超細纖維結構的聚丙烯熔噴無紡布的制備及其性能研究

鄭海明，陸國英，徐建明，趙興云，包賓王

（杭州科百特過濾器材有限公司，浙江 杭州 311265）

無紡布具有優異的過濾性能、產量高、加工工藝簡單，成為一種越來越重要的過濾材料。無紡布過濾材料的纖維細度可調、三維結構雜亂蓬松、孔隙率高、過濾效率好、生產效率高[1-2]，在食品化工、醫療衛生、環境保護、微電子工業等領域發揮著非常大的作用[3]。熔噴法是無紡布一步成型的重要方法之一，目前熔噴法制備無紡布所用的大部分原料是聚丙烯，聚丙烯具有價格低、強度好、耐酸堿性好、耐有機溶劑等優點[4]。

隨著半導體工業的迅速發展，對拋光技術提出了更高的要求?；瘜W機械拋光（CMP）技術是目前唯一可以在整個硅圓晶片上實現全面平坦化的工藝技術，CMP 技術中拋光液的研磨顆粒尺寸等級或潔凈度直接決定半導體晶片表面的質量。目前降低由于漿液顆粒尺寸過大或者污染物引起表面質量缺陷的方法是對漿液進行過濾，傳統的過濾材料對這種納米級漿液顆粒的過濾效果十分有限。聚丙烯熔噴無紡布的過濾效率較高，可滿足半導體制造所需的清洗效果和效率，在半導體領域得到越來越廣泛的應用。另外，經駐極化處理后的聚丙烯熔噴無紡布，靜電吸附能力顯著提升，對病毒及含病毒顆粒的攔截效率也相應提高，而且過濾阻力并不會增加，是應用于醫用口罩的最佳濾材。作為制備口罩核心層的過濾材料，聚丙烯熔噴無紡布在新冠肺炎（COVID-19）疫情攻堅戰中發揮了重要作用[5]，同時也為其發展帶來了機遇和挑戰。由于熔噴紡絲工藝對無紡布的性能有較大影響，因此本文對聚丙烯熔噴無紡布的制備工藝參數進行研究。

1 實驗部分

1.1 原料

聚丙烯顆粒：熔融指數分別為1500 g/min、1200 g/min 和1000 g/min。

自由基降解劑：外購。

1.2 試驗設備

杭州科百特過濾器材有限公司自主設計搭建的熔噴無紡布生產線。幅寬1.2 m，產能800 t/a。

1.3 制備方法

（1）原料準備。使用自動上料機，將PP 顆粒或者PP 顆粒和自由基降解劑的混合物輸送至擠出機料斗中。為了驗證PP 顆粒的熔體流動性對纖維直徑的影響，本實驗設計分別使用熔融指數為1500 g/10 min、1200 g/10 min 和1000 g/10 min的三種顆粒。

（2）熔融紡絲。將步驟（1）中的物料置于擠出機中熔融擠出后經計量泵計量和噴絲板熔噴，隨后在熱風的牽引拉伸作用下，形成纖維結構的無紡布。

（3）接收成網。將步驟（2）中形成的纖維材料經過冷卻裝置冷卻成型，并于卷繞網簾上交織粘合后，形成熔噴無紡布。

1.4 測試

1.4.1 透氣量測試

取樣：將1.2 m 幅寬的樣品在橫向方向上（寬幅方向）均分成8 等份，并在每個區域的中心標記好測試點。

測試：將以上樣品平整地放在YG(L)461E 全自動透氣性能測試儀臺面上，輕輕按壓儀器把手，再松開，把手不再彈起來，并發出輕微的吹氣聲音，表明正在測試。待顯示屏上顯示出測試結果后，表明測試完成，再次輕輕按壓儀器把手，把手會自動彈起來，再更換測試位置，如前描述操作步驟，依次按順序測試其他區域。

1.4.2 克重測試

取樣方案同1.4.1 取樣方案，用標準裁刀在均分好的每個區域中分別裁下1 張100 cm2的圓片。將裁下的圓片置于電子天平上稱量，再將單位換算為g/m2，即為克重值。

1.4.3 過濾效率測試

（1）根據需求，用特定規格的過濾顆粒物以及溫度為（20±2）℃的純水，配制成濁度為a 的標準溶液（濁度范圍一般為30±1），并添加0.1%的乳化劑，攪拌均勻，防止顆粒物團聚。

（2）將制備好的試樣放置到儀器夾具中，正確安裝到過濾效率測試儀器（杭州科百特過濾器材有限公司自主設計）上。

（3）打開儀器閥門，使標準溶液流過試樣，流出時開始計時，取流出10 s 時的過濾液。

（4）測試過濾液的濁度，記作b。

（5）試樣的過濾效率f=（a-b）/a×100%。

1.4.4 纖維直徑測試

將無紡布試樣表面噴金處理，采用日立高新技術公司的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察試樣表面的纖維結構形態，掃描電子顯微鏡的加速電壓為20 kV。用軟件對試樣的SEM 圖進行纖維直徑的測試，測試每個試樣的細纖維直徑，并計算平均纖維直徑。

2 結果與討論

2.1 不同物料體系對熔噴無紡布性能的影響

為了便于對照，試驗設置產品克重一致，紡絲所用物料體系為單一變量，其他紡絲工藝條件一致。表1 是不同物料體系變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布性能數據。從表1 可以看出，隨著PP 顆粒的熔融指數逐漸增大，即流動性增大，產品透氣量逐漸降低，即透氣性下降，纖維直徑逐漸變細。這歸結于流動性越好的熔體經過噴絲孔后，更容易被熱風牽引拉伸而細化。另外，對比試樣1-S3 和1-S4，發現自由基降解劑的添加有助于形成更細的纖維結構。其主要原因是自由基降解劑使聚丙烯局部分子鏈斷裂，分子鏈活動性提高，熔體流動性增加，從而更容易被熱風牽引拉伸而細化。不同物料體系變化對應的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 圖見圖1。

圖1 不同物料體系變化對應的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 圖

表1 不同物料體系變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布性能數據

2.2 PP 計量泵泵供量對熔噴無紡布性能的影響

為了便于對照，紡絲所用計量泵的泵供量為單一變量，同時卷繞網簾的速度也相應地變化，以保證產品克重一致，其他紡絲工藝條件一致。泵供量指計量泵在一定的轉速下向噴絲板輸出的熔體量，本試驗以轉速（r/min）為泵供量單位，熔體輸出量與轉速成線性關系，轉速越大，熔體輸出量越大。表2 是泵供量變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布性能數據。由表2 可以看出，隨著泵供量的增加，產品透氣量逐漸提高，纖維直徑逐漸變粗。這是因為泵供量增加，即單位時間形成的熔體纖維細流增加，在熱氣流不變的條件下，相當于單位質量的熔體受到的拉伸力降低，故纖維直徑變大；另一方面，隨著泵供量增加，熔體壓力提高，熔體在噴絲孔出口處的擠出脹大也越明顯，這也是導致并絲的重要原因之一，導致纖維直徑變大，其冷卻固化變慢，纖維之間粘連、并絲現象加劇（如圖2（b）所示），這些因素都使得纖維平均直徑和網孔孔徑增加，產品透氣量提高。泵供量變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 見圖2。

表2 泵供量變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布性能數據

圖2 泵供量變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布的SEM

2.3 熱風風壓對熔噴無紡布性能的影響

試驗選擇熔融指數為1500 g/10 min 的PP 顆粒，并添加0.5 wt%的自由基降解劑，制備具有更細纖維結構的熔噴無紡布。通過調節熱風風壓大小，以研究熱風風壓對所制備的超細纖維結構的無紡布性能的影響。為了便于對照，試驗設置產品克重一致，熱風風壓為單一變量。

表3 是熱風風壓工藝參數變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布性能數據。由表3 可以看出，隨著熱風風壓的逐漸增大，產品透氣量逐漸降低，即透氣性下降。當纖維從噴絲孔噴出后，纖維在熱風的牽引作用下進一步細化，較高的熱風風壓更有利于纖維的細化，因此隨著熱風風壓的逐漸增大纖維直徑逐漸變小，達到納米級別。然而，若風壓過大，超過40 kPa 將導致纖維絲在拉伸過程中更容易斷裂，因而產生很多游離的飛花，使產品克重降低，透氣量反而會變大。熱風風壓工藝參數變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 見圖3。

圖3 熱風風壓工藝參數變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 圖

表3 熱風風壓工藝參數變化以及對應的聚丙烯熔噴無紡布性能數據

3 總結

選取高流動性的PP 顆粒，并添加自由基降解劑，在較大的熱風壓力下，有利于制備具有超細纖維結構的聚丙烯熔噴無紡布。PP 顆粒熔體流動性好、計量泵流量低、熱風風壓增大有利于纖維在成型過程中牽引拉伸細化，因而能夠形成超細纖維結構的無紡布，為制備高精度的過濾器材提供理論依據。一般地，熔噴無紡布的性能受多種工藝參數及物料體系的影響，因此通過多種工藝參數的調節，發揮協同作用，更有利于制備精度更高的超細纖維結構的濾材，后續將作進一步的研究。