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聚丙烯熔噴無紡布的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用
方麗莉,李永貴,麻文效
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摘要
近年來,隨著呼吸道傳染病毒(如埃博拉病毒、SARS病毒等)的大肆橫行,公共衛(wèi)生問題受到各界的重視[1]。特別是2020年,新型冠狀病毒在全球傳播,對人類生命構(gòu)成巨大威脅,醫(yī)用口罩、防護(hù)服等成為防止病毒傳播、保護(hù)人群健康的重要防護(hù)裝備。不同用途或級別的防護(hù)口罩與服裝采用的材料和制備方法不同,作為最高級別的醫(yī)用防護(hù)口罩(如N95)和防護(hù)服,采用3～5層無紡布復(fù)合而成,即SMS或SMMMS組合。這些防護(hù)用品里面重要的就是阻隔層,即熔噴無紡布層M(MelTbown),該層的纖維直徑比較細(xì),為2～3μm,它對防止細(xì)菌和血液的滲透起著至關(guān)重要的作用[2-3]。該超細(xì)纖維布表現(xiàn)出良好的過濾性、透氣性和吸附性,因此被廣泛應(yīng)用于過濾材料、保暖材料、醫(yī)用衛(wèi)生等領(lǐng)域[4]。在突發(fā)性公共衛(wèi)生事件的誘導(dǎo)下,國內(nèi)外聚丙烯熔噴無紡布技術(shù)飛速發(fā)展[5]。文中系統(tǒng)闡述了聚丙烯熔噴無紡布發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用,為深入研究該類產(chǎn)品提供參考。包裝無紡布
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聚丙烯熔噴無紡布生產(chǎn)技術(shù)
1.1熔噴無紡布生產(chǎn)工藝
熔噴無紡布生產(chǎn)流程[6-9]一般是高聚物樹脂切片的喂入→熔融擠出→熔體雜質(zhì)過濾→計量泵精確計量→噴絲→成網(wǎng)→切邊卷繞→產(chǎn)品后加工。熔噴工藝原理是將聚合物熔體從模頭噴絲孔擠出,形成熔體細(xì)流。同時,噴絲孔兩側(cè)的高速高溫氣流對熔體細(xì)流進(jìn)行噴吹與拉伸,從而細(xì)化成細(xì)度只有1～5μm[10]的細(xì)絲,而后這些細(xì)絲被熱氣流拉斷為45mm左右的短纖維。為防止熱氣流將短纖吹散,設(shè)置真空抽吸裝置(在凝網(wǎng)簾下方),以均勻收集高速熱風(fēng)拉伸形成的超細(xì)纖維。最后,它依靠自黏制成熔噴無紡布[11]。包裝無紡布
1.2 主要工藝參數(shù)
1.2.1聚合物原料的性質(zhì)
包括樹脂原料的流變性能、灰分、相對分子質(zhì)量分布等。其中,原料的流變性能是最重要的指標(biāo),常用熔融指數(shù)(MFI)表示。MFI越大,該材料的熔體流動性越好,反之越差。樹脂原料的分子量越低,MFI越高,熔體黏度越低,越適合牽伸不良的熔噴工藝。對聚丙烯來說,要求MFI在400～1800g／10mIN范圍內(nèi)。
1.2.2在線工藝參數(shù)
在熔噴生產(chǎn)過程中,按照原料和產(chǎn)品的需求調(diào)節(jié)的參數(shù),主要有：
(1)熔體擠出量當(dāng)溫度恒定,擠出量增大,熔噴無紡布定量增加,強度相對提高(到達(dá)峰值后減小)。其與纖維直徑成線性增加[12]的關(guān)系,擠出量過多,纖維直徑增大,根數(shù)減少且強度下降,黏合部位減少,引起并絲,故無紡布相對強力下降[13]。
(2)螺桿各區(qū)溫度它不僅關(guān)系到紡絲過程的順利與否,而且影響到產(chǎn)品的外觀、手感和性能。溫度過高,會出現(xiàn)SHOT塊狀聚合物,布面疵點增多,斷纖維增加,出現(xiàn)飛花。溫度設(shè)置不當(dāng)會導(dǎo)致噴頭堵塞、噴絲孔磨損,損壞設(shè)備。包裝無紡布
(3)拉伸熱空氣溫度拉伸熱空氣溫度一般用熱空氣速度(壓力)表示,對纖維的細(xì)度產(chǎn)生直接影響。在其他參數(shù)相同的情況下,增大熱空氣速度,纖維變細(xì),纖維間結(jié)點增大,受力均勻,強力增大,無紡布手感變得柔軟光滑。但速度過大,易出現(xiàn)飛花,影響無紡布外觀；降低速度,孔隙率增加,濾阻減小,但濾效變差[14-15]。需要注意的是,熱空氣溫度要與熔體溫度相近,否則會產(chǎn)生氣流,損壞箱體[16]。
(4)熔體溫度熔體溫度也叫熔噴模頭溫度,與熔體流動性息息相關(guān)。溫度升高,熔體流動性變好,黏度降低,纖維變細(xì)且均勻性變好。但黏度不是越低越好,黏度過低,會造成過度牽伸,纖維易斷,形成超短超細(xì)纖維飛散在空中無法收集。
(5)接收距離接收距離(DCD)是指噴絲板與成網(wǎng)簾之間的距離,該參數(shù)對纖網(wǎng)的強力影響尤為顯著。DCD增加,強度和抗彎剛度下降,纖維直徑減小,黏結(jié)點減少,所以,無紡布柔軟蓬松,其透氣率增加,濾阻和濾效降低[17]。當(dāng)距離過大,纖維受熱空氣氣流的牽伸減小,在牽伸過程中纖維之間會發(fā)生纏結(jié),造成并絲；當(dāng)接收距離過小,纖維無法完全冷卻,引起并絲,無紡布強力下降,脆性增大[18-19]。包裝無紡布
1.2.3離線工藝參數(shù)只能在設(shè)備不工作的時候調(diào)節(jié)的參數(shù),如噴絲孔的直徑(φ)、熱空氣噴射角度(α)等。φ小有利于噴出超細(xì)纖維,但孔徑小加工困難。α是指氣流與模頭底面的夾角。在噴絲孔軸線區(qū)域,氣流速度高,對熔體牽伸有利[20]。α越大,氣流在噴絲孔軸線上的分量就越大,理論上80°和60°產(chǎn)生的牽伸效果相近,但是80°夾角在機械結(jié)構(gòu)上存在較大的阻礙,因此,在實際生產(chǎn)過程中采用的是60°的夾角[21-22]。
國內(nèi)外聚丙烯熔噴技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r包裝無紡布
2.1聚丙烯熔噴料專用料的制備
由于熔噴無紡布工藝具有特殊性,作為其專用的聚丙烯料,需要滿足3點要求：高M(jìn)FI、較窄的相對分子質(zhì)量分布、較低的灰分[23]。傳統(tǒng)聚丙烯原料的MFI不能滿足熔噴工藝的要求,因此需要將聚丙烯原料轉(zhuǎn)為熔噴專用聚丙烯料,才能生產(chǎn)出合格的超細(xì)纖維布。目前,獲得高M(jìn)FI聚丙烯的方法主要有化學(xué)降解法和加氫控制法。
(1) 化學(xué)降解法
添加有機過氧化物是均聚聚丙烯顆?；瘜W(xué)降解的主要方法。其降解機理分為三步：一是螺桿擠出機內(nèi)的高溫,使過氧化物分解,產(chǎn)生自由基；二是自由基攻擊聚丙烯鏈上的-CH2-基團,使其失去H原子；三是聚丙烯自由基的分子鏈斷裂,聚合物完成降解,分子量降低,MFI提高[24]。包裝無紡布
(2) 加氫控制法
在聚合過程中加入氫氣,通過控制氫氣的量來調(diào)節(jié)聚丙烯的熔體流動速率。該方法只能夠在一定范圍內(nèi)控制聚丙烯分子量,且分子量分布較寬[25],對MFI的調(diào)節(jié)范圍也很有限。聚丙烯MFI超過30g/10Min后,生產(chǎn)變得困難,對熔噴產(chǎn)品性能影響大,因此,沒有被廣泛應(yīng)用。2020年5月,燕山石化股份有限公司采用氫調(diào)法新技術(shù)生產(chǎn)聚丙烯熔噴專用粒料,并試制成功[26],其濾效高于97％,可用于制作N95等高級口罩。
2.2 聚丙烯熔噴布工藝的發(fā)展
熔噴工藝作為起源較早的非織造布生產(chǎn)工藝,是20世紀(jì)50年代由美國海軍研制成功的。隨后,美國Exxo公司和AccurATe公司進(jìn)一步研究該技術(shù),聯(lián)手制造出了第一臺熔噴無紡布機組,20世紀(jì)70年代末,Exxo公司將該技術(shù)轉(zhuǎn)讓給民用。各大公司基于此基礎(chǔ)進(jìn)行研究并取得專利,如美國JMI公司對常規(guī)熔噴模頭進(jìn)行改進(jìn),通過模頭并列裝置使模頭更換速度加快,節(jié)省了生產(chǎn)線模頭替換的時間；美國BiAx公司為了提高生產(chǎn)效率,研制了熔噴模頭多排噴絲孔的結(jié)構(gòu)；日本Chisso公司首次研發(fā)了雙組分共軛纖維熔噴纖網(wǎng)以及海島纖維熔噴纖網(wǎng)的設(shè)備[27]；德國LevenhAus-en公司對熔噴模頭進(jìn)行改良,使其生產(chǎn)效率高,且產(chǎn)品性能優(yōu)異。熔噴法無紡布因此得到飛速發(fā)展,一躍成為無紡布的第二大生產(chǎn)方法。包裝無紡布
國內(nèi)早在20世紀(jì)50年代末就開始了熔噴技術(shù)的研究。20世紀(jì)90年代初,北京化工研究所、中國紡織大學(xué)等設(shè)計的熔噴模頭,在國內(nèi)生產(chǎn)了近百臺[28]。而后,安徽奧宏等企業(yè)先后引進(jìn)5條連續(xù)熔噴生產(chǎn)線,打開了我國熔噴市場新局面。當(dāng)時國內(nèi)熔噴無紡布主要的應(yīng)用領(lǐng)域是電池隔板、吸油材料、過濾材料等,但由于市場的限制,發(fā)展緩慢。近十年,隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展,環(huán)境保護(hù)意識的增強,我國熔噴技術(shù)得到高速發(fā)展,熔噴生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)能完全實現(xiàn)國產(chǎn)化[29]。
2.3聚丙烯熔噴無紡布制備新技術(shù)
熔噴工藝的新技術(shù)研究主要有幾點：
(1)聚丙烯原料改性技術(shù)
通過在等規(guī)聚丙烯粒料中添加有機物或無機物,對其進(jìn)行改性,提高駐極電荷的穩(wěn)定性以及熔噴布的過濾性。劉妙崢[30]將聚四氟乙烯作為駐極添加劑,與聚丙烯進(jìn)行雜化處理,制成PTFE／PP熔噴無紡布,當(dāng)PEFE添加量為0.1％,改性復(fù)合熔噴濾料的濾效可達(dá)81.2％；未改性時,濾效僅為68.2％。ZHANG等[31]通過在聚丙烯粒料中添加增能助劑,制得的改性聚丙烯熔噴濾料濾效可達(dá)99.2％(克重40g/m2),濾阻僅為92PA,可滿足防護(hù)口罩的呼吸需求。采用添加助劑的方式對聚丙烯改性,可有效提高防疫防護(hù)紡織品的濾效及駐極體的穩(wěn)定性。包裝無紡布
(2)駐極處理技術(shù)駐極
處理可使纖維帶上持久電荷,在濾阻不變的情況下,極大提高熔噴布的過濾效率。電暈駐極是最常見的駐極技術(shù),駐極電壓較高、時間較長、電極之間距離較小的駐極效果好[32]。但電駐極產(chǎn)生的駐極體數(shù)量有限且不穩(wěn)定,駐極效果不夠理想。隨著科技發(fā)展,水駐極熔噴布法作為新穎的駐極技術(shù)出現(xiàn),其原理為：高壓水泵配制的超純水從扇形噴嘴噴出,噴射在熔噴布的一面,摩擦產(chǎn)生的靜電荷沉積在熔噴纖維中。水駐極技術(shù)能使熔噴布做到低阻(81.6PA)、高效(94.98％),且保持時間長[33]。張星等最新研究成果表明,水刺駐極處理聚丙烯針刺非織造材料,濾效由48.7％提升至85.6％。駐極處理作為熔噴工藝中不可或缺的技術(shù),應(yīng)研究多重駐極處理技術(shù),為提高熔噴布的濾效和綜合性能提供技術(shù)支撐。
(3)納米熔噴纖維技術(shù)
納米熔噴纖維[34]是突破ExxoN專利技術(shù)而研發(fā)的納米級別纖維,相對于傳統(tǒng)熔噴纖維,纖維直徑小,比表面積大。NIT公司通過改良噴絲孔結(jié)構(gòu),使噴絲孔直徑達(dá)63.5μm,可紡制直徑為200～500Nm的纖維；RieTer公司研制了一種單模頭熔噴納米纖維設(shè)備,單纖直徑為500Nm[35]；Hills公司在該技術(shù)上也取得了很大的進(jìn)展,制得的熔噴納米纖網(wǎng)的單纖直徑可小于250Nm,90％以上的纖維直徑在50～400Nm之間。盡管國外已經(jīng)有關(guān)于納米熔噴技術(shù)的研究,但迄今對該技術(shù)仍缺乏系統(tǒng)的理論分析與研究,國內(nèi)在納米熔噴纖維技術(shù)領(lǐng)域研究甚少[36]。包裝無紡布
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聚丙烯熔噴無紡布的特點及應(yīng)用
等規(guī)聚丙烯纖維具有原料豐富、強度高、質(zhì)輕、耐化學(xué)性好、抗蟲蛀和霉菌、沾污性和污染性較小等優(yōu)良特性[37]。聚丙烯熔噴布中的纖維排列不規(guī)則、雜亂,該結(jié)構(gòu)使比表面積更大、孔徑更小,因此具有比其他無紡布更好的過濾性和容塵量,廣泛應(yīng)用于過濾材料領(lǐng)域；其無紡布含有大量微細(xì)孔隙及優(yōu)良的親油性,使其在吸油材料領(lǐng)域被大量應(yīng)用。另外,由于聚丙烯熔噴無紡布優(yōu)異的再加工性能,使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,如醫(yī)用防護(hù)、隔音材料、保暖材料、電池隔膜等。
3.1 醫(yī)用防護(hù)
醫(yī)用防護(hù)是聚丙烯熔噴無紡布的一個主要應(yīng)用領(lǐng)域,隨著人們對健康防護(hù)有了更高的要求,其在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的地位與日俱增。近些年,將熔噴無紡布與紡黏無紡布復(fù)合,具有強度高、手感好、高效低阻的特點。用其制成醫(yī)用口罩,一般是SMS復(fù)合。S層主要是為復(fù)合無紡布提供強力支撐的紡黏層,外S層由經(jīng)過防水處理的聚丙烯無紡布制成,主要用于阻擋帶病毒的液滴和較大顆粒粉塵；內(nèi)S層為普通聚丙烯紡黏無紡布,主要起到吸濕作用。M為聚丙烯熔噴無紡布層,經(jīng)駐極處理,能夠阻隔病毒、過濾細(xì)菌懸浮顆粒,濾效高于95％,呼吸阻力小,是疫情爆發(fā)時期最重要的防護(hù)用材料[38]。包裝無紡布
3.2 保暖材料
聚丙烯纖維比表面積大、孔徑小且孔隙率高,該纖維結(jié)構(gòu)能夠貯存大量空氣,有效防止熱量散失,保暖性和透氣性好；質(zhì)量輕、手感柔軟卻沒有單薄感,是理想的保暖材料。美國3M公司開發(fā)的熔噴保暖絮材,將粗旦滌綸三維卷曲纖維加入到丙綸熔噴纖維中(含量為35％),增加了無紡布的蓬松度。據(jù)報道,該熔噴產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是仿羽絨的,保暖性比羽絨高1.5倍[39]。
3.3 吸油材料
聚丙烯纖維具有很好的親油性,吸濕性差,且不溶于油類和強酸強堿的化學(xué)性質(zhì),是一種高效且無污染的新型吸油材料。質(zhì)輕,吸油后,仍可長時間飄浮在水面不變形；是非極性材料,其吸油量可以達(dá)到本身重量的幾十倍；無毒害,水油置換好,可重復(fù)多次使用；用燃燒法處理聚丙烯熔噴布不產(chǎn)生有毒氣體,能夠完全燃燒且放出大量的熱量,僅有0.02％的灰燼剩余[40]。
目前,聚丙烯熔噴吸油材料在環(huán)保及油水分離工程、海洋溢油等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。李峰等[41]將制備的苯乙烯、甲基丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸酯3種單體的高吸油樹脂材料與聚丙烯粒料進(jìn)行復(fù)合熔噴,制得的復(fù)合聚丙烯熔噴材料具有吸油倍數(shù)較高、保油率好、吸水率低的特點。包裝無紡布
3.4 過濾材料
濾料是聚丙烯熔噴無紡布最早的應(yīng)用領(lǐng)域,其纖維直徑小于5μm,極適合用作空氣過濾材料。尤其是經(jīng)過電駐極處理的熔噴材料,具有結(jié)構(gòu)蓬松、孔隙率大、容塵量大、呼吸阻力小、過濾效率高的特點[42]。在亞高效、高效低阻、普通家用空調(diào)、電子制造等過濾材料中有著廣泛的應(yīng)用。聚丙烯熔噴材料還可用在液體過濾中,能過濾0.22～10μm的顆粒,如血液輸送時的血液中白細(xì)胞的過濾[43]。
結(jié)語
作為一種重要的材料,聚丙烯熔噴無紡布具有良好的市場前景,尚需繼續(xù)加大研發(fā)力度,提高性能,降低成本。未來的研究重點主要有3個方面。(1)聚合物的改性繼續(xù)優(yōu)化聚丙烯樹脂的改性技術(shù),提高聚丙烯熔噴布的性能,如強力、韌性等。(2)設(shè)備的改進(jìn)改進(jìn)熔噴模頭,紡出均勻度更好、韌性更強、直徑更小的的纖維。(3)技術(shù)的結(jié)合將熔噴技術(shù)與其他紡絲技術(shù)相結(jié)合,制備出性能更加優(yōu)異的復(fù)合型熔噴材料。包裝無紡布
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素材來源 | 進(jìn)展與評述包裝無紡布
本期編輯 | 豐云瑤包裝無紡布
技術(shù)顧問 | 于捷博士包裝無紡布
文章審核 | 張娜包裝無紡布
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