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 紡織面料技術教育部重點實驗室，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制分為2種：機械過濾和靜電吸附。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，相關研究較多，但所得材料電荷密度橫向均勻性差，易受環境影響，在長期儲存過程中，熔噴非織造材料所帶電荷會逐漸消失，從而引起口罩過濾效率的下降[4]。而利用水駐極工藝生產的聚丙烯熔噴非織造材料具有高效低阻，過濾效率穩定性好等優點，近年來受到眾多企業的歡迎。

水駐極技術利用高壓水泵，對純水進行加壓，由噴嘴形成扇形水霧，對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的方法，并在具體實施案例中探究了不同水壓和聚合物材料對駐極纖維網過濾效率的影響，這也是水駐極技術的起源[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]探究了容塵實驗前后水駐極聚丙烯熔噴非織造布的形貌特征與過濾性能。目前關于水駐極技術的工藝和機制的研究較少，例如水質和烘燥溫度等重要的工藝參數對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、烘燥溫度對駐極效果的影響，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提供參考。

1 實驗部分

1.1 試樣制備

將Argutec DIV PP型水駐極母粒(青島方達化工有限公司)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。用動力噴霧機將水加壓后從扇形噴嘴噴出，水射流垂直噴射到水平運動的聚丙烯熔噴非織造材料上，對材料兩面進行水駐極，經熱風烘箱烘干后，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，經過多次預實驗，確定實驗采用的駐極隔距為16.5 cm，網簾運動速度為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種水質進行水駐極，制備水駐極熔噴非織造材料，探究不同水質對材料駐極效果的影響。

用純水對聚丙烯熔噴非織造材料進行水駐極，分別制備在110、130和150 ℃下熱風烘燥2 min的樣品，探究烘燥溫度對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10 cm×10 cm規格的樣品，用ME204E型電子天平(梅特勒-托利多集團)稱取每個試樣的質量，計算試樣的平均面密度。

1.2.2 厚 度

用YG141N型數字式織物厚度儀(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，測試時間為10 s，取10個有效數據計算樣品平均厚度。

1.2.3 透氣率

用YG461G型全自動透氣量儀(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個測試結果的平均值為樣品透氣率。

1.2.4 電導率

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

1.2.5 過濾效率

用TSI8130型自動濾料測試儀(美國TSI公司)，采用鹽性NaCl氣溶膠顆粒，根據GB/T 2626—2019《呼吸防護 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，測試材料過濾效率。

1.2.6 纖維表面靜電勢

用MFP-3D型原子力顯微鏡(牛津儀器)對材料中單纖維表面靜電勢進行測定。在表面電勢顯微鏡(SPM)模式下，選用彈簧常數為2 N/m的OMCL導電探針，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。

1.2.7 熔噴材料表面靜電勢

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。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，結果穩定后讀取數據。測試時，在樣品表面每隔5 cm取1個點，依次標記序號，作出表面靜電勢分布圖。

2 討論與分析

2.1 液體電導率對水駐極效果的影響

目前使用的水駐極技術需要純水進行工業生產，對水質要求較高。在絕大部分的水質監測中，電導率是最基本和重要的參數之一[11]，因此本文以材料電導率作為衡量水質的指標。電導率越小，水的導電性能越弱，離子濃度越低。利用不同水質制備的熔噴非織造材料的過濾效率如表1所示。

表1 利用不同水質制備的熔噴非織造材料的過濾效率

由表1可知，采用電導率越小的液體進行水駐極，聚丙烯熔噴非織造材料的過濾效率越高。實驗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]報道了水中的OH-和H+在疏水界面附近的動力學模擬結果，由于水分子電荷分布的不對稱性，OH-和H+對疏水界面有很強的親和力。而水中其他離子的種類與含量可能會影響水駐極時固-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，離子強度越大，屏蔽作用越明顯。因此，液體的電導率越小，水和纖維摩擦產生的電荷量越多，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，應采用電導率小的純水進行水駐極。

2.2 烘燥溫度對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行烘燥處理。用純水對聚丙烯熔噴非織造材料進行水駐極，分別在110、130和150 ℃下熱風烘燥2 min制得樣品，探究烘燥溫度對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。為進行對比，同時測試了室溫晾干樣品的面密度、厚度和透氣率，結果見表2。

可以看出，隨著熱風烘燥溫度的升高，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械過濾效果，因此常見的烘燥溫度不會影響水駐極材料的機械過濾效果。

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系，同時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。

未進行駐極的原始樣品過濾效率只有37.6%，但經過水駐極后，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，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定，不會因為烘燥而衰減。

2.3 水駐極樣品帶電特性

材料的過濾性能由機械過濾和靜電吸附效果共同決定。材料的帶電特性會影響靜電吸附效果，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。圖2示出利用150 ℃熱風烘燥樣品的纖維表面靜電勢分布圖。

圖2 單根纖維表面電勢分布圖

由圖2可以看出，在2 μm×2 μm的尺寸范圍內，樣品表面同時呈現出正電勢和負電勢。也就是說，水駐極熔噴非織造材料的單根纖維表面電勢呈正負隨機分布。

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。可以看出，材料正反兩面的靜電勢皆呈正負隨機分布。

圖3 水駐極熔噴非織造材料表面電勢分布

水駐極熔噴非織造材料由多層纖網組成，為進一步探究材料帶電特性，分別將材料剝去1層和2層纖維網，然后測試其表面靜電勢，并與原始樣品的表面靜電勢進行對比，結果如圖4所示。

圖4 水駐極熔噴非織造材料分層電勢分布圖

由圖4可見，分別剝去1層和2層纖網之后，材料表面靜電勢分布均發生明顯變化。與原始樣品的表面靜電勢相比：剝去1層纖網的水駐極聚丙烯熔噴非織造材料在大多數位置呈電正性，多數位置的表面靜電勢絕對值比較大；剝去2層纖網的材料表面在大多數位置呈負電勢分布且靜電勢絕對值較原始樣品大。可以認為，樣品表面靜電勢是材料各層纖網正負靜電勢相互中和后的凈電勢值，并且不同纖網的正電勢或負電勢大小各不相同。

通過微觀和宏觀2個尺度上的表面靜電勢測試證實，水駐極處理使熔噴非織造材料各個位置帶上大小不同的正電荷或負電荷，在過濾時可對不同電性的顆粒產生良好的靜電吸附效應，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，電暈放電產生離子束轟擊電介質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。水駐極技術利用水和帶有水駐極母粒的聚丙烯熔噴非織造材料進行摩擦對材料進行駐極。電暈充電法與水駐極技術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同效應，對添加了水駐極母粒的聚丙烯熔噴非織造材料分別進行電暈充電處理、水駐極處理、水駐極后再進行水駐極處理和電暈充電后再進行水駐極處理，制得的4種材料的過濾效率如表4所示。

結果發現，經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境溫濕度影響較電暈充電熔噴非織造材料小，電荷穩定性更好。實驗結果也說明水駐極和電暈充電之間并未存在協同效應。

進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，結果如圖5、6所示。對比分析可以發現，經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大幅度下降，對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生的電荷只能夠在材料表面和近表面上積累，電荷穩定性受環境溫度和濕度影響[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產生導電性，使表面電荷向大氣傳遞[15]，而烘燥的溫度也會造成表面電荷的進一步消失，因此電暈充電駐極與水駐極之間并沒有協同效應。

圖5 電暈充電熔噴非織造材料表面電勢分布圖

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同作用，二者使材料帶上駐極電荷的原理也不相同。基于固-液摩擦起電機制與上文實驗結論可以推測，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會成為帶正電、負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，和內外層纖維間相互生摩擦而發生電子轉移和離子轉移等反應[17-18]，從而使纖維表面帶上不同類型的電荷。電荷間激發的電場相互疊加，使水駐極熔噴非織造材料在宏觀上表現為正負和大小隨機分布的表面靜電勢。

圖7 水駐極機制示意圖

3 結 論

本文在實驗室模擬水駐極裝置上探究了水質和干燥條件對駐極效果的影響；通過對電暈充電熔噴非織造材料進行水駐極處理，探究二者之間是否存在協同效應；在固-液摩擦起電機制和實驗研究的基礎上，得出如下結論：

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

2)常規熱風烘燥溫度對水駐極熔噴非織造材料的過濾性能影響不大。經過水駐極處理后，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同效應。

3)水駐極使熔噴非織造材料帶上大量隨機分布的正電荷與負電荷，材料表面靜電勢是各層纖網正負靜電勢疊加的結果，不能直觀反映材料內部電場強度。

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外層纖維間相互摩擦，使纖維表面發生電子轉移和/或離子轉移而帶上隨機分布的正、負電荷。電荷間激發的電場相互疊加，使水駐極熔噴非織造材料在宏觀上表現為正負和大小隨機分布的表面靜電勢。