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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-04-09 22:15
近年來,隨著呼吸道傳染病毒(如埃博拉病毒、SARS病毒等)的大肆橫行,公共衛(wèi)生問題受到各界的重視。特別是2020年，新型冠狀病毒在全球傳播，對人類生命構(gòu)成巨大威脅，醫(yī)用口罩、防護服等成為防止病毒傳播、保護人群健康的重要防護裝備。
不同用途或級別的防護口罩與服裝采用的材料和制備方法不同，作為最高級別的醫(yī)用防護口罩(如N95)和防護服，采用3～5層無紡布復合而成，即SMS或SMMMS組合。這些防護用品里面重要的就是阻隔層，即熔噴無紡布層M(MelTbown)，該層的纖維直徑比較細，為2～3μm，它對防止細菌和血液的滲透起著至關(guān)重要的作用。該超細纖維布表現(xiàn)出良好的過濾性、透氣性和吸附性，因此被廣泛應用于過濾材料、保暖材料、醫(yī)用衛(wèi)生等領(lǐng)域。在突發(fā)性公共衛(wèi)生事件的誘導下，國內(nèi)外聚丙烯熔噴無紡布技術(shù)飛速發(fā)展。
文中系統(tǒng)闡述了聚丙烯熔噴無紡布發(fā)展現(xiàn)狀及應用。為深入研究該類產(chǎn)品提供參考。
1 聚丙烯熔噴無紡布生產(chǎn)技術(shù)
1.1 熔噴無紡布生產(chǎn)工藝
熔噴無紡布生產(chǎn)流程一般是高聚物樹脂切片的喂入→熔融擠出→熔體雜質(zhì)過濾→計量泵精確計量→噴絲→成網(wǎng)→切邊卷繞→產(chǎn)品后加工。
熔噴工藝原理是將聚合物熔體從模頭噴絲孔擠出，形成熔體細流。同時，噴絲孔兩側(cè)的高速高溫氣流對熔體細流進行噴吹與拉伸，從而細化成細度只有1～5μm的細絲，而后這些細絲被熱氣流拉斷為45mm左右的短纖維。為防止熱氣流將短纖吹散，設(shè)置真空抽吸裝置(在凝網(wǎng)簾下方)，以均勻收集高速熱風拉伸形成的超細纖維。最后，它依靠自黏制成熔噴無紡布。
1.2 主要工藝參數(shù)
1.2.1聚合物原料的性質(zhì)
包括樹脂原料的流變性能、灰分、相對分子質(zhì)量分布等。其中，原料的流變性能是最重要的指標，常用熔融指數(shù)(MFI)表示。MFI越大，該材料的熔體流動性越好，反之越差。樹脂原料的分子量越低，MFI越高，熔體黏度越低，越適合牽伸不良的熔噴工藝。對聚丙烯來說，要求MFI在400～1800g／10mIN范圍內(nèi)。
1.2.2在線工藝參數(shù)
在熔噴生產(chǎn)過程中，按照原料和產(chǎn)品的需求調(diào)節(jié)的參數(shù)，主要有：
(1)熔體擠出量當溫度恒定，擠出量增大，熔噴無紡布定量增加，強度相對提高(到達峰值后減小)。其與纖維直徑成線性增加的關(guān)系，擠出量過多，纖維直徑增大，根數(shù)減少且強度下降，黏合部位減少，引起并絲，故無紡布相對強力下降。
(2)螺桿各區(qū)溫度它不僅關(guān)系到紡絲過程的順利與否，而且影響到產(chǎn)品的外觀、手感和性能。溫度過高，會出現(xiàn)“SHOT”塊狀聚合物，布面疵點增多，斷纖維增加，出現(xiàn)“飛花”。溫度設(shè)置不當會導致噴頭堵塞、噴絲孔磨損，損壞設(shè)備。
(3)拉伸熱空氣溫度拉伸熱空氣溫度一般用熱空氣速度(壓力)表示，對纖維的細度產(chǎn)生直接影響。在其他參數(shù)相同的情況下，增大熱空氣速度，纖維變細，纖維間結(jié)點增大，受力均勻，強力增大，無紡布手感變得柔軟光滑。但速度過大，易出現(xiàn)“飛花”，影響無紡布外觀；降低速度，孔隙率增加，濾阻減小，但濾效變差。需要注意的是，熱空氣溫度要與熔體溫度相近，否則會產(chǎn)生氣流，損壞箱體。
(4)熔體溫度熔體溫度也叫熔噴模頭溫度，與熔體流動性息息相關(guān)。溫度升高，熔體流動性變好，黏度降低，纖維變細且均勻性變好。但黏度不是越低越好，黏度過低，會造成過度牽伸，纖維易斷，形成超短超細纖維飛散在空中無法收集。
(5)接收距離接收距離(DCD)是指噴絲板與成網(wǎng)簾之間的距離，該參數(shù)對纖網(wǎng)的強力影響尤為顯著。DCD增加，強度和抗彎剛度下降，纖維直徑減小，黏結(jié)點減少，所以，無紡布柔軟蓬松，其透氣率增加，濾阻和濾效降低。當距離過大，纖維受熱空氣氣流的牽伸減小，在牽伸過程中纖維之間會發(fā)生纏結(jié)，造成并絲；當接收距離過小，纖維無法完全冷卻，引起并絲，無紡布強力下降，脆性增大。
1.2.3離線工藝參數(shù)
只能在設(shè)備不工作的時候調(diào)節(jié)的參數(shù)，如噴絲孔的直徑(φ)、熱空氣噴射角度(α)等。φ小有利于噴出超細纖維，但孔徑小加工困難。α是指氣流與模頭底面的夾角。在噴絲孔軸線區(qū)域，氣流速度高，對熔體牽伸有利[20]。α越大，氣流在噴絲孔軸線上的分量就越大，理論上80°和60°產(chǎn)生的牽伸效果相近，但是80°夾角在機械結(jié)構(gòu)上存在較大的阻礙，因此，在實際生產(chǎn)過程中采用的是60°的夾角。
2 國內(nèi)外聚丙烯熔噴技術(shù)發(fā)展狀況
2.1 聚丙烯熔噴料專用料的制備
由于熔噴無紡布工藝具有特殊性，作為其專用的聚丙烯料，需要滿足3點要求：高MFI、較窄的相對分子質(zhì)量分布、較低的灰分。傳統(tǒng)聚丙烯原料的MFI不能滿足熔噴工藝的要求，因此需要將聚丙烯原料轉(zhuǎn)為熔噴專用聚丙烯料，才能生產(chǎn)出合格的超細纖維布。目前，獲得高MFI聚丙烯的方法主要有化學降解法和加氫控制法。
(1) 化學降解法
添加有機過氧化物是均聚聚丙烯顆粒化學降解的主要方法。其降解機理分為三步：一是螺桿擠出機內(nèi)的高溫，使過氧化物分解，產(chǎn)生自由基；二是自由基攻擊聚丙烯鏈上的-CH2-基團，使其失去H原子；三是聚丙烯自由基的分子鏈斷裂，聚合物完成降解，分子量降低，MFI提高。
(2) 加氫控制法
在聚合過程中加入氫氣，通過控制氫氣的量來調(diào)節(jié)聚丙烯的熔體流動速率。該方法只能夠在一定范圍內(nèi)控制聚丙烯分子量，且分子量分布較寬，對MFI的調(diào)節(jié)范圍也很有限。聚丙烯MFI超過30g/10Min后，生產(chǎn)變得困難，對熔噴產(chǎn)品性能影響大，因此,沒有被廣泛應用。2020年5月，燕山石化股份有限公司采用氫調(diào)法新技術(shù)生產(chǎn)聚丙烯熔噴專用粒料，并試制成功，其濾效高于97％，可用于制作N95等高級口罩。
2.2 聚丙烯熔噴布工藝的發(fā)展
熔噴工藝作為起源較早的非織造布生產(chǎn)工藝，是20世紀50年代由美國海軍研制成功的。隨后，美國Exxo公司和AccurATe公司進一步研究該技術(shù)，聯(lián)手制造出了第一臺熔噴無紡布機組，20世紀70年代末，Exxo公司將該技術(shù)轉(zhuǎn)讓給民用。
各大公司基于此基礎(chǔ)進行研究并取得專利，如美國JMI公司對常規(guī)熔噴模頭進行改進，通過模頭并列裝置使模頭更換速度加快,，節(jié)省了生產(chǎn)線模頭替換的時間；美國BiAx公司為了提高生產(chǎn)效率，研制了熔噴模頭多排噴絲孔的結(jié)構(gòu)；日本Chisso公司首次研發(fā)了雙組分共軛纖維熔噴纖網(wǎng)以及海島纖維熔噴纖網(wǎng)的設(shè)備；德國LevenhAus-en公司對熔噴模頭進行改良，使其生產(chǎn)效率高，且產(chǎn)品性能優(yōu)異。熔噴法無紡布因此得到飛速發(fā)展，一躍成為無紡布的第二大生產(chǎn)方法。
國內(nèi)早在20世紀50年代末就開始了熔噴技術(shù)的研究。20世紀90年代初，北京化工研究所、中國紡織大學等設(shè)計的熔噴模頭，在國內(nèi)生產(chǎn)了近百臺。而后，安徽奧宏等企業(yè)先后引進5條連續(xù)熔噴生產(chǎn)線，打開了我國熔噴市場新局面。當時國內(nèi)熔噴無紡布主要的應用領(lǐng)域是電池隔板、吸油材料、過濾材料等，但由于市場的限制，發(fā)展緩慢。近十年，隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境保護意識的增強，我國熔噴技術(shù)得到高速發(fā)展，熔噴生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)能完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。
2.3聚丙烯熔噴無紡布制備新技術(shù)
熔噴工藝的新技術(shù)研究主要有幾點：
(1)聚丙烯原料改性技術(shù)
通過在等規(guī)聚丙烯粒料中添加有機物或無機物，對其進行改性，提高駐極電荷的穩(wěn)定性以及熔噴布的過濾性。劉妙崢將聚四氟乙烯作為駐極添加劑，與聚丙烯進行雜化處理，制成PTFE／PP熔噴無紡布，當PEFE添加量為0.1％，改性復合熔噴濾料的濾效可達81.2％；未改性時，濾效僅為68.2％。
ZHANG等通過在聚丙烯粒料中添加增能助劑，制得的改性聚丙烯熔噴濾料濾效可達99.2％(克重40g/m2)，濾阻僅為92PA，可滿足防護口罩的呼吸需求。采用添加助劑的方式對聚丙烯改性，可有效提高防疫防護紡織品的濾效及駐極體的穩(wěn)定性。
(2)駐極處理技術(shù)駐極
處理可使纖維帶上持久電荷，在濾阻不變的情況下，極大提高熔噴布的過濾效率。電暈駐極是最常見的駐極技術(shù)，駐極電壓較高、時間較長、電極之間距離較小的駐極效果好。但電駐極產(chǎn)生的駐極體數(shù)量有限且不穩(wěn)定，駐極效果不夠理想。
隨著科技發(fā)展，水駐極熔噴布法作為新穎的駐極技術(shù)出現(xiàn)，其原理為：高壓水泵配制的超純水從扇形噴嘴噴出，噴射在熔噴布的一面，摩擦產(chǎn)生的靜電荷沉積在熔噴纖維中。水駐極技術(shù)能使熔噴布做到低阻(81.6PA)、高效(94.98％)，且保持時間長。張星等最新研究成果表明，水刺駐極處理聚丙烯針刺非織造材料，濾效由48.7％提升至85.6％。駐極處理作為熔噴工藝中不可或缺的技術(shù)，應研究多重駐極處理技術(shù)，為提高熔噴布的濾效和綜合性能提供技術(shù)支撐。
(3)納米熔噴纖維技術(shù)
納米熔噴纖維是突破ExxoN專利技術(shù)而研發(fā)的納米級別纖維，相對于傳統(tǒng)熔噴纖維，纖維直徑小，比表面積大。NIT公司通過改良噴絲孔結(jié)構(gòu)，使噴絲孔直徑達63.5μm，可紡制直徑為200～500Nm的纖維；RieTer公司研制了一種單模頭熔噴納米纖維設(shè)備，單纖直徑為500Nm；Hills公司在該技術(shù)上也取得了很大的進展，制得的熔噴納米纖網(wǎng)的單纖直徑可小于250Nm，90％以上的纖維直徑在50～400Nm之間。盡管國外已經(jīng)有關(guān)于納米熔噴技術(shù)的研究，但迄今對該技術(shù)仍缺乏系統(tǒng)的理論分析與研究，國內(nèi)在納米熔噴纖維技術(shù)領(lǐng)域研究甚少。
3 聚丙烯熔噴無紡布的特點及應用
等規(guī)聚丙烯纖維具有原料豐富、強度高、質(zhì)輕、耐化學性好、抗蟲蛀和霉菌、沾污性和污染性較小等優(yōu)良特性。聚丙烯熔噴布中的纖維排列不規(guī)則、雜亂，該結(jié)構(gòu)使比表面積更大、孔徑更小，因此具有比其他無紡布更好的過濾性和容塵量，廣泛應用于過濾材料領(lǐng)域；其無紡布含有大量微細孔隙及優(yōu)良的親油性，使其在吸油材料領(lǐng)域被大量應用。另外，由于聚丙烯熔噴無紡布優(yōu)異的再加工性能，使其應用領(lǐng)域越來越廣泛，如醫(yī)用防護、隔音材料、保暖材料、電池隔膜等。
3.1 醫(yī)用防護
醫(yī)用防護是聚丙烯熔噴無紡布的一個主要應用領(lǐng)域，隨著人們對健康防護有了更高的要求，其在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的地位與日俱增。近些年，將熔噴無紡布與紡黏無紡布復合，具有強度高、手感好、高效低阻的特點。用其制成醫(yī)用口罩，一般是SMS復合。“S”層主要是為復合無紡布提供強力支撐的紡黏層，外“S”層由經(jīng)過防水處理的聚丙烯無紡布制成，主要用于阻擋帶病毒的液滴和較大顆粒粉塵；內(nèi)“S”層為普通聚丙烯紡黏無紡布，主要起到吸濕作用。“M”為聚丙烯熔噴無紡布層，經(jīng)駐極處理，能夠阻隔病毒、過濾細菌懸浮顆粒，濾效高于95％，呼吸阻力小，是疫情爆發(fā)時期最重要的防護用材料。
3.2 保暖材料
聚丙烯纖維比表面積大、孔徑小且孔隙率高，該纖維結(jié)構(gòu)能夠貯存大量空氣,有效防止熱量散失，保暖性和透氣性好；質(zhì)量輕、手感柔軟卻沒有單薄感，是理想的保暖材料。美國3M公司開發(fā)的熔噴保暖絮材，將粗旦滌綸三維卷曲纖維加入到丙綸熔噴纖維中(含量為35％)，增加了無紡布的蓬松度。據(jù)報道,該熔噴產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是仿羽絨的,，保暖性比羽絨高1.5倍。
3.3 吸油材料
聚丙烯纖維具有很好的親油性，吸濕性差，且不溶于油類和強酸強堿的化學性質(zhì)，是一種高效且無污染的新型吸油材料。質(zhì)輕，吸油后，仍可長時間飄浮在水面不變形；是非極性材料，其吸油量可以達到本身重量的幾十倍；無毒害，水油置換好，可重復多次使用；用燃燒法處理聚丙烯熔噴布不產(chǎn)生有毒氣體，能夠完全燃燒且放出大量的熱量，僅有0.02％的灰燼剩余。
目前，聚丙烯熔噴吸油材料在環(huán)保及油水分離工程、海洋溢油等領(lǐng)域被廣泛應用。李峰等將制備的苯乙烯、甲基丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸酯3種單體的高吸油樹脂材料與聚丙烯粒料進行復合熔噴，制得的復合聚丙烯熔噴材料具有吸油倍數(shù)較高、保油率好、吸水率低的特點。
3.4 過濾材料
濾料是聚丙烯熔噴無紡布最早的應用領(lǐng)域，其纖維直徑小于5μm，極適合用作空氣過濾材料。尤其是經(jīng)過電駐極處理的熔噴材料，具有結(jié)構(gòu)蓬松、孔隙率大、容塵量大、呼吸阻力小、過濾效率高的特點。在亞高效、高效低阻、普通家用空調(diào)、電子制造等過濾材料中有著廣泛的應用。聚丙烯熔噴材料還可用在液體過濾中，能過濾0.22～10μm的顆粒，如血液輸送時的血液中白細胞的過濾[43]。
結(jié)語
作為一種重要的材料，聚丙烯熔噴無紡布具有良好的市場前景，尚需繼續(xù)加大研發(fā)力度，提高性能，降低成本。未來的研究重點主要有3個方面：
(1)聚合物的改性繼續(xù)優(yōu)化聚丙烯樹脂的改性技術(shù)，提高聚丙烯熔噴布的性能，如強力、韌性等。
(2)設(shè)備的改進改進熔噴模頭，紡出均勻度更好、韌性更強、直徑更小的的纖維。
(3)技術(shù)的結(jié)合將熔噴技術(shù)與其他紡絲技術(shù)相結(jié)合，制備出性能更加優(yōu)異的復合型熔噴材料。
來源：Internet
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