口罩用聚丙烯熔噴非織造布過濾性能的研究

倪冰選，張 鵬，朱銳鈿，高曉艷，王向欽

(廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院國家紡織品服裝服飾產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東510220)

熔噴法非織造布(簡稱熔噴布)的纖維直徑在幾微米到十幾微米之間，由于纖維直徑超細(xì)且排列雜亂無序，因此具有三維多微孔結(jié)構(gòu)、比表面積大、孔徑小、孔隙率高、可彎曲、可造型、高效低阻等特點(diǎn)。熔噴布對空氣中的微細(xì)粉塵和細(xì)菌等微納米顆粒具有優(yōu)良的捕獲能力，是一種優(yōu)異的纖維過濾材料，通常作為各種中高效過濾器件的過濾部件［1］。對顆粒物的過濾效率是口罩的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，在YY 0469—2011《醫(yī)用外科口罩》［2］標(biāo)準(zhǔn)中，實(shí)驗(yàn)氣體流量為30 L/min，要求口罩對非油性顆粒物的過濾效率大于等于30%;在GB 19083—2010《醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求》［3］和GB 2626—2006《呼吸防護(hù)用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》［4］中，氣體流量為85 L/min，相應(yīng)地對非油性顆粒過濾效果及對氯化鈉顆粒物的過濾效率均有具體指標(biāo)要求。作者對國產(chǎn)聚丙烯(PP)熔噴布的過濾性能進(jìn)行了研究，以便為口罩用PP熔噴濾材的生產(chǎn)和應(yīng)用等方面提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣

PP熔噴非織造布:平均厚度約為0.7 mm，單位面積質(zhì)量為90 g/m2，廣州潔特生物過濾制品有限公司產(chǎn)。

1.2 儀器

Hitachi S3000N掃描電子顯微鏡(SEM):日本日立公司制;Hitachi E1010離子濺射儀:日本日立公司制;TSI Certi Test 8130自動濾料測試儀:美國TSI公司制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用鹽性氣溶膠發(fā)生器，產(chǎn)生粒徑分布范圍很窄的氣溶膠固體顆粒，其空氣動力學(xué)質(zhì)量中值直徑為(0.24 ±0.06)μm。

(1)在氣體流量分別為 10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 L/min 時，測試單層 PP 熔噴非織造布的過濾效率及阻力;(2)在氣體流量為30 L/min和85 L/min時，分別對1～5層PP熔噴非織造布疊加測試，研究不同疊加層數(shù)對過濾效率和阻力的影響;(3)對單層PP熔噴非織造布在氣體流量為30 L/min和85 L/min時，進(jìn)行連續(xù)34 min的過濾實(shí)驗(yàn)，氣溶膠不斷累積在PP熔噴非織造布上，可以得到過濾效率和過濾阻力隨著實(shí)驗(yàn)時間的變化。

容塵實(shí)驗(yàn):采用TSI Certi Test 8130自動濾料測試儀進(jìn)行容塵實(shí)驗(yàn)，選擇Loading Test程序，濾料將連續(xù)過濾氣流中的氣溶膠顆粒，每1 min記錄1個過濾效率和過濾阻力測量值，由此可以看出濾料的過濾效率和阻力在連續(xù)過濾過程中的變化。

1.4 測試

微觀形貌:采用離子濺射儀對試樣進(jìn)行噴金，然后在SEM上觀察PP熔噴非織造布的微觀形貌。觀察未進(jìn)行容塵實(shí)驗(yàn)時潔凈PP熔噴非織造布的纖維微觀形貌、排列特征和纖維直徑大小;容塵后PP熔噴非織造布的纖維和氣溶膠顆粒物結(jié)合的微觀形貌和累積狀況，包括PP熔噴非織造布的迎塵面和非迎塵面。

過濾性能:采用自動濾料測試儀進(jìn)行測試。該儀器的氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的氣溶膠經(jīng)過上部夾具并穿過PP熔噴非織造布進(jìn)入其下游，兩個激光光度計同時檢測熔噴非織造布上游和下游的氣溶膠濃度，通過上、下游氣溶膠的濃度，可以計算得到PP熔噴非織造布的過濾效率，同時，儀器的電子壓力傳感器測定PP熔噴非織造布的過濾阻力。

容塵量:采用自動濾料測試儀進(jìn)行測試。計算實(shí)驗(yàn)前后濾料的質(zhì)量差則為濾料的容塵量。

2 結(jié)果和討論

2.1 微觀形貌

從圖1可見，PP熔噴非織造布纖維的直徑分布在1～4 μm，粗細(xì)不同的超細(xì)纖維呈現(xiàn)雜亂排列，形成三維的孔隙結(jié)構(gòu)特征，具有大小不一的彎曲通道，是一種優(yōu)良的纖維過濾材料。

圖1 潔凈PP熔噴非織造布微觀形貌Fig.1 Microscopic morphology of clean melt-blown PP nonwoven filter

從圖2可見:PP熔噴非織造布經(jīng)容塵實(shí)驗(yàn)后，在其迎塵面積累了大量的氣溶膠顆粒物，這些顆粒物通過范德華力和靜電力等作用因素和纖維粘附在一起;同時，粘附在纖維上的氣溶膠顆粒物大小不一，其中較大的顆粒物是多個顆粒累積在一起的，隨著顆粒物的積累，PP熔噴非織造布的孔徑結(jié)構(gòu)變得越來越小，孔隙通道變得更加彎曲復(fù)雜，積累在纖維上的顆粒物在后續(xù)過濾中起到攔截粘附顆粒物的作用。從圖2還可看出:經(jīng)容塵實(shí)驗(yàn)后，在PP熔噴非織造布的非迎塵面，纖維上粘附有少量的氣溶膠顆粒物，這是由于大部分顆粒物都在PP熔噴非織造布的迎塵面被攔截下來，少量顆粒物穿透PP熔噴非織造布到達(dá)非迎塵面并被攔截，部分顆粒物則穿透熔噴非織造布，沒有被PP熔噴非織造布攔截下來的緣故。

圖2 容塵實(shí)驗(yàn)后PP熔噴非織造布迎塵面和非迎塵面的微觀形貌Fig.2 Microscopic morphology of facing dust and non-facing dust surfaces of melt-blown PP nonwoven filter after dust holding test

2.2 過濾性能

2.2.1 氣體流量

從圖3可以看出，隨著氣體流量的逐步增加，過濾效率呈現(xiàn)近似線性下降的趨勢。

圖3 氣體流量與過濾性能的關(guān)系Fig.3 Relationship between gas flow and filtration performance

采用線性擬合的方法，過濾效率和氣體流量的擬合公式為:

當(dāng)實(shí)驗(yàn)氣體流量從10 L/min升到100 L/min時，過濾效率從99.3%下降到88.5%，下降了近11%。這是由于氣體流量越大，顆粒物的運(yùn)動速度就越快，具有更大的動能，穿透PP熔噴非織造布的幾率就越高，從而導(dǎo)致過濾效率降低。

從圖3還可以看出，隨著氣體流量的增加，過濾阻力呈現(xiàn)線性增加趨勢。對過濾阻力和氣體流量進(jìn)行線性擬合，其擬合公式為:

通過測量PP熔噴非織造布在兩個不同氣體流量下的過濾阻力，然后進(jìn)行線性擬合，可以準(zhǔn)確計算出該熔噴非織造布在其他不同氣體流量下的過濾阻力。

在PP熔噴非織造布實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮通過降低氣體流量，或者通過折疊狀PP熔噴非織造布來增加過濾面積，使熔噴非織造布具有更高的過濾效率，同時降低過濾阻力，達(dá)到既高效利用熔噴非織造布，又降低能耗的效果?？梢酝ㄟ^分析不同氣體流量與過濾效率和阻力的關(guān)系，指導(dǎo)過濾裝置的參數(shù)設(shè)置。

2.2.2 PP熔噴非織造布疊加層數(shù)

從圖4可以看出:氣體流量在85 L/min時的過濾效率均低于氣體流量為30 L/min時的過濾效率，隨著PP熔噴非織造布疊加層數(shù)的增加，兩者之間的過濾效率差異呈現(xiàn)縮小的趨勢，在1層PP熔噴非織造布的情況下，其過濾效率為90.5%和97.6%，相差為7.1%;在2層PP熔噴非織造布的情況下，其過濾效率為98.5%和99.7%，相差為1.2%;在5層疊加的情況下，過濾效率的差別則非常小。

圖4 不同氣體流量下過濾性能和熔噴非織造布疊加層數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between melt-blown PP nonwoven layer number and filtration performance at different gas flow

從圖4還可以看出:隨著PP熔噴非織造布層數(shù)的增加，過濾阻力呈現(xiàn)線性增加的趨勢。在氣體流量為85 L/min的條件下，其過濾阻力增長速度較快;在30 L/min的條件下，其增長速度則慢一些。在85 L/min的條件下，對疊加層數(shù)和過濾阻力進(jìn)行線性擬合，其擬合公式為:

在30 L/min的條件下，對疊加層數(shù)和過濾阻力進(jìn)行線性擬合，其擬合公式為:

通過測量PP熔噴非織造布在兩種不同疊加層數(shù)下的過濾阻力，然后進(jìn)行線性擬合，可以準(zhǔn)確計算出該熔噴非織造布在其他疊加層數(shù)下的過濾阻力。PP熔噴非織造布通過多層疊加的方法，疊加后過濾效率和阻力都會增加，但是，過濾效率和過濾阻力呈現(xiàn)不同的增長趨勢。因此，當(dāng)通過疊加層數(shù)來增加PP熔噴非織造布的過濾效率時，必須同時考慮過濾阻力的增長，尋找適宜的疊加層數(shù)。

2.2.3 過濾時間

由圖5可見:氣體流量為30 L/min時，初始過濾阻力為37.4 Pa，初始過濾效率為97.86%。過濾13 min后，過濾阻力為74.9 Pa，阻力達(dá)到初始阻力的2倍，此時過濾效率為99.06%，容塵量為6.98 mg;采用氣體流量為85 L/min時，初始阻力是112.2 Pa，初始過濾效率是90.69%。過濾14 min后，此時阻力為224.6 Pa，阻力達(dá)到初始過濾阻力的2倍，此時過濾效率為95.46%，容塵量為 19.6 mg。

圖5 不同氣體流量下PP熔噴非織造布過濾特性與過濾時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between filtration characteristics of melt-blown PP nonwoven at different gas flow

從圖5還可以看出:在第一個階段(0～20 min)，過濾效率呈現(xiàn)較快的增長速度，而過濾阻力的增長速度則較慢;在第二個階段(21～34 min)，過濾效率呈現(xiàn)較慢的增長速度，而過濾阻力的增長速度則較快。對于過濾效率，熔噴非織造布捕集顆粒主要靠擴(kuò)散沉積、慣性沉積、靜電沉積、范德華沉積、篩濾作用等，在顆粒物不斷累積在纖維表面的過程中，PP熔噴非織造布的孔徑逐漸變小，纖維上被攔截下來的顆粒，在后面的階段也能起到幫助攔截顆粒的作用，即通過捕獲的顆粒來攔截顆粒，因此在形成氣溶膠初生層時，纖維之間的孔徑會隨著氣溶膠顆粒物積聚量的增加而變小，過濾效率呈現(xiàn)快速增加的情況，而隨著孔徑變小至一定程度，過濾效率的增長將很慢或者保持不變。對于過濾阻力，氣溶膠顆粒物在PP熔噴非織造布表面形成初生層的階段，阻力的增加速率是較慢的，而隨著氣溶膠累積得越來越多，阻力的增加速率也越來越快。在容塵實(shí)驗(yàn)過程中，隨著過濾時間的增加，過濾效率和阻力均逐漸增加，但呈現(xiàn)不同增長趨勢，過濾效率的增長趨勢是先急后緩，而過濾阻力則呈現(xiàn)相反的增長趨勢，過濾阻力的增長趨勢是先緩后急。

3 結(jié)論

a.氣體流量為30 L/min時，初始過濾阻力是37.4 Pa，初始過濾效率是 97.86%;氣體流量為85 L/min時，初始過濾阻力是112.2 Pa，初始過濾效率是90.69%。隨著實(shí)驗(yàn)氣體流量的增加，熔噴非織造布的過濾效率呈現(xiàn)近似線性下降的趨勢，而過濾阻力則呈現(xiàn)線性增長的趨勢。

b.氣體流量為30 L/min和85 L/min、采樣時間為4 s，隨著疊加層數(shù)的增加，其過濾效率的差異越來越小，而過濾阻力的差異則越來越大，呈現(xiàn)不同的增長趨勢。

c.在容塵實(shí)驗(yàn)中，隨著熔噴非織造布中顆粒物積累越來越多，熔噴非織造布的孔徑越來越小，纖維上粘附的氣溶膠顆粒物在后期過濾階段也能起到攔截顆粒物的作用;過濾效率的增長趨勢呈先急后緩，而阻力則呈現(xiàn)相反的增長趨勢，過濾阻力的增長趨勢呈先緩后急。

d.在PP熔噴非織造布實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮通過降低氣體流量，或者通過折疊狀熔噴非織造布來增加過濾面積，使熔噴非織造布具有更高的過濾效率，同時降低過濾阻力，達(dá)到既高效利用熔噴非織造布，又能夠降低能耗的效果?？梢酝ㄟ^分析不同氣體流量與過濾效率和阻力的關(guān)系，指導(dǎo)過濾裝置的參數(shù)設(shè)置。

［1］ 張偉力，劉瑞霞.淺談丙綸熔噴非織造布在過濾領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2000，18(3):26 －28，46.

［2］ YY 0469—2011，醫(yī)用外科口罩［S］.

［3］ GB 19083—2010，醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求［S］.

［4］ GB 2626—2006，呼吸防護(hù)用品自吸過濾式防顆粒物呼吸器［S］.