水驻极聚丙烯熔喷非织造材料的制备及其带电特性分析

吴燕金，王 江，王 洪

(东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

熔喷非织造材料作为口罩的“心脏”，起到主要的过滤作用。熔喷非织造布材料的过滤机制分为2种：机械过滤和静电吸附。携带病毒的飞沫或粉尘的颗粒直径在0.3 μm左右，很难仅仅通过物理机械作用将其过滤[1-2]，而驻极工艺可使熔喷非织造材料在气阻较低情况下，过滤0.1～0.4 μm之间的颗粒[3]。目前电晕放电法使用范围最广，相关研究较多，但所得材料电荷密度横向均匀性差，易受环境影响，在长期储存过程中，熔喷非织造材料所带电荷会逐渐消失，从而引起口罩过滤效率的下降[4]。而利用水驻极工艺生产的聚丙烯熔喷非织造材料具有高效低阻，过滤效率稳定性好等优点，近年来受到众多企业的欢迎。

水驻极技术利用高压水泵，对纯水进行加压，由喷嘴形成扇形水雾，对熔喷非织造材料表面喷射，使材料带上驻极电荷[5]。美国3M等公司的专利中介绍了利用液体和聚合物材料制造驻极纤维网的方法，并在具体实施案例中探究了不同水压和聚合物材料对驻极纤维网过滤效率的影响，这也是水驻极技术的起源[6-8]。Kyung等[9]研究了熔喷非织造材料的面密度和驻极隔距对驻极材料过滤阻力和过滤效率的影响；姬苏倩等[10]探究了容尘实验前后水驻极聚丙烯熔喷非织造布的形貌特征与过滤性能。目前关于水驻极技术的工艺和机制的研究较少，例如水质和烘燥温度等重要的工艺参数对水驻极的影响以及水驻极熔喷非织造材料的带电过程等问题还需要深入了解。

综上所述，本文制备了水驻极聚丙烯熔喷非织造材料，探究水质、烘燥温度对驻极效果的影响，分析水驻极熔喷非织造材料的带电特性，为深入了解水驻极技术提供参考。

1 实验部分

1.1 试样制备

将Argutec DIV PP型水驻极母粒(青岛方达化工有限公司)与S204型聚丙烯树脂(密度为900 kg/m3,上海赛科石油化工有限公司)混合后熔喷成形，得到聚丙烯熔喷非织造材料。材料的面密度为42.5 g/m2，厚度为0.42 mm，透气率为259.0 mm/s，初始过滤效率为37.5%，接触角为139.3°。

水驻极工艺如图1所示。用动力喷雾机将水加压后从扇形喷嘴喷出，水射流垂直喷射到水平运动的聚丙烯熔喷非织造材料上，对材料两面进行水驻极，经热风烘箱烘干后，得到水驻极熔喷非织造材料。为得到水驻极效果较好的聚丙烯熔喷非织造材料，经过多次预实验，确定实验采用的驻极隔距为16.5 cm，网帘运动速度为0.2 m/min，水射流流速为1.46 L/min，水压约0.3 MPa。

图1 驻极工艺示意图

分别用纯水、去离子水、0.05% Na2CO3溶液和自来水4种水质进行水驻极，制备水驻极熔喷非织造材料，探究不同水质对材料驻极效果的影响。

用纯水对聚丙烯熔喷非织造材料进行水驻极，分别制备在110、130和150 ℃下热风烘燥2 min的样品，探究烘燥温度对样品过滤性能的影响。

1.2 测试方法

1.2.1 面密度

剪取5个10 cm×10 cm规格的样品，用ME204E型电子天平(梅特勒-托利多集团)称取每个试样的质量，计算试样的平均面密度。

1.2.2 厚 度

用YG141N型数字式织物厚度仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)测量样品的厚度，测试压力为200 cN，测试时间为10 s，取10个有效数据计算样品平均厚度。

1.2.3 透气率

用YG461G型全自动透气量仪(宁波纺织仪器厂)测试样品透气率，采用定压力测试方式，测试面积为20 cm2，测试压力为200 Pa，取10个测试结果的平均值为样品透气率。

1.2.4 电导率

采用FE38-Meter型电导率仪(梅特勒-托利多集团)测试液体的电导率，将电极浸没在液体中，仪器自动读数，测试多次取平均值。

1.2.5 过滤效率

用TSI8130型自动滤料测试仪(美国TSI公司)，采用盐性NaCl气溶胶颗粒，根据GB/T 2626—2019《呼吸防护 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》，用85 L/min检测流量，颗粒物直径为 0.26 μm 的NaCl气溶胶为检测介质，测试材料过滤效率。

1.2.6 纤维表面静电势

用MFP-3D型原子力显微镜(牛津仪器)对材料中单纤维表面静电势进行测定。在表面电势显微镜(SPM)模式下，选用弹簧常数为2 N/m的OMCL导电探针，抬起高度为200 nm，共振振幅为2 V，在微纳米尺度上测量材料表面电势。

1.2.7 熔喷材料表面静电势

采用Model542A型静电电位测试仪(美国TREK公司)测量材料表面静电势。在距样品表面15 mm 处，用探头测试样品不同位置的表面静电势，结果稳定后读取数据。测试时，在样品表面每隔5 cm取1个点，依次标记序号，作出表面静电势分布图。

2 讨论与分析

2.1 液体电导率对水驻极效果的影响

目前使用的水驻极技术需要纯水进行工业生产，对水质要求较高。在绝大部分的水质监测中，电导率是最基本和重要的参数之一[11]，因此本文以材料电导率作为衡量水质的指标。电导率越小，水的导电性能越弱，离子浓度越低。利用不同水质制备的熔喷非织造材料的过滤效率如表1所示。

表1 利用不同水质制备的熔喷非织造材料的过滤效率

由表1可知，采用电导率越小的液体进行水驻极，聚丙烯熔喷非织造材料的过滤效率越高。实验使用的聚丙烯熔喷非织造材料的接触角为139.3°，具有很好的疏水性。Kudin等[12]报道了水中的OH-和H+在疏水界面附近的动力学模拟结果，由于水分子电荷分布的不对称性，OH-和H+对疏水界面有很强的亲和力。而水中其他离子的种类与含量可能会影响水驻极时固-液摩擦起电的过程，屏蔽水与聚丙烯纤维之间的直接相互作用，离子强度越大，屏蔽作用越明显。因此，液体的电导率越小，水和纤维摩擦产生的电荷量越多，材料的静电吸附效果越好。为得到高过滤效率的熔喷非织造材料，应采用电导率小的纯水进行水驻极。

2.2 烘燥温度对样品过滤性能的影响

水驻极后，被打湿的熔喷非织造材料还需要进行烘燥处理。用纯水对聚丙烯熔喷非织造材料进行水驻极，分别在110、130和150 ℃下热风烘燥2 min制得样品，探究烘燥温度对样品过滤性能的影响。测试不同烘燥温度所得熔喷非织造材料的面密度、厚度和透气率。为进行对比，同时测试了室温晾干样品的面密度、厚度和透气率，结果见表2。

可以看出，随着热风烘燥温度的升高，水驻极熔喷非织造材料的面密度、厚度和透气性的变化并不明显，与原始样品和自然晾干样品的性能相差不大，而这3种性能直接决定熔喷非织造材料的机械过滤效果，因此常见的烘燥温度不会影响水驻极材料的机械过滤效果。

表3示出不同烘燥温度和水驻极熔喷非织造材料过滤性能间的关系，同时给出了水驻极熔喷非织造材料在室温(25 ℃)下自然晾干的过滤性能。

未进行驻极的原始样品过滤效率只有37.6%，但经过水驻极后，由表3可以看出，几种样品的过滤效率大幅度提升，皆为96%左右。同时，几种样品的过滤阻力差别不大，均在120 Pa左右。不同烘燥温度处理样品的过滤性能同自然晾干样品的过滤性能差别不大。由此可见，水驻极熔喷非织造材料能利用驻极电荷的颗粒吸附能力，达到高效低阻的效果。除此之外，水驻极熔喷非织造材料中的电荷较稳定，不会因为烘燥而衰减。

2.3 水驻极样品带电特性

材料的过滤性能由机械过滤和静电吸附效果共同决定。材料的带电特性会影响静电吸附效果，从而影响水驻极熔喷非织造材料的过滤性能。为探究水驻极聚丙烯熔喷非织造材料的带电特性，分别采用原子力显微镜和静电电位测试仪测试样品的表面静电势。图2示出利用150 ℃热风烘燥样品的纤维表面静电势分布图。

图2 单根纤维表面电势分布图

由图2可以看出，在2 μm×2 μm的尺寸范围内，样品表面同时呈现出正电势和负电势。也就是说，水驻极熔喷非织造材料的单根纤维表面电势呈正负随机分布。

图3示出利用静电电位测试仪测得的水驻极熔喷非织造材料正反两面的表面静电势。可以看出，材料正反两面的静电势皆呈正负随机分布。

图3 水驻极熔喷非织造材料表面电势分布

水驻极熔喷非织造材料由多层纤网组成，为进一步探究材料带电特性，分别将材料剥去1层和2层纤维网，然后测试其表面静电势，并与原始样品的表面静电势进行对比，结果如图4所示。

图4 水驻极熔喷非织造材料分层电势分布图

由图4可见，分别剥去1层和2层纤网之后，材料表面静电势分布均发生明显变化。与原始样品的表面静电势相比：剥去1层纤网的水驻极聚丙烯熔喷非织造材料在大多数位置呈电正性，多数位置的表面静电势绝对值比较大；剥去2层纤网的材料表面在大多数位置呈负电势分布且静电势绝对值较原始样品大。可以认为，样品表面静电势是材料各层纤网正负静电势相互中和后的净电势值，并且不同纤网的正电势或负电势大小各不相同。

通过微观和宏观2个尺度上的表面静电势测试证实，水驻极处理使熔喷非织造材料各个位置带上大小不同的正电荷或负电荷，在过滤时可对不同电性的颗粒产生良好的静电吸附效应，从而赋予材料更高的过滤效率。

2.4 熔喷非织造材料带电和过滤性能

电晕充电法的原理[13]是非均匀电场引起空气的局部击穿，电晕放电产生离子束轰击电介质并使电荷沉积在材料表面，是熔喷非织造材料广泛采用的驻极方法。水驻极技术利用水和带有水驻极母粒的聚丙烯熔喷非织造材料进行摩擦对材料进行驻极。电晕充电法与水驻极技术都可以使材料带上电荷，为探究电晕充电与水驻极是否具有协同效应，对添加了水驻极母粒的聚丙烯熔喷非织造材料分别进行电晕充电处理、水驻极处理、水驻极后再进行水驻极处理和电晕充电后再进行水驻极处理，制得的4种材料的过滤效率如表4所示。

结果发现，经过水驻极二次处理后，水驻极聚丙烯熔喷非织造材料的过滤效率相差不大，都在96%左右，而电晕充电聚丙烯熔喷非织造材料的过滤效率由92.2%降低至68.9%。因此，水驻极熔喷非织造材料的电荷受环境温湿度影响较电晕充电熔喷非织造材料小，电荷稳定性更好。实验结果也说明水驻极和电晕充电之间并未存在协同效应。

进一步测试水驻极二次处理前后电晕充电熔喷非织造材料的表面静电势，结果如图5、6所示。对比分析可以发现，经过水驻极处理后的电晕充电熔喷非织造材料的表面静电势大幅度下降，对颗粒物的静电吸附能力减弱，因此过滤效率也随之大幅下降。这是由于电晕充电法产生的电荷只能够在材料表面和近表面上积累，电荷稳定性受环境温度和湿度影响[14]。在水驻极过程中，电晕充电熔喷非织造材料表面和水分子不断接触，纤维表面吸附了水分子后会产生导电性，使表面电荷向大气传递[15]，而烘燥的温度也会造成表面电荷的进一步消失，因此电晕充电驻极与水驻极之间并没有协同效应。

图5 电晕充电熔喷非织造材料表面电势分布图

图6 水驻极后的电晕充电熔喷非织造材料表面电势分布图

2.5 熔喷非织造材料带电过程分析

水驻极与常见的电晕充电之间没有协同作用，二者使材料带上驻极电荷的原理也不相同。基于固-液摩擦起电机制与上文实验结论可以推测，水驻极聚丙烯熔喷非织造材料带电过程如图7所示。纯水与管道和空气的摩擦会成为带正电、负电或者中性的雾状水滴[16]。在水驻极过程中，雾状水滴在喷射力和真空抽吸力的作用下，高速通过纤维网，和内外层纤维间相互生摩擦而发生电子转移和离子转移等反应[17-18]，从而使纤维表面带上不同类型的电荷。电荷间激发的电场相互叠加，使水驻极熔喷非织造材料在宏观上表现为正负和大小随机分布的表面静电势。

图7 水驻极机制示意图

3 结 论

本文在实验室模拟水驻极装置上探究了水质和干燥条件对驻极效果的影响；通过对电晕充电熔喷非织造材料进行水驻极处理，探究二者之间是否存在协同效应；在固-液摩擦起电机制和实验研究的基础上，得出如下结论：

1)用纯水、去离子水、Na2CO3溶液和自来水4种水溶液进行水驻极发现，液体电导率越小，所得水驻极熔喷非织造材料的过滤效率越高。

2)常规热风烘燥温度对水驻极熔喷非织造材料的过滤性能影响不大。经过水驻极处理后，电晕充电熔喷非织造材料的过滤效率明显下降，电晕充电与水驻极之间没有协同效应。

3)水驻极使熔喷非织造材料带上大量随机分布的正电荷与负电荷，材料表面静电势是各层纤网正负静电势叠加的结果，不能直观反映材料内部电场强度。

4)在水驻极过程中，纯水与管道和空气摩擦成为带正电、负电或者中性的雾状水滴，在喷射力和抽吸装置的作用下，与熔喷非织造材料的内外层纤维间相互摩擦，使纤维表面发生电子转移和/或离子转移而带上随机分布的正、负电荷。电荷间激发的电场相互叠加，使水驻极熔喷非织造材料在宏观上表现为正负和大小随机分布的表面静电势。