.5～7.5,托瑪琳有限責(zé)任公司;硬脂酸鎂,白色粉末,熔點(diǎn)為200 ℃,山東中旺油脂有限公司;PTFE,超微粉,M-12型,粒徑為0.197 μm,大金氟(中國(guó))有限公司;抗氧劑1010,巴斯夫股份公司;抗氧劑168,巴斯夫股份公司。

1.2 儀器設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī),SHJ36型,南京杰亞擠出裝備有限公司;掃描電子顯微鏡,Nova NanoSEM 450型,FEI公司;顆粒物過(guò)濾效率測(cè)試儀,DR251XL2型,溫州市大榮紡織儀器有限公司;萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī),5965型,美國(guó)INSTRO公司;熔噴試驗(yàn)裝置,中國(guó)石化儀征化纖公司1-12K生產(chǎn)線(xiàn);盤(pán)式磨粉機(jī),MF-400型,張家港振邦機(jī)械廠(chǎng);過(guò)濾性能測(cè)試儀,龍口市龍口華瑞機(jī)械廠(chǎng)。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 駐極母粒的制備

用共混造粒的方法,利用盤(pán)式磨粉機(jī)將納米電氣石粉末或PTFE粉末、添加劑和PP按一定比例混合均勻,樣品材料的具體配比見(jiàn)表1。將混合好的物料加入雙螺桿擠出機(jī)經(jīng)過(guò)擠壓、熔融、風(fēng)冷、拉條、冷卻,制成電氣石駐極母?；騊TFE駐極母粒,雙螺桿造粒的工藝參數(shù)如表2所示。

表1 駐極母粒原料配方

表2 雙螺桿擠出機(jī)工藝參數(shù)

1.3.2 熔噴非織造材料的制備

將PP和制成的兩種駐極母粒加入熔噴裝置自動(dòng)料倉(cāng),送入螺桿擠出機(jī)加熱熔融后,流入預(yù)過(guò)濾器,濾去熔體內(nèi)的雜質(zhì),然后流至計(jì)量泵,借計(jì)量泵的壓力,將熔體從噴絲模頭小孔口擠出,噴絲孔直徑為0.3 mm,小孔兩側(cè)的高速熱壓縮空氣將對(duì)噴絲板擠出的熔體進(jìn)行熱風(fēng)高速牽伸,得到熔噴超細(xì)纖維,纖維經(jīng)過(guò)短時(shí)間的冷卻結(jié)晶,在凝網(wǎng)簾上聚集,得到熔噴非織造材料,熔噴非織造材料再經(jīng)駐極處理(駐極絲放電)得到最終成品。熔噴工藝流程如圖1所示,熔噴加工工藝參數(shù)如表3所示,所制得的過(guò)濾材料樣品列于表4。

圖1 熔噴非織造材料的制備工藝流程

表3 熔噴加工工藝參數(shù)

表4 焙噴非織造材料樣品組成

1.4 分析測(cè)試

1.4.1 表面形貌分析

將非織造材料或粉末樣品固定在樣品座上,放入208HR離子濺射儀進(jìn)行噴鍍處理,經(jīng)處理后的試樣用掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌結(jié)構(gòu),掃描電子顯微鏡分辨率:高真空3.5 nm、4.5 nm,放大倍率:18～30萬(wàn)倍。

1.4.2 駐極母粒過(guò)濾性能分析

將以上制備的有機(jī)和無(wú)機(jī)駐極母粒樣品和PP原料按不同比例混合均勻,混合得到的樣品列于表5。將混合好的物料加入單螺桿擠出機(jī)經(jīng)過(guò)擠壓、熔融、過(guò)濾,通過(guò)濾網(wǎng)壓力對(duì)駐極母粒樣品進(jìn)行過(guò)濾性能評(píng)價(jià),過(guò)濾性能評(píng)價(jià)工藝參數(shù)如表6所示。

表5 過(guò)濾性能評(píng)價(jià)使用的樣品組成

表6 過(guò)濾性能評(píng)價(jià)工藝參數(shù)

1.4.3 過(guò)濾效率與過(guò)濾阻力

參照GB 2626—2019《呼吸防護(hù) 自吸過(guò)濾式防顆粒物呼吸器》,采用DR251XL2型顆粒物過(guò)濾效率測(cè)試儀,測(cè)量熔噴非織造材料的過(guò)濾效率和相應(yīng)的氣流阻力。本試驗(yàn)設(shè)定測(cè)試流量為(32±2)L/min。

1.4.4 力學(xué)性能分析

參照ISO 9073—18—2007I《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法》對(duì)制備的熔噴非織造材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。將熔噴非織造材料制成尺寸為50 mm×200 mm的標(biāo)準(zhǔn)樣條,用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)在室溫下對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,拉伸速度100 mm/min,每組試樣取5次測(cè)試的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 駐極母粒中駐極添加劑分散性能

通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察電氣石在母粒中的分散情況,納米電氣石在母粒中的分布狀況如圖2所示。納米電氣石在母粒中的分散比較均勻,未出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象,不易造成噴絲孔堵塞。

(a):放大5 000倍;(b):放大10 000倍

2.2 駐極母粒過(guò)濾性能分析

有機(jī)和無(wú)機(jī)駐極母粒樣品的過(guò)濾性能如圖3所示。

圖3 熔體過(guò)濾壓力隨時(shí)間變化圖

由圖3可知,純PP原料與添加有機(jī)PTFE的PP混合材料過(guò)濾壓力僅略有升高,添加電氣石的駐極母粒與PP混合材料的過(guò)濾壓力均隨時(shí)間的增加而增加,添加5%電氣石駐極母粒的過(guò)濾壓力在30 min內(nèi),從1 MPa升高至3.17 MPa。而添加12.5%的電氣石駐極母粒的過(guò)濾壓力在30 min內(nèi),從1 MPa升高至6.01 MPa。表明PP原料中無(wú)機(jī)粒子的添加均會(huì)使過(guò)濾壓力升高,縮短濾網(wǎng)使用壽命。隨電氣石駐極母粒添加量的增加,過(guò)濾壓力也隨之升高。這可能是由于電氣石粒子在熔融過(guò)濾過(guò)程中在過(guò)濾網(wǎng)上發(fā)生聚集,從而導(dǎo)致過(guò)濾壓力升高。

2.3 熔噴非織造材料表面形態(tài)分析

用掃描電子顯微鏡分別對(duì)制得的熔噴材料的表面形態(tài)進(jìn)行分析,如圖4所示。由圖4可知,熔噴非織造布的纖網(wǎng)中的纖維很細(xì),并且呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),排列紊亂。纖網(wǎng)中空隙較多,纖維之間以相互纏結(jié)、交叉、熱黏合形式結(jié)合,提高了纖網(wǎng)的強(qiáng)力。電氣石的加入使非織造材料的表面孔隙變大,纖維變粗。

(a):PP;(b):98.5PP+1.5電氣石駐極母粒;(c):98.5PP+1.5PTFE駐極母粒;(d):97.5PP+2.5PTFE駐極母粒

這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生的電荷,使得噴絲孔噴出的含有電氣石的絲條之間產(chǎn)生了一定的排斥力,使得材料表面纖維孔隙增大?？紫兜脑龃?提高了非織造材料的透氣性。而添加PTFE駐極母粒的熔體流動(dòng)性好,制得熔噴材料的纖維較細(xì),隨PTFE駐極母粒添加量從1.5%增加至2.5%,纖維變得更細(xì),纖維和纖維間的纏結(jié)、交叉更多,纖維排布更為復(fù)雜,纖網(wǎng)也趨于致密。

2.4 熔噴非織造材料直徑分析

利用電鏡測(cè)試中圖像測(cè)量工具對(duì)制得的四種熔噴非織造材料中纖維的細(xì)度進(jìn)行測(cè)試,得到纖維細(xì)度分布圖,如圖5所示。各熔噴非織造材料的纖維直徑數(shù)據(jù)列于表7。

圖5 熔噴非織造材料中的纖維直徑分布圖

表7 熔噴非織造材料的纖維直徑

由圖5可知,添加電氣石的熔噴材料纖維較純PP熔噴材料纖維粗。熔噴材料中纖維的細(xì)度與熔噴過(guò)程中熔體受到的牽伸程度相關(guān)。電氣石的加入,使得熔體在牽伸過(guò)程中穩(wěn)定性下降,熔體流動(dòng)性變差,熔體牽伸受阻,最終導(dǎo)致纖維直徑變大,牽伸得到的纖維均勻性下降。而添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料的纖維較細(xì),且更均勻,隨著PTFE駐極母粒添加量從1.5%增加至2.5%,纖維總體上變得更細(xì)更均勻。

2.5 熔噴非織造材料的過(guò)濾性能

對(duì)制得的四種熔噴非織造材料的過(guò)濾性能進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表8所示。由表8可知,駐極工藝對(duì)熔噴非織造材料過(guò)濾性能的提高起到很大的作用,未經(jīng)駐極的熔噴非織造材料的過(guò)濾效率很低,通氣阻力略大。這說(shuō)明,增加靜電荷對(duì)提高非織造布的過(guò)濾效率有著關(guān)鍵影響,駐極使得纖維吸附粒子增多,過(guò)濾效率明顯增加。電氣石的加入結(jié)合駐極工藝能使熔噴非織造材料的過(guò)濾效率大大提升,這主要是由于外界直接通過(guò)高壓放電的作用注入載流子轟擊非織造布的表面,形成空間電荷,同時(shí)由于電氣石的存在,形成了永久帶電的駐極體。這些注入的空間電荷層沉積在非織造布的表面和深層,使得極化電荷增多,電荷密度增加[11-13],過(guò)濾效率提高。添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料的過(guò)濾效率與添加電氣石駐極母粒制得熔噴材料相當(dāng),但其通氣阻力顯著下降,非織造材料通氣阻力主要取決于纖網(wǎng)中孔隙大小和數(shù)量,孔隙率大的纖網(wǎng)通氣阻力也越小。材料的通氣阻力與纖維的形態(tài)也有關(guān),纖維間纏結(jié)、交叉越多,纖維在纖網(wǎng)中排布結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,纖維越蓬松,則阻力越小。施加駐極電壓后,通氣阻力減小,這是由于施加駐極電壓時(shí)針尖下方的空氣產(chǎn)生電暈電離,產(chǎn)生局部擊穿放電,載流子受到電場(chǎng)的作用而沉積到熔噴布表面,一部分載流子會(huì)深入表層被駐極母粒的陷阱捕獲,從而使纖維帶電產(chǎn)生極化效應(yīng),纖維和纖維間產(chǎn)生了一定的排斥力,使得材料表面纖維孔隙增大。當(dāng)PTFE駐極母粒添加量從1.5%提高到2.5%,熔噴材料的過(guò)濾效率有所提高。

表8 熔噴非織造材料的過(guò)濾性能

2.6 熔噴非織造材料的力學(xué)性能

將四種熔噴非織造材料的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表9所示。由表9可知,電氣石熔噴材料縱、橫向斷裂強(qiáng)力較大,縱、橫向斷裂伸長(zhǎng)率較小。這是由于電氣石顆粒均勻地分散在PP中,當(dāng)PP熔噴材料受到外力的作用時(shí),粒子周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)。添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料具有同樣的現(xiàn)象。當(dāng)PTFE駐極母粒添加量從1.5%提高到2.5%,縱向斷裂伸長(zhǎng)率從23.13%增大到25.08%,橫向斷裂伸長(zhǎng)率從49.86%增大到51.18%。

表9 熔噴非織造材料的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

本文采用電氣石和PTFE分別與PP切片以一定比例混合造粒,經(jīng)熔噴成型,結(jié)合電駐極工藝,制得不同的非織造材料,研究無(wú)機(jī)和有機(jī)駐極母粒的過(guò)濾性能以及非織造材料的表觀形態(tài)、纖維直徑、過(guò)濾性能及力學(xué)性能。得出以下結(jié)論:

a) 電氣石的添加會(huì)使過(guò)濾壓力升高,縮短濾網(wǎng)使用壽命。隨電氣石駐極母粒添加量的增加,過(guò)濾壓力也隨之升高。而添加有機(jī)PTFE后的PP混合材料其過(guò)濾壓力僅略有升高。

b) 電氣石的加入使非織造材料的表面孔隙變大,纖維變粗。而添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料的纖維較細(xì),且更均勻,隨著PTFE駐極母粒添加量從1.5%增加至2.5%,纖維總體上變得更細(xì)更均勻。

c) 電氣石和PTFE的加入結(jié)合駐極工藝能使熔噴非織造材料的過(guò)濾效率大大提升,添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料的過(guò)濾效率與添加電氣石駐極母粒制得熔噴材料相當(dāng),其通氣阻力顯著下降。當(dāng)PTFE駐極母粒添加量從1.5%提高到2.5%,熔噴材料的過(guò)濾效率有所提高。