驻极修饰聚丙烯熔喷专用料的制备及性能

康少冉 李志健 吴海伟 韦海茹 刘钰维

(陕西科技大学轻工科学与工程学院，陕西 西安，710021)

医用口罩能够阻挡大部分的细菌和病毒，其结构一般由最外层的无纺布、中间层熔喷布和里层的无纺布组成，其中，中间层的熔喷布是口罩的核心，起到阻挡病毒和细菌的效果[1]。熔喷布是以高熔体流动速率(MFR)的聚丙烯(PP)为原料，在熔喷布螺杆机中高温熔融后，在高速热气流的牵引作用下经喷丝板实现熔融喷丝，所形成的细丝纤维直径可达0.5～2.0 μm。然而仅就熔喷布而言，由于喷丝孔直径、加工工艺等限制，很难达到90%以上的过滤效率，因此,需要增加驻极功能来提高熔喷布的过滤效率[2]。

常规的驻极修饰熔喷布是通过在熔喷布生产过程中向熔喷PP中掺加驻极母粒来实现熔喷布的驻极处理效果，然而由于熔喷布机的螺杆长径比短，掺加的驻极母粒通常无法实现与熔喷PP的均匀融合，导致所产熔喷布过滤效率不均匀，出现局部甚至大部分的过滤效率不达标的问题。利用高长径比(长径比56∶1)的双螺杆挤出机在熔喷料制备过程中直接对熔喷PP进行驻极修饰，可实现对驻极体的有效分散，增强熔喷布的驻极修饰效果。此外,由于熔喷布机喷丝的工艺特点，熔喷布专用PP要求MFR达到1 800 g/10 min，而常规PP的MFR在30 g/10 min左右，通过对常规PP改性可以提高其MFR[3]，通过调节过氧化物和PP的质量比可以调节其MFR[4-8]。

下面以过氧化二苯甲酰为降解剂，添加复合型驻极处理剂，通过双螺杆挤出机熔融混炼制备了驻极修饰的PP熔喷专用料，探讨了熔喷料的加工工艺、驻极效果，并对熔喷料的应用加工过程进行了同步热分析。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

PP粒料，S2040H，陕西延长中煤榆林能源化工有限公司；PP粉料，040，中国石油克拉玛依石化分公司；过氧化二苯甲酰，淄博碧云化工有限公司；硬脂酸钙，东莞市汉维科技股份有限公司；复合抗氧剂，南京巴斯德化工有限公司；复合型驻极体处理剂，自制。

双螺杆挤出机，65，南京瑞亚挤出机械制造有限公司；蠕动泵，HT-2S，上海精密仪器仪表有限公司；熔体流动速率仪，6500，英斯特朗(上海)试验设备贸易有限公司；熔喷布试验生产线，HDRPB-1，宏大研究院有限公司；细菌过滤效率检测仪，PK0469，上海品魁机电科技有限公司；同步热测量仪，STA2500，耐驰(上海)机械仪器有限公司；场发射扫描电子显微镜(FESEM)，Quanta，赛默飞世尔科技(中国)有限公司。

1.2 材料制备

取一定质量的PP粉料、硬脂酸钙和复合抗氧剂，在高速混料机中搅拌共混5 min，将混合均匀的原料加入双螺杆挤出机中，同时向双螺杆挤出机中泵入过氧化二苯甲酰和复合型驻极体处理剂，进行熔融共混与降解，制得了驻极修饰熔喷PP专用料PPH-ZJY-1800。

1.3 测试与表征

MFR按照GB/T 30923—2014进行测试，测试温度230 ℃，负载2.16 kg，每个样品测试5次，取平均值。

细菌过滤效率按照YY 0469—2011进行测试，加点电压10 kV，流量30 L/min，压差18 Pa。

FESEM观察：电压1.0 KV。

同步热分析按照GB/T 33047—2021进行测试，氮气气氛，升温速率30 ℃/min，测试温度范围25～550 ℃。

2 结果与讨论

2.1 工艺参数对熔喷料MFR的影响

2.1.1 降解剂注入量的影响

表1为降解剂注入量对产品MFR的影响。

表1 降解剂注入量对产品MFR的影响

由表1可以看出，随着降解剂注入量的增加，产品的MFR不断升高，注入量20 mL/min时，产品的MFR达到1 845.21 g/10 min。

2.1.2 喂料量的影响

表2为喂料量对产品MFR的影响。

表2 喂料量对产品MFR的影响

由表2可以看出，产品的MFR随喂料量的增加而降低，这是由于降解剂的比例降低，导致PP分子链断裂的几率减少。喂料量55 kg/h为最佳值。

2.1.3 螺杆转速的影响

表3为螺杆转速对产品MFR的影响。

表3 螺杆转速对产品MFR的影响

由表3可以看出，随着螺杆转速提高，产品的MFR逐渐降低。这是由于随着螺杆转速提高，物料停留时间变短，降解剂反应不完全所导致[9-11]。最佳螺杆转速为320 r/min。

2.2 驻极效果

图1为PPH-ZJY-1800的FESEM形貌。

由图1可以看出，驻极粉体呈纳米级颗粒均匀分散在熔喷料中，从而保证了熔喷布较好的驻极效果[12]。

图2为过滤后熔喷布的FESEM形貌，表4为熔喷布的过滤效率。

表4 熔喷布过滤效率 %

由图2可以看出，熔喷布的纤维直径为0.5～2.0 μm，熔喷布对较大颗粒(如粉尘)的过滤主要靠纤维空隙之间的物理拦截，而对细小颗粒(如细菌、病毒等)则靠驻极体的静电吸附，从而保证了熔喷布的过滤效率。由表4可以看出，不带驻极修饰熔喷布对直径0.3 μm的颗粒物过滤效率仅为62.447%；驻极修饰熔喷布对直径0.3 μm的颗粒物过滤效率为96.185%。这是由于驻极修饰熔喷布在静电发生器的电晕放电作用下储存正电荷，而大多数病毒带负电荷，故可有效阻隔病毒。

2.3 同步热分析

图3为PPH-ZJY-1800和复合驻极体的同步热分析。

由图3可以看出，PPH-ZJY-1800在176.8 ℃处的峰为PP的熔融峰，在450 ℃处的峰为复合驻极体表面接枝改性聚合物的熔融峰；当温度为400～500 ℃时，样品发生分解：第一阶段失重48.95%，第二阶段失重47.30%，总计失重96.25%，对应于PPH-ZJY-1800中PP和其他助剂的降解失重，而驻极粉体除其表面接枝聚合物降解失重外，基本未发生降解。熔喷布的加工温度为200 ℃左右，远低于驻极粉体的降解温度，驻极粉体可以完整地保留在熔喷布中。

3 结论

a) 降解剂注入量为20 mL/min时，PP熔喷专用料的最佳制备工艺条件：螺杆转速320 r/min，喂料量55 kg/h。所得产品的MFR为1 802.48 g/10 min。

b) 制得的驻极修饰PP熔喷布可有效阻隔病毒，过滤效率96.185%。