口罩用聚丙烯熔喷非织造布过滤性能的研究

时间：2024-07-28

倪冰选，张鹏，朱锐钿，高晓艳，王向钦

(广州纤维产品检测研究院国家纺织品服装服饰产品质量监督检验中心，广东510220)

熔喷法非织造布(简称熔喷布)的纤维直径在几微米到十几微米之间，由于纤维直径超细且排列杂乱无序，因此具有三维多微孔结构、比表面积大、孔径小、孔隙率高、可弯曲、可造型、高效低阻等特点。熔喷布对空气中的微细粉尘和细菌等微纳米颗粒具有优良的捕获能力，是一种优异的纤维过滤材料，通常作为各种中高效过滤器件的过滤部件［1］。对颗粒物的过滤效率是口罩的一项重要性能指标，在YY 0469—2011《医用外科口罩》［2］标准中，实验气体流量为30 L/min，要求口罩对非油性颗粒物的过滤效率大于等于30%;在GB 19083—2010《医用防护口罩技术要求》［3］和GB 2626—2006《呼吸防护用品自吸过滤式防颗粒物呼吸器》［4］中，气体流量为85 L/min，相应地对非油性颗粒过滤效果及对氯化钠颗粒物的过滤效率均有具体指标要求。作者对国产聚丙烯(PP)熔喷布的过滤性能进行了研究，以便为口罩用PP熔喷滤材的生产和应用等方面提供参考。

1 实验

1.1 试样

PP熔喷非织造布:平均厚度约为0.7 mm，单位面积质量为90 g/m2，广州洁特生物过滤制品有限公司产。

1.2 仪器

Hitachi S3000N扫描电子显微镜(SEM):日本日立公司制;Hitachi E1010离子溅射仪:日本日立公司制;TSI Certi Test 8130自动滤料测试仪:美国TSI公司制。

1.3 实验方法

采用盐性气溶胶发生器，产生粒径分布范围很窄的气溶胶固体颗粒，其空气动力学质量中值直径为(0.24 ±0.06)μm。

(1)在气体流量分别为 10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 L/min 时，测试单层 PP 熔喷非织造布的过滤效率及阻力;(2)在气体流量为30 L/min和85 L/min时，分别对1～5层PP熔喷非织造布叠加测试，研究不同叠加层数对过滤效率和阻力的影响;(3)对单层PP熔喷非织造布在气体流量为30 L/min和85 L/min时，进行连续34 min的过滤实验，气溶胶不断累积在PP熔喷非织造布上，可以得到过滤效率和过滤阻力随着实验时间的变化。

容尘实验:采用TSI Certi Test 8130自动滤料测试仪进行容尘实验，选择Loading Test程序，滤料将连续过滤气流中的气溶胶颗粒，每1 min记录1个过滤效率和过滤阻力测量值，由此可以看出滤料的过滤效率和阻力在连续过滤过程中的变化。

1.4 测试

微观形貌:采用离子溅射仪对试样进行喷金，然后在SEM上观察PP熔喷非织造布的微观形貌。观察未进行容尘实验时洁净PP熔喷非织造布的纤维微观形貌、排列特征和纤维直径大小;容尘后PP熔喷非织造布的纤维和气溶胶颗粒物结合的微观形貌和累积状况，包括PP熔喷非织造布的迎尘面和非迎尘面。

过滤性能:采用自动滤料测试仪进行测试。该仪器的气溶胶发生器产生的气溶胶经过上部夹具并穿过PP熔喷非织造布进入其下游，两个激光光度计同时检测熔喷非织造布上游和下游的气溶胶浓度，通过上、下游气溶胶的浓度，可以计算得到PP熔喷非织造布的过滤效率，同时，仪器的电子压力传感器测定PP熔喷非织造布的过滤阻力。

容尘量:采用自动滤料测试仪进行测试。计算实验前后滤料的质量差则为滤料的容尘量。

2 结果和讨论

2.1 微观形貌

从图1可见，PP熔喷非织造布纤维的直径分布在1～4 μm，粗细不同的超细纤维呈现杂乱排列，形成三维的孔隙结构特征，具有大小不一的弯曲通道，是一种优良的纤维过滤材料。

图1 洁净PP熔喷非织造布微观形貌Fig.1 Microscopic morphology of clean melt-blown PP nonwoven filter

从图2可见:PP熔喷非织造布经容尘实验后，在其迎尘面积累了大量的气溶胶颗粒物，这些颗粒物通过范德华力和静电力等作用因素和纤维粘附在一起;同时，粘附在纤维上的气溶胶颗粒物大小不一，其中较大的颗粒物是多个颗粒累积在一起的，随着颗粒物的积累，PP熔喷非织造布的孔径结构变得越来越小，孔隙通道变得更加弯曲复杂，积累在纤维上的颗粒物在后续过滤中起到拦截粘附颗粒物的作用。从图2还可看出:经容尘实验后，在PP熔喷非织造布的非迎尘面，纤维上粘附有少量的气溶胶颗粒物，这是由于大部分颗粒物都在PP熔喷非织造布的迎尘面被拦截下来，少量颗粒物穿透PP熔喷非织造布到达非迎尘面并被拦截，部分颗粒物则穿透熔喷非织造布，没有被PP熔喷非织造布拦截下来的缘故。

图2 容尘实验后PP熔喷非织造布迎尘面和非迎尘面的微观形貌Fig.2 Microscopic morphology of facing dust and non-facing dust surfaces of melt-blown PP nonwoven filter after dust holding test

2.2 过滤性能

2.2.1 气体流量

从图3可以看出，随着气体流量的逐步增加，过滤效率呈现近似线性下降的趋势。

图3 气体流量与过滤性能的关系Fig.3 Relationship between gas flow and filtration performance

采用线性拟合的方法，过滤效率和气体流量的拟合公式为:

当实验气体流量从10 L/min升到100 L/min时，过滤效率从99.3%下降到88.5%，下降了近11%。这是由于气体流量越大，颗粒物的运动速度就越快，具有更大的动能，穿透PP熔喷非织造布的几率就越高，从而导致过滤效率降低。

从图3还可以看出，随着气体流量的增加，过滤阻力呈现线性增加趋势。对过滤阻力和气体流量进行线性拟合，其拟合公式为:

通过测量PP熔喷非织造布在两个不同气体流量下的过滤阻力，然后进行线性拟合，可以准确计算出该熔喷非织造布在其他不同气体流量下的过滤阻力。

在PP熔喷非织造布实际应用中，可以考虑通过降低气体流量，或者通过折叠状PP熔喷非织造布来增加过滤面积，使熔喷非织造布具有更高的过滤效率，同时降低过滤阻力，达到既高效利用熔喷非织造布，又降低能耗的效果。可以通过分析不同气体流量与过滤效率和阻力的关系，指导过滤装置的参数设置。

2.2.2 PP熔喷非织造布叠加层数

从图4可以看出:气体流量在85 L/min时的过滤效率均低于气体流量为30 L/min时的过滤效率，随着PP熔喷非织造布叠加层数的增加，两者之间的过滤效率差异呈现缩小的趋势，在1层PP熔喷非织造布的情况下，其过滤效率为90.5%和97.6%，相差为7.1%;在2层PP熔喷非织造布的情况下，其过滤效率为98.5%和99.7%，相差为1.2%;在5层叠加的情况下，过滤效率的差别则非常小。

图4 不同气体流量下过滤性能和熔喷非织造布叠加层数关系Fig.4 Relationship between melt-blown PP nonwoven layer number and filtration performance at different gas flow

从图4还可以看出:随着PP熔喷非织造布层数的增加，过滤阻力呈现线性增加的趋势。在气体流量为85 L/min的条件下，其过滤阻力增长速度较快;在30 L/min的条件下，其增长速度则慢一些。在85 L/min的条件下，对叠加层数和过滤阻力进行线性拟合，其拟合公式为:

在30 L/min的条件下，对叠加层数和过滤阻力进行线性拟合，其拟合公式为:

通过测量PP熔喷非织造布在两种不同叠加层数下的过滤阻力，然后进行线性拟合，可以准确计算出该熔喷非织造布在其他叠加层数下的过滤阻力。PP熔喷非织造布通过多层叠加的方法，叠加后过滤效率和阻力都会增加，但是，过滤效率和过滤阻力呈现不同的增长趋势。因此，当通过叠加层数来增加PP熔喷非织造布的过滤效率时，必须同时考虑过滤阻力的增长，寻找适宜的叠加层数。

2.2.3 过滤时间

由图5可见:气体流量为30 L/min时，初始过滤阻力为37.4 Pa，初始过滤效率为97.86%。过滤13 min后，过滤阻力为74.9 Pa，阻力达到初始阻力的2倍，此时过滤效率为99.06%，容尘量为6.98 mg;采用气体流量为85 L/min时，初始阻力是112.2 Pa，初始过滤效率是90.69%。过滤14 min后，此时阻力为224.6 Pa，阻力达到初始过滤阻力的2倍，此时过滤效率为95.46%，容尘量为 19.6 mg。

图5 不同气体流量下PP熔喷非织造布过滤特性与过滤时间的关系Fig.5 Relationship between filtration characteristics of melt-blown PP nonwoven at different gas flow

从图5还可以看出:在第一个阶段(0～20 min)，过滤效率呈现较快的增长速度，而过滤阻力的增长速度则较慢;在第二个阶段(21～34 min)，过滤效率呈现较慢的增长速度，而过滤阻力的增长速度则较快。对于过滤效率，熔喷非织造布捕集颗粒主要靠扩散沉积、惯性沉积、静电沉积、范德华沉积、筛滤作用等，在颗粒物不断累积在纤维表面的过程中，PP熔喷非织造布的孔径逐渐变小，纤维上被拦截下来的颗粒，在后面的阶段也能起到帮助拦截颗粒的作用，即通过捕获的颗粒来拦截颗粒，因此在形成气溶胶初生层时，纤维之间的孔径会随着气溶胶颗粒物积聚量的增加而变小，过滤效率呈现快速增加的情况，而随着孔径变小至一定程度，过滤效率的增长将很慢或者保持不变。对于过滤阻力，气溶胶颗粒物在PP熔喷非织造布表面形成初生层的阶段，阻力的增加速率是较慢的，而随着气溶胶累积得越来越多，阻力的增加速率也越来越快。在容尘实验过程中，随着过滤时间的增加，过滤效率和阻力均逐渐增加，但呈现不同增长趋势，过滤效率的增长趋势是先急后缓，而过滤阻力则呈现相反的增长趋势，过滤阻力的增长趋势是先缓后急。