影響聚丙烯非織造布顆粒過濾效率的因素研究*

陸珊珊 劉 坤 吳植強 趙鋮光 方珍文

1.廣西壯族自治區醫療器械檢測中心，廣西 南寧 530031；

2.廣西大學 化學化工學院，廣西 南寧 530000

近年來，伴隨著經濟增長而出現的環境問題日益突出，尤其是大氣中的PM2.5，對人類的生存帶來了新的威脅。與此同時，新冠肺炎疫情在全球范圍內暴發?？谡肿鳛閮灹嫉念w粒過濾產品，已成為人們疫情防控和日常生活出行的必需品[1]。非織造布作為口罩生產的重要原料，了解其成分、構造和影響過濾效率的主要因素，對評估和改善口罩質量極為關鍵。當前，非織造布生產工藝主要分為熔噴法、紡黏法和紡熔法3種。其中，熔噴非織造布是通過高速熱空氣對模頭噴絲孔擠壓出的聚合物熔體細流進行牽伸，形成超細纖維凝聚在滾筒上并依靠自身黏合形成的非織造布。熔噴工藝流程如圖1a)所示。熔噴工藝制得的非織造布纖維直徑小，過濾效率高，但存在纖維直徑不均勻，斷裂強力不高的缺陷[2]。紡黏工藝主要是聚合物經軋輥在高溫高壓下軟化和熔融后經紡絲孔被擠入空氣中，并在氣流或機械作用下拉伸細化成絲狀纖維，再進一步熔接凝固形成纖維網的。紡黏工藝制備的非織造布具有斷裂強力和斷裂伸長率高等特點[3]。紡熔工藝則是結合紡黏法和熔噴法的復合工藝。在采用紡熔工藝制備非織造布的過程中，紡黏模頭與熔噴模頭被應用于同一工藝生產線，如圖1b)所示，該工藝同時具備紡黏法和熔噴法的優勢，并且彌補了紡黏工藝中纖維直徑不均勻和過濾精度低，以及熔噴工藝中因纖維取向度差而導致非織造布強度低等不足，從而達到了兩種工藝優勢互補的效果[4-5]。總之，紡熔工藝既可提高非織造布的強度，又可改善非織造布的透氣性、過濾性等性能[6]。

圖1 熔噴和紡熔非織造布工藝流程

非織造布的過濾性能主要取決于其成分、結構和靜電含量[7]。聚酯、聚氯乙烯、聚丙烯是常用的非織造布生產原料，其中聚丙烯非織造布具有獨特的三維立體網絡結構，孔隙率大、過濾性能好、價格低廉且透氣環保，使用也最為廣泛，市場占有率最高[8]。顆粒過濾效率、氣流阻力和厚度也是考察非織造布空氣過濾效果的重要指標[9]。新冠肺炎疫情來勢洶洶，也促進了廣西地區口罩制造企業的蓬勃興起。本文隨機選取了5種來自廣西地區不同生產廠家的非織造布材料作為研究對象，測試分析非織造布試樣的化學成分、微觀形貌和靜電含量，并基于氣體流量、非織造布厚度及不同類型溶劑浸泡等因素，探究顆粒過濾效率的變化，分析影響過濾效率的主要因素。研究對促進非織造布濾材質量的提高，改善其顆粒過濾能力，實現聚丙烯非織造布濾材的合理使用，具有一定的現實意義和參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料：選取來自廣西地區5家廠家生產的非織造布試樣，分別將其命名為S1(恒拓集團廣西圣康制藥有限公司，南寧)、S2(惠眾醫療器械有限公司，賀州)、S3(廣西冠凡醫療器械有限公司，貴港)、S4(廣西北斗星創科醫療器械有限公司，南寧)和S5(廣西德福萊醫療器械有限公司，來賓)，并將其裁剪成15 cm×15 cm大小的試樣，待用。其中試樣S1～S4由熔噴法制得，試樣S5由紡熔法制得。研究采用的氯化鈉(NaCl)、無水乙醇、去離子水和異丙醇均為分析純。

主要儀器：醫用口罩過濾效率測試儀(8130型，美國TSI)，超景深視頻顯微鏡(DVM6型，德國Leica)，傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS50型，美國Thermo Fisher Scientific)，掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscopy，SEM，FEI Quattro-S型，美國Thermo Electron Corporation)，納米庫倫電量計(230型，美國ETS)，數顯厚度測量儀(547-401型，日本三豐)。

1.2 試樣表征與顆粒過濾效率測試

(1)傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析。采用FTIR儀分析試樣的主要官能團及相應成分，將裁剪后的非織造布試樣(1 cm×1 cm)置于FTIR儀的Smart ITX光學元件上，該元件具有芯片識別和晶體裝配系統，與光譜儀集成為一體，能夠有效提高光通量，可在數秒內獲得試樣的FTIR數據。測試范圍設置為500～4 000 cm-1。

(2)形貌分析。將試樣裁剪成1 cm×1 cm大小，并對其進行90 s噴金處理，以增強導電性能。然后，采用SEM觀察試樣的微觀形貌。在每種試樣的SEM圖上隨機選取70根纖維，接著利用Nano Measurer 1.2粒徑分布計算軟件測量纖維直徑，計算纖維直徑平均值。此外，直接采用超景深視頻顯微鏡觀察纖維表面的真實形態。

(3)靜電含量分析。將試樣裁剪成15 cm×15 cm大小，采用納米庫倫電量計測定試樣表面的靜電含量。

(4)顆粒過濾效率(PFE)測試。采用醫用口罩過濾效率測試儀的鹽性發生器，將質量分數為2%的NaCl溶液制成氣溶膠顆粒(氣溶膠質量濃度為12～20 mg/m3，氣溶膠顆粒的數量中值直徑約為0.075 μm)。該氣溶膠顆粒用于模擬空氣中的顆粒物。將裁剪好的非織造布試樣平鋪于口罩過濾效率測試儀上，用夾具夾緊試樣，在設定條件下測試試樣的PFE。醫用口罩過濾效率測試儀氣體流量可調范圍為15～100 L/min，過濾效率測量范圍為0～99.9%，壓力測量范圍為0～1 470 Pa。

1.3 過濾性能試驗

1.3.1 氣體流量對過濾性能的影響

將試樣置于醫用口罩過濾效率測試儀上，通過儀器中自帶的光電計數器，分別記錄氣體流量為30、45、60、70、85 L/min條件下5種不同試樣過濾前后氣流中所含的顆粒數，并根據式(1)計算試樣的PFE。

(1)

式中：η為試樣的PFE；n1為過濾前氣流中所含的顆粒數，個；n2為過濾后氣流中所含的顆粒數，個。

同一氣體流量下，每種試樣選取3塊(尺寸為15 cm×15 cm)進行測試，獲得對應的透過粒子數(通過非織造布而未被過濾掉的顆粒物數量)，取3次測試的平均值計算試樣的PFE。

氣流阻力用過濾試驗過程中夾具上非織造布試樣上下截面的壓力差表征，試樣上下截面的壓力可采用醫用口罩過濾效率測試儀中的壓力傳感器監測。根據式(2)計算試樣上下截面的壓力差(氣流阻力)。

ΔP=P1-P2

(2)

式中：ΔP為氣流阻力，Pa；P1為非織造布試樣上截面的壓力，Pa；P2為非織造布試樣下截面的壓力，Pa。

1.3.2 試樣厚度對過濾性能的影響

對于5種非織造布試樣(試樣S1～S5)，先采用數顯厚度測量儀分別測試單層試樣的厚度，然后改變非織造布試樣的厚度，分別疊加1、2、3、4、5層單層非織造布試樣，再在氣體流量恒定為85 L/min的條件下，測試不同疊加層數(厚度)非織造布試樣的PFE。每種試樣的顆粒過濾性能測試3次，取3次測試結果的平均值計算試樣的PFE。

1.3.3 溶劑浸泡對過濾性能的影響

5種非織造布試樣(試樣S1～S5)各取3塊(尺寸為15 cm×15 cm)，浸泡于100 mL的無水乙醇中，浸泡時間分別為0、15、30、45、60和120 min。測試經不同時間浸泡后非織造布試樣的PFE，考察浸泡時間對試樣過濾性能的影響。同種非織布試樣各進行3次PFE測試，結果取平均值，以減小試驗誤差。試驗過程中發現，在無水乙醇中浸泡30 min后，5種非織造布試樣的PFE均逐漸下降并趨于平衡。因此，在后續考察浸泡溶劑類型對試樣過濾性能影響試驗中，將5種試樣分別浸泡于100 mL的去離子水、乙醇及異丙醇中，浸泡時間設定為30 min，并在自然條件下晾干。然后，在85 L/min的恒定氣體流量下，測試不同溶劑浸泡條件下非織造布試樣的PFE。每種試樣的顆粒過濾性能測試3次，取3次測試結果的平均值計算試樣的PFE。

1.3.4 靜電含量對過濾性能的影響

5種非織造布各取3塊試樣，采用納米庫倫電量計分別測試其靜電含量，同種非織布試樣的靜電含量測試結果取3次測試的平均值。然后，在85 L/min的恒定氣體流量下對試樣進行PFE測試。每種試樣測試3次，取3次測試結果的平均值計算試樣的PFE。

2 試驗結果與討論

2.1 紅外光譜分析

5種試樣的FTIR圖如圖2所示。由圖2可知，在測試的波數范圍(500～4 000 cm-1)內，所有試樣的伸縮振動峰相似。其中，波數為2 949 cm-1和2 866 cm-1處的吸收峰分別來自于聚丙烯—CH3的不對稱伸縮和對稱伸縮振動[10]；波數為2 916 cm-1和2 837 cm-1處的吸收峰分別來自于—CH2—的不對稱伸縮和對稱伸縮振動[11]；波數范圍為2 800～2 960 cm-1處出現的4個峰為C—H分別與—CH3、—CH2—的對稱和不對稱伸縮振動疊加在一起而形成的吸收峰；波數為1 455 cm-1處的特征峰為—CH2—的扭曲變形振動和—CH3的扭曲變形振動產生的吸收峰相互疊加而成的；波數為1 376 cm-1處出現的吸收峰為—CH3的對稱彎曲振動吸收峰[12]；波數為1 163 cm-1和972 cm-1處的2個峰分別屬于—CH3的面外搖擺彎曲振動和面內搖擺彎曲振動吸收峰，此處的吸收峰僅與試樣的晶體結構有關[13]。FTIR分析結果表明，5種非織造布試樣的主要化學成分均為聚丙烯。

圖2 S1～S5試樣的FTIR圖

2.2 形貌分析

使用場發射掃描電子顯微鏡觀察5種非織造布試樣的微觀形貌，通過纖維形貌差異探討非織造布過濾效率產生差異的原因。如圖3所示，5種試樣均呈現出明顯的纖維網狀結構，這意味著其具有大的比表面積和較多的吸附點位。其中，試樣S1～S4由熔噴法制得，試樣S5是通過紡熔法合成的。將圖3e)中的紅圈位置放大得到圖3f)，可以看出，較前4種非織造布試樣，試樣S5呈明顯的雙層網狀結構，且第一層纖維網上隨機附著有明顯的塊狀花紋結構。由圖3f)還可以看出，塊狀花紋下還有一層非常薄的纖維膜，形成了第二層纖維網狀結構，纖維直徑細小且致密，因此能夠有效提高試樣的PFE。下一步，采用Nano Measure粒徑分布計算軟件測量纖維直徑，每種試樣分別測量70根纖維的直徑，計算平均直徑。結果顯示，試樣S1、S2、S3、S4和S5的平均纖維直徑分別約為4.5、3.0、2.5、2.0和18.0 μm。在相同工藝條件下，聚丙烯非織造布的纖維直徑越小，網狀結構越密集，其PFE越高。此外，由紡熔法合成的非織布具有明顯的雙層網狀纖維結構，這有利于進一步增強其PFE[14]。

采用超景深顯微鏡探索試樣的表面特性及形貌，結果如圖4所示?？梢钥闯?，各試樣的纖維主要沿縱向雜亂無規律分布，纖維表面光滑無毛刺，且直徑不一。由圖4a)～圖4d)可以看出，熔噴法制備的試樣(S1～S4)纖維網狀結構的密集程度不一致，試樣S4的纖維直徑較小，且交織得更緊密，試樣S1的纖維直徑較大，纖維交織得較稀疏，這一結果與SEM的分析結果一致。由圖4e)和圖4f)可以看出，紡熔法制得的試樣(S5)表面分布有大量的花紋結塊，這些花紋結塊是聚丙烯纖維經軋輥在高溫高壓作用下軟化、變形及熔融后，在熱軋機的軋點位置熔接固結形成的。紡熔法制備的S5非織造布試樣，其纖維直徑較大且直徑分布均勻，可有效降低非織造布的氣流阻力，同時提高纖維斷裂強力，并且采用紡熔法制備的非織造布試樣呈雙層網狀纖維結構，其第二層細密的纖維網可進一步提高PFE。

2.3 氣體流量對過濾性能的影響

由圖5可知，S1的PFE最低，氣體流量為30～

圖4 5種非織造布試樣的超景深顯微鏡圖

85 L/min時，PFE僅約9%；S5的PFE最高。且隨氣體流量的變化小，過濾性能穩定，始終保持在95%以上；S3的PFE隨氣體流量變化顯著，氣體流量由30 L/min升至85 L/min時，PFE降低了17%，整體上其過濾性能最不穩定。原因可能是低氣體流量情況下，顆粒的擴散作用較明顯，顆粒在濾材中停留的時間更長，有充足的時間與濾材發生碰撞，降低了顆粒通過濾材的概率，從而提高了濾材的過濾作用[15]。然而，在高氣體流量情況下，顆粒通過濾材的概率上升，與濾材發生碰撞的概率減小，造成濾材的過濾效果下降。因此，過濾效率隨氣體流量的升高而減小。非織造布過濾效率隨氣體流量的變化差異可能與其纖維直徑大小及纖維分布密度有關[16]。

圖5 氣體流量與PFE的關系曲線

2.4 試樣厚度對過濾性能的影響

利用數顯厚度測量儀測試非織造布試樣的厚度。5種聚丙烯非織布試樣的單層厚度值如表1所示?？梢钥闯觯琒5的單層厚度最小，僅0.06 mm，S2的單層厚度最大，達0.16 mm，且試樣層數與厚度成正相關關系。下一步，以層數為變量考察試樣厚度與PFE間的關系，結果如圖6所示。由圖6a)可以看出，聚丙烯非織布層數為5層時，5種試樣的PFE最終分別達38%、88%、99%、99%和100%；S5的PFE幾乎不受厚度變化的影響，其他試樣的PFE均隨厚度的增加而升高，其中S2的PFE隨厚度變化最明顯，5層非織造布的PFE相比單層非織造布提高了54%。原因可能是隨著非織造布厚度增加，顆粒通過濾料的路徑延長，其與濾料的接觸面積和接觸時間均增加，從而提高了PFE[17]。由圖6b)可知，隨著非織造布厚度增加，5種試樣的氣流阻力均呈現線性上升趨勢，其中S5的氣流阻力變化最明顯，提高了529 Pa。但S1的氣流阻力最終僅提高了98 Pa，相較于S5，其氣流阻力受非織造布厚度變化的影響幾乎可忽略。圖6表明，S5非織造布在厚度較小的情況下仍具有優異的PFE，其他試樣較厚時PFE較高。然而，厚度增加會大幅增加氣流阻力，不利于口罩的實際應用[18]。

表1 5種非織造布試樣的單層厚度

圖6 非織造布厚度對PFE和氣流阻力的影響

2.5 溶劑浸泡對過濾性能的影響

受全球新冠肺炎疫情影響，防疫口罩物資出現需求激增和緊缺的情況。研究表明，當非織造布用于制備N 95口罩時，其在日常使用中存在二次清洗或消毒處理以實現重復使用的可能性，常用的再生手段包括水洗或用乙醇、異丙醇等有機溶劑漂洗[19-21]。然而，溶液的浸泡或清洗通常會降低非織造布的防護效果。針對不同品質的非織造布，考察溶劑浸泡對其PFE的影響具有一定的現實意義。經不同時間的溶劑浸泡后，5種非織造布試樣的PFE如圖7所示。由圖7a)可以看出，經乙醇不同時間浸泡后，5種試樣的PFE均呈下降的趨勢，但浸泡時間超過30 min后，PFE值基本達到平衡。5種試樣中，S4的PFE下降最顯著，浸泡30 min后其PFE下降率達38%。具有高PFE的S5試樣則表現出良好的穩定性，乙醇浸泡30 min后，其PFE僅下降了5%。非織造布上大部分的電荷被乙醇中和去除是導致其PFE下降的主要原因。由圖7b)可以看出，經去離子水浸泡后，5種非織造布試樣的PFE均呈小幅度下降。然而，有機溶劑乙醇和異丙醇的浸泡則會顯著降低非織造布的PFE。相比于未經浸泡的試樣，經異丙醇浸泡后，S4的PFE下降了52%。這是因為對于去離子水、乙醇和異丙醇3種溶劑而言，其疏水性和極性依次降低，而聚丙烯為非極性分子，根據相似相容原理可知，3種溶劑分子與聚丙烯發生的溶脹作用依次增強，而溶脹作用越強，非織造布上的電荷被中和去除得越多，PFE下降越嚴重[22]?？傮w而言，紡熔法制備的S5在浸泡后PFE較穩定，S4和S3經溶劑浸泡后PFE均顯著下降，S1和S2的PFE原本就較低，溶劑浸泡后PFE下降，但不明顯。基于此，不建議將采用非織造布制成的口罩等產品在漂洗后繼續使用。

圖7 溶劑浸泡對非織造布PFE的影響

2.6 靜電含量對過濾性能的影響

5種非織造布試樣在85 L/min恒定氣流流量下的PFE和靜電含量測試結果如圖8所示。由圖8可知，5種試樣所帶的靜電量與PFE由高到低依次為S5、S4、S3、S2、S1，且靜電含量與PFE成正相關關系。實際上，非織造布的制備過程中通常需經過駐極處理。駐極處理利用電暈放電產生的離子束在非織造布纖維間形成多個無源集塵電極，由此增加纖維的帶電密度，提高非織造布表面的靜電含量。當空氣中的帶電粒子通過高靜電含量的非織造布時，在電場力的作用下，這些帶電粒子被有效捕捉，進而提高非織造布的PFE，同時其過濾阻力不變[23-24]。

圖8 非織造布試樣靜電含量與PFE的關系

3 結論

本文選取來自廣西地區5家廠商生產的非織造布試樣作為研究對象，其中非織造布試樣S1～S4由熔噴工藝制得，試樣S5由紡熔工藝制得。對5種試樣進行傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析、形貌表征、靜電含量分析及過濾性能測試，得出如下結論。

(1)FTIR分析結果表明，5種非織造布試樣的主要成分均為聚丙烯。掃描電子顯微鏡(SEM)分析結果顯示，5種試樣均呈明顯的纖維網狀結構，其中，試樣S1～S4為單層網狀結構，由紡熔工藝制成的試樣S5呈明顯的雙層纖維網狀結構，且表面分布有大量的花紋結塊，過濾穩定性更強。

(2)對非織造布濾料而言，顆粒過濾效率(PFE)和氣流阻力是重要的性能指標。氣體流量、非織造布厚度、溶劑浸泡及靜電含量均影響非織造布的PFE。研究結果表明，5種試樣的PFE均隨著氣體流量的增大而降低，其中試樣S1的PFE最低，試樣S5的PFE隨氣體流量的變化小，PFE始終保持在95%以上，過濾性能穩定；在穩定的氣體流量下，試樣的PFE和氣流阻力均隨著非織造布厚度的增大而增加；溶劑浸泡后，所有非織造布試樣的PFE均下降，相較于去離子水浸泡，異丙醇和無水乙醇浸泡造成的PFE下降更顯著，且經乙醇浸泡30 min后，試樣PFE的下降程度基本達到穩定；非織造布試樣所帶的靜電量越高，PFE越高，且試樣S5的靜電含量最高。