高性能聚丙烯熔噴布駐極母粒的制備與應(yīng)用研究

張翼翔，陳志釗，李玲玉

（廣東聚石化學(xué)股份有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

自2019年末爆發(fā)了新冠疫情，至今疫情反復(fù)，對全世界各國人民的生命健康造成了極大危害?？谡殖蔀榱巳粘５谋貍湮镔Y，正確佩戴口罩能降低病毒感染的風(fēng)險。醫(yī)護(hù)級別的N95口罩，對非油性顆粒物（如酸霧、粉塵、微生物、漆霧等）的過濾效率達(dá)到95%。

醫(yī)用外殼口罩由內(nèi)外兩層為無紡布，中間層為熔噴布，熔噴布作為過濾層，是口罩的核心組成部分，對過濾病毒起到關(guān)鍵作用[1-2]。

聚丙烯熔噴布原料易得、生產(chǎn)成本低，具有非極性、高電阻率、疏水性等特點，可以作為性能優(yōu)異的過濾層，但其在高濕、高溫環(huán)境下，電荷會快速衰減甚至消失，因此，加入駐極材料且經(jīng)過駐極處理，過濾層對顆粒的捕獲吸附能力更好，因此，在聚丙烯熔噴布的噴絲成布過程加入駐極母粒，熔噴布的能容納更多的電荷，能有效的提升電荷捕集能阱的深度與密度。從而對固體顆粒、細(xì)菌、病毒等雜物的過濾有顯著效果，可實現(xiàn)防護(hù)病毒的目的[3-6]。

1 駐極母粒現(xiàn)有的制備方法

目前，駐極母粒的制備方法有：

專利CN202210212996.7[7]選用有機復(fù)配物為駐極劑，以聚丙烯樹脂、駐極劑、抗靜電劑、潤滑劑、抗熱氧老化劑為原料按照一定比例混合均勻，擠出造粒獲得駐極母粒。

專利CN202011579660.1[8]采用有機與無機復(fù)合駐極材料，采用ECTFE和C36H70MgO4提升聚丙烯與駐極劑之間的相容性。

專利CN202111546485.0[9]以MPP、氣相SiO2、C36H70MgO4、抗氧劑和光穩(wěn)定劑為原料，經(jīng)過混合均勻，擠出切粒獲得駐極母料。

專利CN202010871250.8[10]采用納米電氣石粉與C36H70MgO4作為駐極助劑，以熔噴級聚丙烯基料、駐極助劑、潤滑劑、POE-8880等為原料，混合，熔融造粒即可獲得目標(biāo)產(chǎn)品。

專利CN202111499895.4[11]利用了氣相SiO2和高溫硅油的協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)駐極效果，并采用現(xiàn)有技術(shù)制備獲得目標(biāo)產(chǎn)品。陳英林[12]等提出在駐極母粒中加入抗菌劑，抗菌劑在一定比例下與駐極劑有良好的協(xié)同效應(yīng)，使產(chǎn)品增加了抗菌功效。田輝[13]采用有機氟碳為駐極劑，以高熔指聚丙烯、駐極劑、EBS、粘著劑等為原料，按照一定配比攪拌熔融造粒獲得目標(biāo)產(chǎn)品。

專利CN202010405931.5[14]利用TiO2的空穴-電子遷移的特性，有效提高了駐極母粒的抗菌效果。

2 駐極母粒制備的研究

本文針對現(xiàn)有技術(shù)制備的駐極母粒產(chǎn)品由于使用無機駐極劑，或駐極劑材料無法均勻分散，導(dǎo)致噴絲時容易堵塞膜孔，或添加駐極母粒導(dǎo)致熔噴布柔韌性低，或制備工藝復(fù)雜等缺陷展開了駐極母粒制備的研究。

2.1 主要原料與主要儀器設(shè)備

實驗用到的主要原料見表1。

表1 實驗用到的主要原料

實驗用到的主要儀器設(shè)備見表2。

表2 實驗用到的主要原料

2.2 駐極母粒的制備

1）分別稱取熔噴聚丙烯、柔順劑、主駐極劑、輔駐極劑、成核劑、抗氧劑，質(zhì)量份比為：39.5～69.8；20～40∶5～10∶5～10∶0.1～0.25∶0.1～0.25，其中熔噴PP要求其熔體質(zhì)量流動速率在（1 300±100 g）/10 min～（1 500±100 g）/min[GB/T 30923]。本實驗采用不同原料配比制備駐極母粒樣品，其配比如表3。

表3 駐極母粒樣品原料配比

2）以樣品1為例，加熱稱量好的輔駐極劑EBS，使其從固體熔化至液體狀態(tài)，加入納米氣相SiO2，EBS將SiO2包裹，使納米級的主駐極劑有效分散，同時加入C24H30O6與抗氧劑1010，攪拌加熱，獲得均勻的半熔化狀態(tài)混合結(jié)塊。

3）研磨機中加入步驟2獲得的結(jié)塊，經(jīng)過研磨獲得混合中間體A。

4）混合機中加入熔噴PP、步驟3混合中間體A、MPP，低速攪拌2 min，此時物料已均勻混合獲得中間體B。

（5）將步驟4獲得的中間體B加入雙螺桿擠出機，在240 ℃，轉(zhuǎn)速220 r·min-1下熔融擠出造粒，顆粒過篩，除去小顆粒與粉塵后進(jìn)入成品貯罐，罐內(nèi)保持90℃熱風(fēng)攪拌、鼓動4 h均勻脫除小分子聚合物，經(jīng)過均化、脫揮操作后即可得到高性能駐極母粒。

2.3 駐極母粒的對比樣品的制備

為了考察各種主駐極劑、輔駐極劑發(fā)揮的性能及其之間具有協(xié)同作用，同時考察制備工藝的效果，根據(jù)樣品2調(diào)整了原料配比及生產(chǎn)工藝，制備了對比樣品，制備方法與3.3一致，表4為對比樣品的原料配比。

表4 對比樣品的原料配比

其中對比樣品5，其原料配比與樣品2是一致的，區(qū)別在于制備工藝，對比樣品5不優(yōu)先進(jìn)行主駐極劑與輔駐極劑的混合，直接將所有原料進(jìn)行2.2中步驟4的操作。

對比樣品7，直接采用PPH Y1500噴布。

3 駐極母粒的應(yīng)用及性能評價

在聚丙烯熔噴布噴絲過程，加入1%～5%的駐極母粒，可以有效提高熔噴布表面電荷，使熔噴布的過濾效果、使用有效期得以提高與延長。

在Y1500聚丙烯熔噴料樹脂中分別加入1%上述制備的樣品2與對比樣品1-6駐極母粒，混合加熱熔化為液體狀態(tài)，紡絲噴布。對比樣品7采用Y1500不加入駐極母粒熔融噴布。

上述的熔噴布分別進(jìn)行駐極處理，電壓為20 kV，獲得8個熔噴布樣品。對熔噴布樣品進(jìn)行過濾效率與氣流阻力試驗。每個熔噴布的試驗質(zhì)量為26 g，流量32 L·min-1，在阻力相同的條件下，進(jìn)行細(xì)菌過濾效率（BFE）測試，結(jié)果如表5所示。

表5 熔噴布過濾效率對比

通過表5數(shù)據(jù)可以看過，（1）通過本文制備的駐極母粒（樣品2）具有優(yōu)異的電荷捕獲能力，能有效的提高熔噴布的細(xì)菌過濾效率，其BFE最高。對比樣品7僅采用PPH Y1500制備，未加入駐極母粒，其BFE最低，且過濾效果遠(yuǎn)低于其他樣品。（2）通過對比樣品2及對比樣品1-4，作為主駐極劑，納米電氣石的效果最佳，明顯優(yōu)于其它單一或復(fù)合主駐極劑材料，復(fù)合主駐極劑材料之間并未有產(chǎn)生提高性能的協(xié)同效應(yīng)。（3）根據(jù)樣品2與對比樣品5的BFE值，可以得知若主駐極劑未能預(yù)先有效分散，其效果有明顯下降，且有可能堵塞噴絲孔，影響生產(chǎn)效率。（4）通過樣品2與對比樣品6比較，主駐極劑作為關(guān)鍵原料，與輔駐極劑之間的產(chǎn)生良好的協(xié)同效應(yīng)，對比樣品6未加入主駐極劑，其過濾效果雖然比未添加任何成分的樣品7有一定的提高，但距離加入主駐極劑的樣品仍存在較大差距。

4 結(jié)論

本文以熔噴聚丙烯、柔順劑、主駐極劑、輔駐極劑、成核劑、抗氧劑為原料，此工藝關(guān)鍵步驟要求主駐極劑均勻分散于輔駐極劑中，主駐極劑與輔駐極劑之間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，獲得性能良好的駐極母粒產(chǎn)品。在聚丙烯熔噴布噴絲過程，加入的駐極母粒產(chǎn)品，可以有效提高熔噴布表面電荷，通過測試熔噴布過濾效率，通過加入本方法制備的駐極母粒，細(xì)菌過濾效率（BFE）大于95%，聚丙烯熔噴布的綜合過濾效率、抗熱衰的性能、柔韌性得到大幅度提升。