CN111330356A - 一种滤芯及其制备方法和口罩 - Google Patents

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Abstract

本发明属于过滤技术领域，涉及一种滤芯，包括微孔膜层，以及位于所述微孔膜层两侧的第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层；该滤芯的制备方法如下：采用热复合工艺将所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层一次性复合在所述微孔膜层的两侧；由本发明的滤芯制备而成的口罩均能保证95％以上的过滤效率，且通气阻力平均低至70Pa，兼具有高过滤效率和低通气阻力的优异性能，此外，该口罩水洗后可重复使用，可大大节约资源。

Description

一种滤芯及其制备方法和口罩
技术领域
本发明属于过滤技术领域，具体涉及一种滤芯及其制备方法和口罩。
背景技术
近年来，高密度人口的经济及社会活动导致空气中排放大量细颗粒物(PM 2.5)，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大，严重时可能引发癌症及其它严重疾病，特别是自2003年非典型性肺炎爆发以来，过滤颗粒物、防病毒、病菌等口罩的研究和生产引起了社会各界的广泛关注，2019年底新冠病毒肺炎疫情来袭，全国各地口罩等医疗防护用品更是供不应求，一时间水涨船高。面对自然环境中潜藏的PM2.5、细菌、病毒等隐患，为保障个人的健康和生活、工作环境的清洁，提供基础防御细颗粒物、病菌的口罩将成为大众日常必需品，这一趋势将促使人们对口罩的过滤效率和佩戴舒适度有更高的要求。
而给医用防护口罩和医用外科口罩带来病毒过滤作用的主要材料，就是极细密且带静电的内层过滤布——熔喷无纺布。从口罩构成来看，医用外科口罩一般共有三层，内外两层均为纺粘无纺布，中间的过滤层为熔喷无纺布。熔喷无纺布作为医用外科口罩与N95口罩的重要原材料，两者在用量上有区别，医用外科口罩一般为SMS结构(两层纺粘层S一层熔喷层M)，而能过滤95％微细颗粒的N95口罩有时则需使用SMMMS无纺布(两层纺粘层S三层熔喷层M)制作，熔喷布的用量大大高于普通口罩。
作为口罩的过滤层，熔喷无纺布显得至关重要，生产中可以通过增加熔喷层的层数以保证更好的抗菌阻隔性，但是，熔喷层过多会造成使用者呼吸比较困难，所以往往从口罩呼吸的难易程度来判断口罩的隔绝效果，呼吸越困难，则阻隔效果更好，例如实际应用中，N95的过滤效率优于医用外科口罩，但是使用者在佩戴过程中，会明显感到N95的呼吸阻力较大。如果熔喷层变为薄膜，病毒、细菌可以全部有效阻隔，但使用者感到呼吸阻力变大甚至无法呼吸，口罩的过滤效率如何也将无从谈起。
另外，现有技术中熔喷层多采用PP熔喷无纺布，这是一种超细静电纤维布，当粉尘、病毒和细菌遇到聚丙烯熔喷无纺布后，会被静电吸附在聚丙烯熔喷无纺布表面，无法透过，起到隔绝病菌的作用，但是粉尘、病毒和细菌被超细静电纤维捕捉住后，很难通过清洗而脱离，且水洗会被破坏静电的吸尘能力，所以目前大多数口罩为一次性使用口罩，造成资源浪费。
因此，开发一种既能保障高过滤效率，又具备低通气阻力的滤芯，进而提高口罩的防护要求和佩戴舒适度，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的之一在于：提供一种兼具高过滤效率高和低通气阻力性能的滤芯。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种滤芯，包括微孔膜层，以及位于所述微孔膜层两侧的第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层；其中，所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层均采用多组份熔喷无纺布。
微孔膜是一种高分子膜，具有微孔结构，一般是孔径在5.0纳米～1.0毫米之间的多孔膜，因其多孔致密、膜结构均匀同时透气性好的特性，成为广为应用的新型过滤材料，作为滤芯的过滤膜层，在保持空气流通的同时，对空气中的颗粒、病菌有较好的隔绝作用；微孔膜层的两侧均设置有多组份熔喷无纺布层，一方面是作为支撑材料，用来避免微孔膜层在生产、运输或使用时出现破损，另一方面，多组份熔喷无纺布的静电吸附作用可以起到多层过滤作用，可以进一步增加滤芯的过滤效率。
进一步地，所述微孔膜层采用PTFE微孔膜；PTFE微孔分布均匀，是一种柔韧而富有弹性的微孔材料，膜层上存在无数肉眼不可见的小孔，这些小孔的孔径小，一般多为几个微米，甚至0.01个微米，孔隙率大，孔径分布均匀，具有透气不透水的特性，是作为滤芯的理想选择。
优选地，所述微孔膜层的孔径为1～5μm，该条件下的孔径既能保障微孔膜的过滤性能，又能保护良好的通气性能。
更为优选地，所述PTFE微孔膜层的厚度为2μm。
进一步地，所述多组份熔喷无纺布中包括PP和/或PE；PP是现有技术中常用的熔喷无纺布主要材质，它是一种超细静电纤维布，可以捕捉粉尘，含有病毒、细菌的飞沫靠近熔喷无纺布后，会被静电吸附在无纺布表面，无法透过，但是PP熔融指数越高，在高温下具有较高的流动性，容易堵塞微孔膜层上的微孔，导致通气阻力增加，故以PP为支撑材料，并通过控制熔喷无纺布中PP的体积占比，有助于在进一步提高滤芯过滤效率的同时不增加通气阻力的负担；而PE可以阻隔细菌粒子穿透和液体渗透，透气性好，效隔离水分，排出热气和湿气，舒适性能大大提高。
优选地，所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层均采用PP与PET双组份复合材料(用“PP/PET”示)的双组份熔喷无纺布或PE与PET双组份复合材料(用“PE/PET”表示)的熔喷无纺布；PET具有优异的抗拉及延伸性能，能够有效支撑整个无纺布结构，PET的玻璃态转化温度相较于PE或PP都低，在适宜的温度下与PP或PE复合时，可以有效避免多组份熔喷无纺布粘附在热压器件上，大大节约能耗，提高生产效率。
更为优选地，所述PET在PP/PET或PE/PET双组份熔喷无纺布中的体积百分比为70～80％；研究中发现PP/PET或PE/PET双组份熔喷无纺布中PP或PE的体积占比过高时，容易粘附在电磁感应加热辊上，导致无法进行生产，而占过低时，复合牢固度很低，也无法应用。
可选择地，所述微孔膜层与第一熔喷无纺布层或第二熔喷无纺布层之间还包括银离子层，银离子为携带正电荷的阳离子，具有较强的氧化作用，实践经验证明，银离子对众多种类的致病细菌、真菌、霉菌、寄生虫和病毒能起致死的作用，在滤芯中设置银离子层，有助于提高滤芯的病菌过滤效率。
本发明的目的之二在于：提供一种上述滤芯的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种滤芯的制备方法，采用热复合工艺将所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层一次性复合在所述微孔膜层，经过一次热复合，一次成型。
进一步地，所述热复合工艺采用具有热辊的热复合机。
进一步地，所述热复合工艺条件为：热辊温度为110～160℃，热辊压力为150～200N/cm2，热复合线速度为10～25m/min。
优选地，所述热复合工艺条件为：经过热复合机时，热辊温度为155℃，热辊压力为180N/cm2，热复合线速度为20m/min。
本发明的目的之三在于：提供一种口罩，使之具备过滤效率高且通气阻力低的功能和性能。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种口罩，包括上述滤芯或具有采用所述制备方法制备的滤芯。
可选择地，上述滤芯还可以用于制备防护面罩或其他具有过滤作用的防护用品或过滤装置。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的滤芯采用粒径为1～5μm的PTFE微孔膜层作为核心过滤层，PP/PE、PE/PET、PP/PE/PET等多组份熔喷无纺布作为支撑材料，复合在PTFE微孔膜层的两侧，利用微孔材料的多孔结构，孔径分布均匀，透气性好等特性为该滤芯的过滤效率提供很好的保障；利用多组份熔喷无纺布的复合材料性能，在保护微孔膜不受损的作用下减少了该滤芯的通气阻力；多层过滤也进一步提高了该滤芯的过滤效率。由该滤芯制备的口罩的过滤效率均能达到95％以上，吸气阻力可低至16.9Pa，兼具有高过滤效率和低通气阻力的优异性能。
2.本发明提供的滤芯的制备方法，利用具有热辊的热复合机，合理控制热辊的工作条件，无需任何胶黏剂，仅经过一次热复合压力便可一次成型，相较于常见的需要经过两次热复合的工艺，多组份熔喷无纺布的熔融流动区域显著减小，该工艺可以显著减少微孔膜两侧的多组份复合材料的熔融流动区域，减少微孔膜层的堵塞，因此，利用本发明双侧同时热复合使其一次成型的滤芯有更低的通气阻力，此外，仅经过一次热压处理还可以有效减少微孔膜在多次高温下易产生破损的问题。
3.由于PTFE微孔膜自身还具有透气不透水的特性，经得起水洗、消毒等处理，包括本发明滤芯或具有采用本发明制备方法制备的滤芯的口罩具有可重复使用的优势，经过二次水洗后的过滤效率仍然可以达到95％以上，延长了口罩使用的寿命，可大大节约资源。
具体实施方式
实施例1
一种滤芯，包括粒径为1μm的PTFE微孔膜层，以及位于所述微孔膜层两侧的第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层；
第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层均为PE/PET双组份熔喷无纺布；
其中，PE/PET双组份熔喷无纺布中PE与PET的体积比为2：8；
上述滤芯的制备方法如下：采用具有热辊的热复合机将所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层一次性复合在所述微孔膜层的两侧。其中，热复合工艺条件为：材料经过热复合机时热辊温度为110℃，热辊压力为150N/cm2，热复合线速度为10m/min；
使用上述滤芯，采用现有技术中的常规方法制得口罩。
实施例2
一种滤芯，包括粒径为2μm的PTFE微孔膜层，以及位于所述微孔膜层两侧的第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层；
第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层均为PP/PET双组份熔喷无纺布；
其中，PP/PET双组份熔喷无纺布中PP与PET的体积比为2.5：7.5；
上述滤芯的制备方法如下：采用具有热辊的热复合机将所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层一次性复合在所述微孔膜层的两侧。其中，热复合工艺条件为：材料经过热复合机时热辊温度为155℃，热辊压力为180N/cm2，热复合线速度为20m/min；
使用上述滤芯，采用现有技术中的常规方法制得口罩。
实施例3
一种滤芯，包括粒径为3μm的PTFE微孔膜层，以及位于所述微孔膜层两侧的第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层；
第一熔喷无纺布层为PE/PET双组份熔喷无纺布；第二熔喷无纺布层为PP/PET双组份熔喷无纺布；
其中，PE/PET双组份熔喷无纺布中PP与PET的体积比为3：7：PP/PET双组份熔喷无纺布中PP与PET的体积比为2：8；
上述滤芯的制备方法如下：采用具有热辊的热复合机将所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层一次性复合在所述微孔膜层的两侧。其中，热复合工艺条件为：材料经过热复合机时热辊温度为125℃，热辊压力为190N/cm2，热复合线速度为15m/min；
使用上述滤芯，采用现有技术中的常规方法制得口罩。
实施例4
一种滤芯，包括粒径为5μm的PTFE微孔膜层，以及位于所述微孔膜层两侧的第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层；
第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层均为PP/PE/PET三组份熔喷无纺布；
其中，PP/PE/PET三组份熔喷无纺布中的体积比一次为2：1：7；
上述滤芯的制备方法如下：采用具有热辊的热复合机将所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层一次性复合在所述微孔膜层的两侧。其中，热复合工艺条件为：材料经过热复合机时热辊温度为160℃，热辊压力为200N/cm2，热复合线速度为25m/min；
使用上述滤芯，采用现有技术中的常规方法制得口罩。
对比例1
参照实施例2的制备条件，不同的是，PTFE微孔膜层的粒径为10μm。
对比例2
参照实施例2的制备条件，不同的是，PP/PET双组份熔喷无纺布的体积比为4：6。
对比例3
参照实施例2的制备条件，不同的是，热复合工艺条件为：先将第一熔喷无纺布层复合在PTFE微孔膜层的一侧，再将第二熔喷无纺布层复合在PTFE微孔膜层的另一侧。
市售样品
市售的医用N95口罩。
按照GB19083-2010《医用防护口罩技术要求》标准，在空气流量(85±2)L/min条件下，进行相应产品的过滤效率和吸气阻力性能进行测试，测试结果如表1。
表1本发明实施例和对比例性能测试结果
项目 吸气阻力(Pa) 0.1μm～0.2μm 0.2μm～0.3μm 0.3μm～0.5μm
实施例1 16.9Pa ≥95 ≥95 ≥99
实施例2 26.2Pa ≥95 ≥99 ≥99
实施例3 79.2Pa ≥95 ≥99 ≥99
实施例4 151.5Pa ≥99.97 ≥99.97 ≥99.97
对比例1 431.3Pa ≥99.97 ≥99.97 ≥99.97
对比例2 —— —— —— ——
对比例3 357.1Pa ≥99.97 ≥99.97 ≥99.97
市售样品 175.4Pa ≥95 ≥95 ≥95
由表1中实施例1～4和对比例1～2性能测试结果可以看出，本发明条件下制备的口罩的过滤效率均在95％以上，达到市售的医用N95口罩的水平，同时，各实施例的吸气阻力也显著低于市售样品，达到了高滤过效率和低通气阻力的效果；与实施例2相比，对比例1采用了粒径为10μm的PTFE微孔膜，虽然过滤效率均高于99.97％，达到了3级过滤等级，但是也严重增加了吸气阻力，这将导致口罩无法正常使用；对比例2采用的PP/PET双组份熔喷无纺布的体积比为4：6，生产中发现部分熔喷无纺布会粘附在热辊上，导致无法正常生产；对比例3则是通过前后两次热复合分别将第一熔喷无纺布和第二熔喷无纺布复合在PTFE微孔膜的两侧，两次高温热压处理造成PP/PE的熔融流程区域增大，导致PTFE微孔膜的堵塞，最终致使口罩的吸气阻力显著增加。
水洗后口罩性能的对比实验
实验组：本发明实施例2制备的口罩；
对照组：市售的医用N95口罩；
实验方法：在相同条件下，将口罩放入清水中清洗5min，自然晾干后测试口罩的性能，测试后再重复上述过程1次，实验结果如表2所示。
表2水洗后口罩性能对比结果
Figure BDA0002404795620000071
从表2水洗后口罩性能对比结果可以看出，以静电吸附熔喷布发挥主要过滤作用的市售的医用N95口罩，在水洗之后过滤效率显著下降，而本发明实施例2制备的口罩的过滤效率仍然可以保持在95％以上，说明本发明提供的口罩耐水洗，在合理的水洗之后，能够重复使用，可以大大节约口罩资源。

Claims (10)

1.一种滤芯，其特征在于：包括微孔膜层，以及位于所述微孔膜层两侧的第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层；
其中，所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层均采用多组份熔喷无纺布。
2.根据权利要求1所述的一种滤芯，其特征在于：所述微孔膜层采用PTFE微孔膜。
3.根据权利要求2所述的一种滤芯，其特征在于：所述PTFE微孔膜的孔径为1～5μm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种滤芯，其特征在于：所述多组份熔喷无纺布包括PP和/或PE。
5.根据权利要求4所述的一种滤芯，其特征在于：所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层均采用PP/PET或PE/PET双组份熔喷无纺布；所述PET在所述PP/PET或PE/PET双组份熔喷无纺布中的体积百分比为70～80％。
6.一种如权利要求4所述的滤芯的制备方法，其特征在于：采用热复合工艺将所述第一熔喷无纺布层和第二熔喷无纺布层一次性复合在所述微孔膜层的两侧。
7.根据权利要求5所述的一种滤芯的制备方法，其特征在于：所述热复合工艺采用具有热辊的热复合机；所述热复合工艺条件为：所述热辊温度为110～160℃，热辊压力为150～200N/cm2，热复合线速度为10～25m/min。
8.根据权利要求6所述的一种滤芯的制备方法，其特征在于：所述热复合工艺条件为：所述热辊温度为155℃，热辊压力为180N/cm2，热复合线速度为20m/min。
9.一种口罩，其特征在于：包括权利要求4所述的滤芯。
10.一种口罩，其特征在于：具有采用权利要求6～8任一项所述的制备方法制备的滤芯。
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