CN114277507A - 一种具有高效过滤性能的熔喷法非织造布材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高效过滤性能的熔喷法非织造布材料及其制备方法，所述熔喷法非织造布材料由以下组分按重量份组成：聚丙烯89‑99.45份，含Si驻极母粒0.5‑10份，氟化物0.05‑1份；所述含Si驻极母粒包含SiO2、驻极材料和载体材料。本发明制备的熔喷法非织造布由于其含Si驻极母粒的添加，增大纺丝表面的粗糙度，一方面有利于非织造布的疏水疏油效果，另一方面可提高非织造布的过滤效果；氟化物的添加，可降低非织造布纺丝纤维的表面极性，达到疏水、疏油的效果，保护纤维丝内部的驻极电荷，从而提高织造布的盐性、油性过滤效果，同时也可延长织造布的滤效衰减时间。
Description
技术领域
本发明属于熔喷法非织造布材料技术领域，具体涉及一种具有高效过滤性能的熔喷法非织造布材料及其制备方法。
背景技术
由于聚丙烯本身的无毒、无臭、无味和优良的稳定性，吸水率低的特点，被广泛用于熔喷法非织造布的原料。以聚丙烯为原料的熔喷法非织造布的纤维直径可达1-5μm，这些超细纤维赋予熔喷法非织造布良好的透气性能和过滤效果。研究者对聚丙型熔喷法非织造布进行常温双极电晕驻极处理，可使材料的超细纤维成为永久带电的纤维驻极体，静电作用极大地提高了驻极后材料对气相中的固体微粒的过滤效率，但即便加入驻极材料后，对大于0.03μm微粒的过滤效率仍达不到99.99％，只能用作亚高效过滤材料。
2019年的新型冠状病毒席卷全球，导致全球数百万人感染，正确佩戴口罩可有效阻断病毒的传播，熔喷法非织造布作为口罩中最关键的过滤器件，其性能的提高和对病毒的过滤效率尤为重要。由于全球气候条件的多样性，如高热高湿的环境，或使用条件的不同，如医用外科口罩可能被带病毒的血液沾附，故目前高效的熔喷法非织造布不仅需满足GB2626-2019、CFR-2004-title42-vol1-part84和BS EN 149-2001 A1-2009标准中的对盐性NaCl微粒的过滤效率，还需满足对DOP、石蜡油等油性微粒的过滤效率。但石蜡油类为极性非离子化合物，这类油性粒子在过滤过程中以惯性效应和扩散效应为主，只有在微粒与滤材接触时才产生静电效应，所以传统的单纯驻极方式很难提高油性微粒的过滤效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有高效过滤性能的熔喷法非织造布材料及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种具有高效过滤性能的熔喷法非织造布材料，由以下组分按重量份组成：聚丙烯89-99.45份，含Si驻极母粒0.5-10份，氟化物0.05-1份；所述含Si驻极母粒包含SiO2、驻极材料和载体材料，其中SiO2的质量分数为1-10％。
作为优选的技术方案，所述聚丙烯为熔喷级聚丙烯，其在230℃，2.16kg条件下熔融指数为800g/10min-2200g/10min。
作为优选的技术方案，所述驻极材料包括电气石、MgTiO3、硬脂酸盐中、钛酸盐、POSS基材料、蜂蜡、松香中的至少一种；所述载体材料为熔喷级聚丙烯，其在230℃，2.16kg条件下熔融指数为800g/10min-2200g/10min。
作为优选的技术方案，所述含Si驻极母粒中驻极材料的质量分数为30-80％。
作为优选的技术方案，所述氟化物为无机氟化物、有机氟化物或含氟聚合物中的至少一种。
本发明的另一个目的是提供一种上述所述的熔喷法非织造布材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配比分别称取聚丙烯、含Si驻极母粒、氟化物后，混合均匀，得到混合料；
(2)混合料经螺杆挤出机熔融挤出成熔体，经计量泵后通过喷丝板喷出形成纤维，然后依次经过热风牵引、高压驻极处理后，在成网帘上形成熔喷法非织造布。进一步优选的，所述螺杆挤出机的加热温度为160-280℃；所述喷丝板的孔径为0.1-0.4mm；所述热风牵引的温度130-320℃，压力为0.07-0.8Mpa；所述高压驻极处理的压力为4-8万伏。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
(1)本发明高效过滤熔喷法非织造布为一次性熔喷制得，相对于两步法的熔喷加静电纺丝工艺，本发明的制备工艺简单易行，在现行工艺、设备上更换原料即可，易于大规模工业化和推广；并且相对于传统表面涂覆工艺只改变表面性能，涂层与内部基材靠微弱的物理吸附和范德华力结合，稳定性较差，本发明将含Si的驻极母粒和氟化物与熔喷级聚丙烯混合一次性熔喷制得熔喷法非织造布，含Si的驻极母粒和氟化物均匀“锚定”在纤维丝表面，具有更稳定的效果；
(2)本发明在熔喷法非织造布原料中加入了含Si驻极母粒和氟化物，可使熔喷纺丝表面具有疏水、疏油的性能，保护纺丝内部的电荷，有效延长滤效的衰减时间，提高熔喷法非织造布的使用寿命；
(3)本发明制备的熔喷法非织造布由于其疏水、疏油性能，可抑制细菌、水份、污物的附着，创造干爽、清洁的表面，从而达到抑菌的效果；
(4)本发明将SiO2和氟化物并用，从基材本身的表面极性和纤维表面的物理形貌两个方面同时改善疏水、疏油性能，从而提高滤效；
(5)本发明的熔喷法非织造布原料加入了含Si的驻极母粒和氟化物，其中SiO2和F的存在，可提高熔喷纤维表面的粗糙度，在这些材料与聚丙烯结合处能产生更多的缺陷，且SiO2和F具有较高的束缚电子的能力，有效增加机体能阱，可提高材料的驻极效果，从而提高过滤率。
(6)本发明在配方中同时添加SiO2和含氟聚合物，利用两者的尺寸不同的效应，达到最佳的疏水疏油效果，SiO2主要作用在纳米尺寸，在聚丙烯晶体尺寸上作用，构造围观粗糙度和晶体表面缺陷度以提高材料驻极效果；含氟聚合物和部分大尺寸SiO2则主要在微米尺寸作用，其中与各尺寸水滴、油滴及雾气接近的含氟聚合物，以增加水和油的表面接触角，同时在纤维宏观结构上增大粗糙度，在结构上产生疏水疏油效应。本发明的配方设计首次提出从各个尺寸结构上改性熔喷纤维，从而达到疏水疏油的效果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例中所用试剂的型号以及供应商如下：
熔融指数为1500g/10min的熔喷级聚丙烯生产厂家为合肥杰事杰新材料股份有限公司，型号为PPNF1500；
熔融指数为1800g/min的熔喷级聚丙烯生产厂家为合肥杰事杰新材料股份有限公司，型号为PPNF1800；
熔融指数为1200g/min的熔喷级聚丙烯生产厂家为巴塞尔，型号为PPMF650X；
熔融指数为800g/min的熔喷级聚丙烯生产厂家为合肥杰事杰新材料股份有限公司，型号为PPNF800；
熔融指数为2200g/min的熔喷级聚丙烯生产厂家为巴塞尔，型号为PPMF650Z；
上述材料的熔融指数测试条件均为230℃、2.16kg；
上述试剂只是为了说明本发明实验时所采用的试剂来源和成分，以便充分公开，并不表示采用其他同类试剂或其他供应商提供的试剂就不能实现本发明。
实施例1：
(1)取熔融指数为1500g/10min的熔喷级聚丙烯96.5份、含Si驻极母粒3份，四氟乙烯0.5份按比例混合均匀，得到混合料；其中，含Si驻极母粒的组分为(按质量分数计)：5％的SiO2、50％的硬脂酸镁、其余为载体材料，载体材料选用熔融指数为1500g/10min的熔喷级聚丙烯；
(2)混合料经螺杆挤出机熔融挤出成熔体，经计量泵后通过喷丝板喷出形成纤维，然后依次经过热风牵引、高压驻极处理后，在成网帘上形成熔喷法非织造布。其中：螺杆挤出机的加热温度为一区175℃，二区210℃，三区225℃，四区225℃，五区220℃，六区220℃；喷丝板的孔径为0.2mm；热风牵引中热风温度为150℃，热风压力为0.5Mpa；高压驻极处理选择压力为6万伏的高压静电发生器进行驻极处理。
实施例2：
(1)取熔融指数为1800g/min的熔喷级聚丙烯94.2份、含Si驻极母粒5份，全氟聚醚0.8份按比例混合均匀，得到混合料；其中，含Si驻极母粒的组分为(按质量分数计)：8％的SiO2、60％的电气石、其余为载体材料，载体材料选用熔融指数为1800g/10min的熔喷级聚丙烯；
(2)混合料经螺杆挤出机熔融挤出成熔体，经计量泵后通过喷丝板喷出形成纤维，然后依次经过热风牵引、高压驻极处理后，在成网帘上形成熔喷法非织造布。其中：螺杆挤出机的加热温度为一区210℃，二区210℃，三区210℃，四区220℃，五区220℃，六区220℃，七区225℃，八区225℃，九区225℃，十区225℃；喷丝板的孔径为0.25mm；热风牵引中热风温度为210℃，热风压力为0.3MPa；高压驻极处理选择压力为5万伏的高压静电发生器进行驻极处理。
实施例3：
(1)取熔融指数为1200g/min的熔喷级聚丙烯91.8份、含Si驻极母粒8份，偏氟乙烯0.2份按比例混合均匀，得到混合料；其中，含Si驻极母粒的组分为(按质量分数计)：3％的SiO2、30％的MgTiO3和40％的Si3N4、其余为载体材料，载体材料选用熔融指数为800g/10min的熔喷级聚丙烯；
(2)混合料经螺杆挤出机熔融挤出成熔体，经计量泵后通过喷丝板喷出形成纤维，然后依次经过热风牵引、高压驻极处理后，在成网帘上形成熔喷法非织造布。其中：螺杆挤出机的加热温度为一区180℃，二区190℃，三区190℃，四区200℃，五区200℃，六区205℃，七区205℃，八区210℃，九区220℃，十区220℃；喷丝板的孔径为0.3mm；热风牵引中热风温度为260℃，热风压力为0.3MPa；高压驻极处理选择压力为5万伏的高压静电发生器进行驻极处理。
实施例4：
(1)取熔融指数为800g/min的熔喷级聚丙烯99.45份、含Si驻极母粒0.5份，甲基丙烯酸三氟乙酯0.05份按比例混合均匀，得到混合料；其中，含Si驻极母粒的组分为(按质量分数计)：1％的SiO2、25％的硬脂酸镁和5％的α成核剂POSS(多面体倍半硅氧烷)、其余为载体材料，载体材料选用熔融指数为1200g/10min的熔喷级聚丙烯；
(2)混合料经螺杆挤出机熔融挤出成熔体，经计量泵后通过喷丝板喷出形成纤维，然后依次经过热风牵引、高压驻极处理后，在成网帘上形成熔喷法非织造布。其中：螺杆挤出机的加热温度为一区200℃，二区200℃，三区210℃，四区210℃，五区220℃，六区220℃，七区220℃，八区225℃，九区225℃，十区225℃；喷丝板的孔径为0.4mm；热风牵引中热风温度为130℃，热风压力为0.07MPa；高压驻极处理选择压力为4万伏的高压静电发生器进行驻极处理。
实施例5：
(1)取熔融指数为2200g/min的熔喷级聚丙烯89份、含Si驻极母粒10份，偏氟乙烯1份按比例混合均匀，得到混合料；其中，含Si驻极母粒的组分为(按质量分数计)：10％的SiO2、80％的电气石、其余为载体材料，载体材料选用熔融指数为1200g/10min的熔喷级聚丙烯；
(2)混合料经螺杆挤出机熔融挤出成熔体，经计量泵后通过喷丝板喷出形成纤维，然后依次经过热风牵引、高压驻极处理后，在成网帘上形成熔喷法非织造布。其中：螺杆挤出机的加热温度为一区170℃，二区210℃，三区220℃，四区220℃，五区230℃，六区230℃，七区230℃；喷丝板的孔径为0.1mm；热风牵引中热风温度为320℃，热风压力为0.8MPa；高压驻极处理选择压力为8万伏的高压静电发生器进行驻极处理。
对比例1：
(1)取熔融指数为1500g/min熔喷级聚丙烯95份、驻极母粒5份，按比例混合均匀，得到混合料；其中，驻极母粒的成分为50％的硬脂酸镁，其余为载体材料，载体材料为熔融指数是1500g/min熔喷级聚丙烯；
(2)混合料经螺杆挤出机熔融挤出成熔体，经计量泵后通过喷丝板喷出形成纤维，然后依次经过热风牵引、高压驻极处理后，在成网帘上形成熔喷法非织造布。其中：螺杆挤出机的加热温度为一区175℃，二区210℃，三区225℃，四区225℃，五区220℃，六区220℃；喷丝板的孔径为0.2mm；热风牵引中热风温度150℃，热风压力为0.6MPa；高压驻极处理选择压力为6万伏的高压静电发生器进行驻极处理。
对比例2：
(1)取熔融指数为1800g/min熔喷级聚丙烯94份、驻极母粒6份，按比例混合均匀，得到混合料；其中，驻极母粒的成分为60％的电气石，其余为载体材料，载体材料为熔融指数是1800g/min的熔喷级聚丙烯；
(2)混合料经螺杆挤出机熔融挤出成熔体，经计量泵后通过喷丝板喷出形成纤维，然后依次经过热风牵引、高压驻极处理后，在成网帘上形成熔喷法非织造布。其中：螺杆挤出机的加热温度为一区180℃，二区190℃，三区190℃，四区200℃，五区200℃，六区205℃，七区205℃，八区210℃，九区220℃，十区220℃；喷丝板的孔径为0.3mm；热风牵引中热风温度210℃，热风压力为0.5MPa；高压驻极处理选择压力为7万伏的高压静电发生器进行驻极处理。
将实施例1-5，对比例1-2制得的熔喷法非织造布进行性能比较试验，过滤效率按照标准EN149-2001进行测试，拉伸强度测试按照标准FZT 64078-2019进行测试，结果如下表1所示：其中老化条件为(70±3)℃保持24小时，(-30±3)℃保持24小时为一个循环条件，共老化50个循环。
表1各实施例和对比例制得的产品的性能检测结果
从以上结果中可看出，本发明方法制备的产品具有更好的过滤效率，特别对于油性颗粒过滤效果的提高更为显著。实施例和对比例中表面接触角对比可看出，产品的水接触角从136提高至148，油接触角从亲水提高至115，本发明制备的熔喷法非织造布表现出更好的疏水、疏油性能，从而可以使熔喷法非织造布在保存或使用过程中，防止水汽和油污的附着，从而防止表面湿气导致熔喷法非织造布上电荷的流失，同时也一定程度实现了机械阻挡，防止水性和油性物质的布朗扩散，双重作用显著提高熔喷法非织造布的过滤效果。同时本发明制备的熔喷法非织造布具有更好的滤效，且老化后滤效保持良好。可用于制备高性能熔喷法非织造布，具有广阔的市场应用价值。
Claims (10)
1.一种具有高效过滤性能的熔喷法非织造布材料，其特征在于：由以下组分按重量份组成：聚丙烯89-99.45份，含Si驻极母粒0.5-10份，氟化物0.05-1份；所述含Si驻极母粒包含SiO2、驻极材料和载体材料，其中SiO2的质量分数为1-10％。
2.根据权利要求1所述的熔喷法非织造布材料，其特征在于：所述聚丙烯为熔喷级聚丙烯，其在230℃，2.16kg条件下熔融指数为800g/10min-2200g/10min。
3.根据权利要求1所述的熔喷法非织造布材料，其特征在于：所述驻极材料包括电气石、MgTiO3、硬脂酸盐、钛酸盐、POSS基材料、蜂蜡、松香中的至少一种；所述载体材料为熔喷级聚丙烯，其在230℃，2.16kg条件下熔融指数为800g/10min-2200g/10min。
4.根据权利要求3所述的熔喷法非织造布材料，其特征在于：所述含Si驻极母粒中驻极材料的质量分数为30-80％。
5.根据权利要求1所述的熔喷法非织造布材料，其特征在于：所述氟化物为无机氟化物、有机氟化物或含氟聚合物中的至少一种。
6.如权利要求1-5任一项所述的熔喷法非织造布材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按配比分别称取聚丙烯、含Si驻极母粒、氟化物后，混合均匀，得到混合料；
(2)混合料经螺杆挤出机熔融挤出成熔体，所述的熔体在管道中恒温，经计量泵后通过喷丝板喷出形成纤维，然后依次经过热风牵引、驻极处理后，在成网帘上形成熔喷法非织造布。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述螺杆挤出机的加热温度为160-280℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述喷丝板的孔径为0.1-0.4mm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述热风牵引的温度130-320℃，压力为0.07-0.8Mpa。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述驻极处理的压力为4-8万伏。
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