驻极母粒的制备及其对熔喷材料结构与性能的影响研究

杨童童,陈海燕,李 娜,姜汇贤,刘 伟

(中国石化仪征化纤有限责任公司研究院,江苏仪征 211900)

熔喷非织造布由于纤维直径小、比表面积大、空隙率高、深层过滤性能高、空气通气阻力低以及加工性能良好,被认为是最具有前途的过滤材料,成为仅次于针刺法的第二大类非织造布滤材[1-3]。驻极体过滤材料利用纤维本身带电及对带电粉尘静电吸引的长库伦力作用捕获粉尘,增强了对微小粒子的捕获能力。聚丙烯(PP)熔喷驻极非织造材料融合了PP熔喷材料及驻极体的优点,具有突出的疏水性,热稳定性以及较高的电荷储存能力,越来越受到人们的关注,需求量与日俱增。同时,人们对过滤材料的过滤效率、过滤粒径、通气阻力、使用感受和使用寿命的要求也更为严格。驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料,已被广泛应用于高效低阻空气过滤材料领域。驻极母粒可以有效增加熔喷无纺布中电荷捕集能阱的密度和深度,提高熔喷无纺布的过滤效率和抗热衰减的性能,从而提高产品质量和使用寿命[4-6]。

为了解决过滤材料表面静电荷不稳定的问题,国内外科研人员进行了大量的探索与研究。有科研人员将无机或有机添加剂加入驻极体过滤材料中改善驻极体的带电能力,提高驻极体过滤材料的过滤性能[7-10]。但鲜有关于无机添加剂/PP共混和有机添加剂/PP共混的非织造材料的性能对比。

基于无机电气石和有机聚四氟乙烯(PTFE)可极化易带电的特性,本文采用电气石和PTFE分别与PP切片以一定比例混合造粒,经相同的熔喷成型工艺,结合电驻极工艺,获得不同的非织造材料,研究无机和有机驻极母粒的过滤性能以及非织造材料的表观形态、纤维直径、过滤性能及力学性能,全面研究电气石和PTFE的加入对聚丙烯熔喷材料的影响。

1 试 验

1.1 原料

PP,230 ℃,2.16 kg负荷下的熔融指数为1 500 g/10 min,燕山石油化工股份有限公司;电气石,粒径范围为100～500 nm,平均粒径为256 nm,密度为3.02～3.40 g/cm3,莫氏硬度为6.5～7.5,托玛琳有限责任公司;硬脂酸镁,白色粉末,熔点为200 ℃,山东中旺油脂有限公司;PTFE,超微粉,M-12型,粒径为0.197 μm,大金氟(中国)有限公司;抗氧剂1010,巴斯夫股份公司;抗氧剂168,巴斯夫股份公司。

1.2 仪器设备

双螺杆挤出机,SHJ36型,南京杰亚挤出装备有限公司;扫描电子显微镜,Nova NanoSEM 450型,FEI公司;颗粒物过滤效率测试仪,DR251XL2型,温州市大荣纺织仪器有限公司;万能材料拉伸试验机,5965型,美国INSTRO公司;熔喷试验装置,中国石化仪征化纤公司1-12K生产线;盘式磨粉机,MF-400型,张家港振邦机械厂;过滤性能测试仪,龙口市龙口华瑞机械厂。

1.3 试验过程

1.3.1 驻极母粒的制备

用共混造粒的方法,利用盘式磨粉机将纳米电气石粉末或PTFE粉末、添加剂和PP按一定比例混合均匀,样品材料的具体配比见表1。将混合好的物料加入双螺杆挤出机经过挤压、熔融、风冷、拉条、冷却,制成电气石驻极母粒或PTFE驻极母粒,双螺杆造粒的工艺参数如表2所示。

表1 驻极母粒原料配方

表2 双螺杆挤出机工艺参数

1.3.2 熔喷非织造材料的制备

将PP和制成的两种驻极母粒加入熔喷装置自动料仓,送入螺杆挤出机加热熔融后,流入预过滤器,滤去熔体内的杂质,然后流至计量泵,借计量泵的压力,将熔体从喷丝模头小孔口挤出,喷丝孔直径为0.3 mm,小孔两侧的高速热压缩空气将对喷丝板挤出的熔体进行热风高速牵伸,得到熔喷超细纤维,纤维经过短时间的冷却结晶,在凝网帘上聚集,得到熔喷非织造材料,熔喷非织造材料再经驻极处理(驻极丝放电)得到最终成品。熔喷工艺流程如图1所示,熔喷加工工艺参数如表3所示,所制得的过滤材料样品列于表4。

图1 熔喷非织造材料的制备工艺流程

表3 熔喷加工工艺参数

表4 焙喷非织造材料样品组成

1.4 分析测试

1.4.1 表面形貌分析

将非织造材料或粉末样品固定在样品座上,放入208HR离子溅射仪进行喷镀处理,经处理后的试样用扫描电子显微镜观察样品的形貌结构,扫描电子显微镜分辨率:高真空3.5 nm、4.5 nm,放大倍率:18～30万倍。

1.4.2 驻极母粒过滤性能分析

将以上制备的有机和无机驻极母粒样品和PP原料按不同比例混合均匀,混合得到的样品列于表5。将混合好的物料加入单螺杆挤出机经过挤压、熔融、过滤,通过滤网压力对驻极母粒样品进行过滤性能评价,过滤性能评价工艺参数如表6所示。

表5 过滤性能评价使用的样品组成

表6 过滤性能评价工艺参数

1.4.3 过滤效率与过滤阻力

参照GB 2626—2019《呼吸防护 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》,采用DR251XL2型颗粒物过滤效率测试仪,测量熔喷非织造材料的过滤效率和相应的气流阻力。本试验设定测试流量为(32±2)L/min。

1.4.4 力学性能分析

参照ISO 9073—18—2007I《纺织品 非织造布试验方法》对制备的熔喷非织造材料进行力学性能测试。将熔喷非织造材料制成尺寸为50 mm×200 mm的标准样条,用万能材料试验机在室温下对其力学性能进行测试,拉伸速度100 mm/min,每组试样取5次测试的平均值。

2 结果与讨论

2.1 驻极母粒中驻极添加剂分散性能

通过扫描电子显微镜观察电气石在母粒中的分散情况,纳米电气石在母粒中的分布状况如图2所示。纳米电气石在母粒中的分散比较均匀,未出现明显的团聚现象,不易造成喷丝孔堵塞。

(a):放大5 000倍;(b):放大10 000倍

2.2 驻极母粒过滤性能分析

有机和无机驻极母粒样品的过滤性能如图3所示。

图3 熔体过滤压力随时间变化图

由图3可知,纯PP原料与添加有机PTFE的PP混合材料过滤压力仅略有升高,添加电气石的驻极母粒与PP混合材料的过滤压力均随时间的增加而增加,添加5%电气石驻极母粒的过滤压力在30 min内,从1 MPa升高至3.17 MPa。而添加12.5%的电气石驻极母粒的过滤压力在30 min内,从1 MPa升高至6.01 MPa。表明PP原料中无机粒子的添加均会使过滤压力升高,缩短滤网使用寿命。随电气石驻极母粒添加量的增加,过滤压力也随之升高。这可能是由于电气石粒子在熔融过滤过程中在过滤网上发生聚集,从而导致过滤压力升高。

2.3 熔喷非织造材料表面形态分析

用扫描电子显微镜分别对制得的熔喷材料的表面形态进行分析,如图4所示。由图4可知,熔喷非织造布的纤网中的纤维很细,并且呈三维网状结构,排列紊乱。纤网中空隙较多,纤维之间以相互缠结、交叉、热黏合形式结合,提高了纤网的强力。电气石的加入使非织造材料的表面孔隙变大,纤维变粗。

(a):PP;(b):98.5PP+1.5电气石驻极母粒;(c):98.5PP+1.5PTFE驻极母粒;(d):97.5PP+2.5PTFE驻极母粒

这种现象产生的原因可能是电气石的自发极化效应产生的电荷,使得喷丝孔喷出的含有电气石的丝条之间产生了一定的排斥力,使得材料表面纤维孔隙增大。孔隙的增大,提高了非织造材料的透气性。而添加PTFE驻极母粒的熔体流动性好,制得熔喷材料的纤维较细,随PTFE驻极母粒添加量从1.5%增加至2.5%,纤维变得更细,纤维和纤维间的缠结、交叉更多,纤维排布更为复杂,纤网也趋于致密。

2.4 熔喷非织造材料直径分析

利用电镜测试中图像测量工具对制得的四种熔喷非织造材料中纤维的细度进行测试,得到纤维细度分布图,如图5所示。各熔喷非织造材料的纤维直径数据列于表7。

图5 熔喷非织造材料中的纤维直径分布图

表7 熔喷非织造材料的纤维直径

由图5可知,添加电气石的熔喷材料纤维较纯PP熔喷材料纤维粗。熔喷材料中纤维的细度与熔喷过程中熔体受到的牵伸程度相关。电气石的加入,使得熔体在牵伸过程中稳定性下降,熔体流动性变差,熔体牵伸受阻,最终导致纤维直径变大,牵伸得到的纤维均匀性下降。而添加PTFE驻极母粒制得熔喷材料的纤维较细,且更均匀,随着PTFE驻极母粒添加量从1.5%增加至2.5%,纤维总体上变得更细更均匀。

2.5 熔喷非织造材料的过滤性能

对制得的四种熔喷非织造材料的过滤性能进行对比分析,结果如表8所示。由表8可知,驻极工艺对熔喷非织造材料过滤性能的提高起到很大的作用,未经驻极的熔喷非织造材料的过滤效率很低,通气阻力略大。这说明,增加静电荷对提高非织造布的过滤效率有着关键影响,驻极使得纤维吸附粒子增多,过滤效率明显增加。电气石的加入结合驻极工艺能使熔喷非织造材料的过滤效率大大提升,这主要是由于外界直接通过高压放电的作用注入载流子轰击非织造布的表面,形成空间电荷,同时由于电气石的存在,形成了永久带电的驻极体。这些注入的空间电荷层沉积在非织造布的表面和深层,使得极化电荷增多,电荷密度增加[11-13],过滤效率提高。添加PTFE驻极母粒制得熔喷材料的过滤效率与添加电气石驻极母粒制得熔喷材料相当,但其通气阻力显著下降,非织造材料通气阻力主要取决于纤网中孔隙大小和数量,孔隙率大的纤网通气阻力也越小。材料的通气阻力与纤维的形态也有关,纤维间缠结、交叉越多,纤维在纤网中排布结构越复杂,纤维越蓬松,则阻力越小。施加驻极电压后,通气阻力减小,这是由于施加驻极电压时针尖下方的空气产生电晕电离,产生局部击穿放电,载流子受到电场的作用而沉积到熔喷布表面,一部分载流子会深入表层被驻极母粒的陷阱捕获,从而使纤维带电产生极化效应,纤维和纤维间产生了一定的排斥力,使得材料表面纤维孔隙增大。当PTFE驻极母粒添加量从1.5%提高到2.5%,熔喷材料的过滤效率有所提高。

表8 熔喷非织造材料的过滤性能

2.6 熔喷非织造材料的力学性能

将四种熔喷非织造材料的力学性能进行对比分析,结果如表9所示。由表9可知,电气石熔喷材料纵、横向断裂强力较大,纵、横向断裂伸长率较小。这是由于电气石颗粒均匀地分散在PP中,当PP熔喷材料受到外力的作用时,粒子周围会产生应力集中效应。添加PTFE驻极母粒制得熔喷材料具有同样的现象。当PTFE驻极母粒添加量从1.5%提高到2.5%,纵向断裂伸长率从23.13%增大到25.08%,横向断裂伸长率从49.86%增大到51.18%。

表9 熔喷非织造材料的力学性能

3 结 论

本文采用电气石和PTFE分别与PP切片以一定比例混合造粒,经熔喷成型,结合电驻极工艺,制得不同的非织造材料,研究无机和有机驻极母粒的过滤性能以及非织造材料的表观形态、纤维直径、过滤性能及力学性能。得出以下结论:

a) 电气石的添加会使过滤压力升高,缩短滤网使用寿命。随电气石驻极母粒添加量的增加,过滤压力也随之升高。而添加有机PTFE后的PP混合材料其过滤压力仅略有升高。

b) 电气石的加入使非织造材料的表面孔隙变大,纤维变粗。而添加PTFE驻极母粒制得熔喷材料的纤维较细,且更均匀,随着PTFE驻极母粒添加量从1.5%增加至2.5%,纤维总体上变得更细更均匀。

c) 电气石和PTFE的加入结合驻极工艺能使熔喷非织造材料的过滤效率大大提升,添加PTFE驻极母粒制得熔喷材料的过滤效率与添加电气石驻极母粒制得熔喷材料相当,其通气阻力显著下降。当PTFE驻极母粒添加量从1.5%提高到2.5%,熔喷材料的过滤效率有所提高。