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【详解】熔喷布达95标准核心的核心关键:驻极母粒及驻极技术!

发表时间: 2020-05-04 21:20:44

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相信大家也都知道

熔喷布驻极母粒及驻极处理

对其达到95、99标准至关重要


熔喷布要想达到95标准,这些关键点要搞明白:熔喷布过滤原理、驻极母粒种类/基本组成/作用、驻极处理以及影响熔喷布驻极性能的因素等。
病毒防护口罩主要有医用外科口罩和N95口罩国家YY 0469-2004《医用外科口罩技术要求》标准规定,医用外科口罩须达到的重要技术指标包括过滤效率、细菌过滤效率和呼吸阻力:
1.过滤效率:在空气流量(30±2)L/min条件下,对空气动力学中值直径(0.24±0.06)μm氯化钠气溶胶的过滤效率不低于30%;
2.细菌过滤效率:在规定条件下,对平均颗粒直径为(3±0.3)μm的金黄色葡萄球菌气溶胶的过滤效率不低于95%;
3.呼吸阻力:在过滤效率流量条件下,吸气阻力不超过49Pa,呼气阻力不超过29.4Pa。
这其中保证细菌过滤效果的标准就是第二条,金黄色葡萄球菌细菌气溶胶过滤效率不低于95%,这也就是N95概念的由来。因此N95口罩虽然不是医用口罩,但是满足过滤效率满足95%的标准,才能起到很好的病毒预防作用。而给口罩带来病毒过滤主要作用的就是极细密且带静电的中层过滤布---熔喷无纺布


熔喷布过滤原理

熔喷无纺布主要材质是聚丙烯,是一种超细静电纤维布,可以捕捉粉尘。含有肺炎病毒的飞沫靠近熔喷无纺布后,会被静电吸附在无纺布表面,无法透过。这就是这种材料隔绝病菌的原理。粉尘被超细静电纤维捕捉住后,极不易因清洗而脱离,且水洗亦会被破坏静电的吸尘能力。因此这种口罩只能一次性使用。




驻极母粒是什么

驻极母粒长这样

对于医用口罩,带驻极母粒和驻极高压电处理的驻极熔喷布,这层是最核心的部分,只有驻极处理后熔喷布上很多电荷才对也同样带电荷的0.3μm的非油性小颗粒物有高效的吸附效果,通常要求要大于95%以上,这个其实只有专业的仪器才能测试出来,有些厂家也用两层25-28克驻极处理后的熔喷布去达到50-60克驻极熔喷布的效果!


数据来自网络,仅供参考

驻极母粒的种类

现在市面上销售的驻极母粒主一般有三种:电气石法生产、气硅法生产以及含氮化学物脂肪酸类,其外观、特点、添加量如图所示(仅供参考):



驻极母粒基本组成

以聚丙烯为基材,使用专用助剂,使助剂在母料中达到了均匀分散,在熔喷布的纺丝过程中,加入2%-5%,可以有效增加熔喷无纺布中电荷捕集能阱的密度和深度,达到提高熔喷无纺布的综合滤效和抗热衰减的性能。

驻极母粒基本参数:

1.外观:圆柱状均匀颗粒。

2.堆积密度:0.50~0.80g/cm³

3.颜色:白色或淡黄色

4.添加量:2.0-5.0%


熔喷布为何要添加驻极母粒?

口罩过滤除了机械阻挡,还有静电吸附。纤维过滤材料就是一种处理污染,净化空气和水源的常用材料。其捕尘机理主要依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、直接拦截等机械阻挡作用,但这种机械阻挡作用对粒径小于1μm以下的粒子过滤效果很差,不能起到净化作用。


除原有的机械阻挡作用外,在空气过滤的过程中增加静电吸附,依靠库仑力直接吸引气相中的带电微粒并将其捕获,或诱导中性微粒产生极性再将其捕获,就可以更有效地过滤气体载体相中的亚微粒子,大大增强过滤效率,而空气阻力却不会增加。这就是所谓的高效低阻过滤材料。驻极体材料恰好具有这一性质。

而要让这个静电储存,就要求材料成分和结构让驻极体有利于电荷保持。在静电存储和电荷保持过程中,驻极母粒的添加起到了至关重要的作用。


添加少量的驻极母粒,就能增加熔喷无纺布中电荷捕集能阱的密度和深度,有效释放负离子和储存电荷达到提高熔喷无纺布的综合滤效和抗热衰减的性能。使其在同等纤维细度和克重的情况下,降低无纺布产品阻力,同时提高无纺布产品滤效


性能优异,质量稳定驻极母粒是生产驻极熔喷布不可或缺的材料。具有长期产生电离子储存电荷的功能,在引发剂的作用下,镁锂电气石永久性的释放电荷、空气负离子,增加口罩静电吸附和负离子杀菌的能力,有效阻隔微米以下的飞沫、粉尘、病毒等。


驻极剂加热加压后镁锂电气石放电特性会得到进一步加强,温度每提高十度效果倍增,并且细度越细其静电产生的越多,电压也越高。


驻极处理

驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料,具有高效率,低流阻,抗菌,节能等优点,在保证常规滤材的物理碰撞阻隔作用基础上,增加了静电吸附作用。驻极处理使得过滤材料纤维带有电荷,结合熔喷超细纤维材料致密的特点,因此带电纤维间形成了大量的电极,带电纤维不仅能够像磁铁一样吸引环境中大部分的带电微粒,同时也可将未带电的部分颗粒极化,进而吸附一些粒径较小的污染物,甚至病毒这种纳米级的物质也可进行静电吸附或电荷相斥阻隔




实验证明,加入驻极母粒之后,熔喷布的驻极效果大大改善,其表面电荷密度、过滤性能及抗菌性均有明显提高。


驻极工艺

1

驻极处理

电晕充电法是工业生产中应用最广泛的生产驻极体过滤材料的方法。利用一个均匀电场引起空气局部击穿的电晕放电产生离子束轰击电介质,并使离子电荷沉积于电介质中,材料便带上电荷。

2

工艺流程

将已经制备好的熔喷无纺布置于电极极板上→多排电晕针尖对准试样→打开高压静电发生器针尖电压升高→达到一定电压→电极针尖附近的空气产生局部电晕放电→释放出电子或离子→在电极下方的试样表面捕获与放电针极性相同的电荷→使聚丙烯熔喷纤维带电。


驻极母粒的开发目前国内只有少数企业生产,很多是熔喷布厂自己使用,随着国内熔喷布大量投产,转产口罩、防护等熔喷布,驻极母粒目前市场处于紧缺状态。


影响熔喷布驻极性能的因素有哪些?

首先,要分为材料结构性质驻极工艺条件两方面来观察:

材料结构性质对驻极性能的影响

1

聚丙烯的结晶度

结晶度是结晶性聚合物的一个重要参数,对材料的物理机械性能有重要的影响。影响结晶度的因素包括聚丙烯的规整度、成核剂等,但起主要作用的是规整度。材料的规整度和结晶度越高,空间电荷的稳定性越好,结晶能力也越强


 
图1:聚丙烯的XRD衍射图谱

有研究表明,成核剂对PP的结晶行为有明显影响。一般来说成核剂能提高PP的结晶温度,使其结晶度增大,结晶速率加快。所以一般通过结晶温度提高来评价成核剂的作用,PP结晶温度提高得越多,成核剂就越有效。当成核剂使PP在较高温度下成核结晶, 形成完善性高的结晶时, 在一定程度上可改善材料空间电荷的稳定性。


2

纤维细度

纤维细度是决定滤材过滤效率和压损的重要参数之一。在过滤材料的定量相同时,纤维越细, 滤材的表面积越大,过滤系数大,吸附效果越好。


表1:纤维平均直径与熔喷非织造材料初始过滤性能的关系


表中可看出,在纤网其他参数不变时,纤维直径越小,其初始过滤效率越高,初始表面静电势也较高。此外,由于材料表面电荷强度与过滤效率成正比关系,所以当材料表面电荷较多,易于捕获更多的带电粒子,对过滤效率有利。但当纤维直径较大时,对应的过滤阻力较小,这对于高效低阻过滤材料的开发是有利的。


在实际储存过程中,材料的过滤效率会随着时间而变化,呈下降趋势,相比纤维直径大的,纤维直径小的样品,其过滤效率初始较高,随着存放时间的延长,所有样品的过滤效率都随时间而衰减,对于样品直径较小的,其过滤效率下降百分数较小,过滤效率保留率较高,因而过滤效率保持得较持久。


 图2:不同纤维平均直径下各样品的表面电位衰减图

3

材料的孔径

过滤材料的孔径是决定材料过滤精度的重要参数,决定表面过滤的效果好坏。多孔过滤材料的过滤作用是通过其内部的微孔通道来实现,所以熔喷材料的过滤精度在很大程度上取决于其微孔尺寸


表2:纤维孔径与样品初始过滤效率和初始表面静电势的关系


从表中也可看到,孔径对材料初始表面静电势并无太大影响。基本集中在6.5kV左右。但是,孔径小的样品其初始过滤效率较高。随着存放时间的延长,材料的过滤效率都随时间而逐渐下降,最终稳定在某一值。所以从某种程度上来说,孔径小的材料,过滤性能和驻极性能都较好。


 
图3:不同孔径下样品的过滤效率变化趋势图


驻极工艺条件对驻极性能的影响

通常采用电晕充电对熔喷聚丙烯非织造材料进行驻极处理。充电电压、充电时间、充电距离和环境湿度等对空气过滤材料所带静电荷的稳定性起到很大影响。


其中,充电电压对样品的驻极效果影响最明显,其次是环境湿度和充电距离,充电时间对样品的驻极效果影响最小。


1

充电电压

随着充电电压的增加,熔喷驻极非织造材料的过滤效率增大。这是因为随着充电电压的增加,样品表面的驻极电荷增多,对颗粒物的吸附力增加,从而提高了过滤效率。

 
图4:不同充电电压下样品的过滤效率变化趋势图

2

充电时间

随着充电时间的增加熔喷驻极体材料的过滤效率增大,其影响规律和充电电压的影响类似。这是因为充电时间越多,样品表面俘获的电荷越多,可吸附的颗粒物越多,所以过滤效率越好。

 
图5:不同充电时间下样品的过滤效能变化趋势图

3

充电距离

随着充电距离的增加熔喷驻极体材料的过滤效率减小。这是因为充电距离越大,样品表面俘获的电荷越少,可吸附的颗粒物也随之减少,所以过滤效率会降低。

 
图6:不同充电距离下样品的过滤效率变化趋势图

4

环境湿度

从理论上来说,经电晕充电的熔喷非织造材料在大气中存放时,环境温度对其熔喷驻极材料的电荷存储寿命没有明显的影响。但是总体来看,不论是材料的过滤效率还是表面静电势,都会随着时间的延长而产生衰减现象,这对材料的使用来说是不利的。


如口罩中的熔喷材料,在生产出来后通常会放置较长时间才使用。在存放期间,材料的过滤性能驻极性能会随时间而衰减,最坏的情况是材料在使用时己失效,几乎没有过滤作用。


对于熔喷驻极过滤材料,最理想的状态是材料的过滤性能和驻极性能保持在一定稳定水平而不变,但是环境条件对材料的过滤性能及驻极性能,特别是电荷存储稳定性有一定影响。



图7:不同环境湿度下样品的过滤效率变化趋势图


改善熔喷材料驻极耐久性方法




在选材上:

可从提高材料的结晶度入手,如选取等规度高的聚丙烯为原材料,或者进行掺杂改性,使材料形成微晶结构。同时,可提高材料的密实度,如减小纤维细度、增加材料的厚度、提高孔隙率等。





在驻极工艺上:

采用高压充电、减小充电距离、适当延长充电时间或者采用高温充电,驻极后进行热处理等,在一定程度上可提高材料的电荷储存稳定性。同时应注意将材料密封保存,尽量避免与潮湿环境条件的直接接触,在一定程度上有利于保持材料的电荷稳定性。


(声明:本文摘自网络,版权归原作者,只为交流学习不为商用)



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