CN111408279A - 透气和阻隔性能兼顾的微多孔过滤膜 - Google Patents

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Abstract

透气和阻隔性能兼顾的微多孔过滤膜，具有防水、透气、对颗粒物有效的阻隔功能，过滤膜在厚度截面具有多个亚微米级厚度的微层状膜的微观结构、在呼吸时或气压波动造成的内摩擦作用下微层状膜之间具有自发静电功能，微多孔过滤膜日常的静电电压大于正或负500V；微多孔过滤膜在100‑250Pa正压下的透气度介于85‑300L/min‑(测试面积17*17cm2)之间，具有低阻力特性；微多孔过滤膜在3.5KPa正压下持续加压1分钟、纯水介质不能透过；对质量中位径0.3‑0.6微米的NaCl颗粒物发生气的过滤效率不低于95％；微多孔过滤膜厚度介于12‑24微米，纵向/横向的拉伸强度均大于60MPa，纵向/横向的断裂伸长均大于120％。本发明产品适合替代熔喷PP作为口罩等空气防护用品的核心滤材使用。

Description

透气和阻隔性能兼顾的微多孔过滤膜
技术领域
本发明属于口罩防护用过滤材料领域，也可以用于具备透气、防水、阻 隔等要求的防护服、户外服装、空调滤材等领域。
背景技术
口罩防护目前主流的是采用SMS(纺粘/熔喷/纺粘)或SMMS(纺粘/两 层熔喷/纺粘)的非织造布材料复合而成，其中中间的相对细旦的熔喷PP纤 维组成的微多孔材料作为核心滤材、要求较高的驻极特性(即静电保持能力)， 来弥补其孔径分布较大、对颗粒物的单纯机械阻挡左右不足的缺点；由于具 体使用过程中人员呼出的较高水蒸汽含量，中间的熔喷PP层的静电容易丧失、 吸附微颗粒物及微生物的能力可能存在防护失效的风险。
随着2003年“非典”期间冠状病毒导致的SARS、2015年前后MERS 病毒导致的致死率更高的中东呼吸综合症、2019年底全球多处新型冠状病毒 传染(COVD-19)的惨痛教训，体现出高质量医用口罩及防护服的短缺和现 有产品在质量、性能方面存在严重不足之处。
为克服现有口罩和防护服在核心过滤材料方面体现出来的局限性，特提 出本发明。
发明内容
本发明提出一种新型的透气和阻隔性能兼顾的PE基微多孔过滤膜，其特 征在于，微多孔过滤膜具有防水、透气、透湿、对颗粒物保持有效的阻隔功 能，微多孔过滤膜在厚度方向具有多个亚微米厚度的微层状膜自然交叠的微 观结构、在使用者进行呼吸时或内外气压波动造成的内摩擦作用下、这些微 层状膜之间具有自发静电功能，微多孔过滤膜日常的静电电压大于正或负 500V；微多孔过滤膜在100-250Pa正压下的透气度介于85-300L/min- (17*17cm2)之间，具有低阻力特性；微多孔过滤膜在3.5KPa正压下持续加 压1分钟、纯水介质不能透过；对质量中位径0.3-0.6微米的NaCl颗粒物发 生气的过滤效率不低于95％；微多孔过滤膜厚度介于12-24微米，纵向/横向 的拉伸强度均大于60MPa，纵向/横向的断裂伸长均大于120％。
微多孔过滤膜采用高分子量HDPE或特高分子量聚乙烯或超高分子量聚 乙烯UHMWPE或其组合物、石蜡油作为聚乙烯的高温相容剂、亚微米级球 形二氧化硅作为薄膜中形成微米级孔径的核心功能原料，薄膜采用同步双向 热拉伸和萃取后1.5-3倍的高横拉比的二次横向热拉伸两次拉伸工艺制造，首 先采用热致相分离法制造纳米级微孔、然后利用过滤膜原料中预先掺入的亚 微米级球形二氧化硅在二次横拉时的微观位阻效应形成微米级孔，从而得到 具有纳米级、微米级组合孔径、在保持优异阻隔性能的前提下还具备较低的 呼吸阻力的PE微多孔过滤膜。
以下进一步解释本发明的技术设计。
本发明的微多孔过滤膜其原料的聚乙烯和石蜡油在140-190℃温度混炼 时二者完全互溶成为热力学溶液，其中掺入的亚微米级球形二氧化硅作为熔 体中的固体第二相单独存在，之所以采用球形二氧化硅是在技术上考虑两点： 1、球形微粉不容易划伤熔体管道及挤出模头；2、双向热拉伸及萃取后二次 横向热拉伸薄膜时，薄膜的物理变形制是：微观上晶片从聚乙烯多晶体中连 接着缠结区、从多晶体中滑移变形出来、变薄、晶片其中的纤维取向、拉伸 强化；热拉伸变形中的微晶片不容易被其接触的球形微粉划破、生产不容易 破膜；相比较而言如果不采用球形而是利用普通的非球形陶瓷粉体来制造微 米级孔径、其棱角容易划破变形中的亚微米尺度的微层，生产容易破膜而中 断。当然依据本发明的思想采用其他的球形陶瓷粉体理论上也是可以的，如 球形勃姆石、球形氧化铝等，应该认为这些亚微米级球形陶瓷粉体的应用也 在本专利的保护范围内。二氧化硅的真密度接近2.1克/立方厘米，与石蜡油 的密度更接近，不容易沉降；另外球形二氧化硅粉体的表面不容易吸附水分， 在配置原料的料浆时、陶瓷粉体在料浆中的悬浮状态和分散状态更理想，在 高温混炼时不容易产生气泡，对于生产的产品的均匀性更有利。
铸片时在原料中掺混有亚微米级球形二氧化硅粉体的熔体在凝固后聚乙 烯发生结晶和石蜡油分相，即发生热致相分离，在后面采用同步双向拉伸工 艺进行第一次热拉伸，铸片形成的聚乙烯的结晶物的多晶体的晶片会发生滑 移，其中的物理缠结区(非晶为主)将不同的晶片之间连接着、构成厚度方 向的整体薄膜，在后面采用二氯甲烷萃取、抽提溶解出石蜡油、干燥之后薄 膜中形成纳米级微多孔，由于萃取造成的表面张力变化，此时的纳米级微孔 的尺度不理想、阻力很大，普通的电池隔膜一般在萃取后进行二次横拉、仅仅将横拉比设定在1.10-1.3倍，只是微调一下孔径及孔隙率，这种常规的PE 隔膜孔径一般为30-80纳米、孔隙率一般在37-46％，对气体通过的阻力太大， 不能用于口罩滤材及防护服领域。为了降低PE微多孔膜的阻力，本发明在原 料中加入精确亚微米粒径的球形二氧化硅粉体，利用其精密位阻效应，组合 采用1.5-2.5倍的高的横拉比，将PE微多孔过滤膜中形成一部分微米级的大 孔，这样薄膜中既有大量的纳米级微孔、还有降低呼吸阻力的微米级孔，这 样组合后本发明制备的微多孔过滤膜既有合适的阻隔能力、还有一定的气体 透过能力，适合用于口罩核心滤材，由于本发明严格控制亚微米球形二氧化 硅的粒径及其分布，组合上合适的大横拉比的二次横拉工艺，可以控制薄膜 中的微米级的孔径不至于过大，基本可以控制最大孔径不大于2微米、因此 机械阻隔精度高、基本不影响其机械阻隔能力；组合本发明微多孔过滤膜的 独特微观结构：多个亚微米级厚度的微层状膜自然交叠的断面微观结构、在 使用者进行呼吸时或内外气压波动造成的内摩擦作用下、这些微层状膜之间 具有内摩擦自发静电功能，因此本发明的微多孔过滤膜还有独特的静电吸附 能力，可以捕获、截留住100纳米粒径左右的冠状病毒或其依附的气溶胶微 粒。
微多孔过滤膜采用高分子量聚乙烯、石蜡油、亚微米级球形二氧化硅为 主要原料，其中的聚乙烯的重均分子量介于50-150万，6-8重量份；亚微米 级球形二氧化硅：2-6重量份；石蜡油，18-42重量份。聚乙烯的分子量太低 会影响薄膜的断裂伸长率、过高的分子量熔体粘度大、混炼均匀度和产量都 会受影响；亚微米级球形二氧化硅的含量太低会导致薄膜中的微米级孔的数 量不足，薄膜的气阻不满足使用要求，其含量太高会导致薄膜的强度降低、 拉膜工艺不稳定、易破膜；石蜡油一方面作为聚乙烯的高温相容剂，会影响 铸片后的相分离程度和拉膜后形成的纳米孔径部分的孔隙率，在配方原料中 太低熔体粘度容易过大、熔体压力过高会有熔体过滤器失效等设备风险，在 配方原料中含量太高、熔体强度不足，铸片不稳定，另外拉膜时薄膜强度不 足、易破膜。
微多孔过滤膜采用高分子量聚乙烯、石蜡油、亚微米级球形二氧化硅为 主要原料，其中的亚微米级球形二氧化硅其粒径介于0.2-2微米，为了控制亚 微米级球形二氧化硅的最大孔径、更优选控制球形二氧化硅的粒径介于 0.3-1.5微米，其D50优选介于0.3-0.8微米、D90小于1.2微米。亚微米级球 形二氧化硅如果采用小于0.2微米的纳米级微粉、对于机械阻隔拉伸成微米 级的孔不利、大于2微米的粒径则容易导致机械阻隔效应拉伸成的微米级的 孔径大于3-5微米，不利于精密阻隔功能，另外陶瓷粉体的粒径大于晶片的 厚度太多容易导致局部破裂、生产线容易因破膜而中断。
实施例
实施例1：微多孔过滤膜采用高分子量聚乙烯、石蜡油、亚微米级球形 二氧化硅为主要原料，加入微量的抗氧化剂，原料中的聚乙烯采用特高分子 量聚乙烯，其重均分子量介于70-90万，7.5重量份；亚微米级球形二氧化硅： 3.15重量份；50号石蜡油，28重量份；其中球形二氧化硅的粒径主要介于 0.3-1.3微米；其D50介于0.4-0.6微米、D90为0.9微米，球形度大于92％、 纯度优于99.9％；原料料浆经混合均匀后定量喂入双螺杆挤出机，经混炼均 匀后进入熔体过滤器及熔体齿轮泵稳压后送入挤出模头，经铸片后进入同步 双向热拉伸，拉伸比7*5(纵拉比为7，横拉比为5)，拉伸强化减薄后的含 油薄膜继续进入萃取槽，萃取干净后经干燥后进入二次横向拉伸设备，横向 拉伸比采用2倍，热拉伸温度介于120-128℃，经125-129℃热定型后冷却收 卷，得到PE基的微多孔过滤膜，在100-200Pa正压下的透气度介于 100-230L/min(测试面积：17*17cm2)之间，具有低阻力特性；微多孔过滤 膜在3.5KPa正压下持续加压1分钟、纯水介质不能透过；微多孔过滤膜日常 的静电电压大于正或负700V；对质量中位径0.3-0.6微米的NaCl颗粒物发生 气的过滤效率优于99％；微多孔过滤膜厚度16-18微米，纵向/横向的拉伸强 度均大于60MPa，纵向/横向的断裂伸长均大于130％。

Claims (4)

1.透气和阻隔性能兼顾的微多孔过滤膜，其特征在于，微多孔过滤膜具有防水、透气、对颗粒物保持有效的阻隔功能，微多孔过滤膜在厚度方向具有多个亚微米级厚度的微层状膜的微观结构、在呼吸时或气压波动造成的内摩擦作用下微层状膜之间具有自发静电功能，微多孔过滤膜日常的静电电压大于正或负500V；微多孔过滤膜在100-250Pa正压下的透气度介于85-300L/min-(17*17cm2)之间，具有低阻力特性；微多孔过滤膜在3.5KPa正压下持续加压1分钟、纯水介质不能透过；对质量中位径0.3-0.6微米的NaCl颗粒物发生气的过滤效率不低于95％；PE微多孔过滤膜厚度介于12-24微米，纵向/横向的拉伸强度均大于60MPa，纵向/横向的断裂伸长均大于120％。
2.根据权利要求1所述的透气和阻隔性能兼顾的微多孔过滤膜，其特征在于，微多孔过滤膜采用高分子量聚乙烯、石蜡油、亚微米级球形二氧化硅为主要原料，采用同步双向热拉伸和萃取后1.5-2.5倍的高横拉比的二次横向热拉伸两次拉伸工艺制造，首先采用热致相分离法制造纳米级微孔、然后利用过滤膜原料中预先掺入的亚微米级球形二氧化硅粉体在二次横拉时的微观位阻效应形成微米级孔，从而得到具有纳米级、微米级组合孔径、在保持优异阻隔性能的前提下还具备较低的呼吸阻力的微多孔过滤膜。
3.根据权利要求1所述的透气和阻隔性能兼顾的微多孔过滤膜，其特征在于，微多孔过滤膜采用高分子量聚乙烯、石蜡油、亚微米级球形二氧化硅为主要原料，其中的高分子量聚乙烯的重均分子量介于50-150万，6-8重量份；亚微米级球形二氧化硅：2-6重量份；石蜡油，18-42重量份。
4.根据权利要求1所述的透气和阻隔性能兼顾的微多孔过滤膜，其特征在于，微多孔过滤膜采用高分子量聚乙烯、石蜡油、亚微米级球形二氧化硅为主要原料，其中的亚微米级球形二氧化硅其粒径介于0.3-1.5微米，其D50介于0.3-0.8微米。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114166404A (zh) * 2021-11-04 2022-03-11 无锡赛恩诺测控科技有限公司 一种新型孔隙气压力测量系统

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