聚丙烯熔噴過(guò)濾材料的制備及性能研究

聚丙烯熔噴過(guò)濾材料的制備及性能研究

由于病因快速改變，傳播速度快，人們?nèi)菀赘惺艿綇?qiáng)烈的控制困難，世界上也很容易流行。氯胺化合物是一種新型的抗菌劑。本試驗(yàn)通過(guò)接枝法使2,4-二氨基-6-二烯丙基氨基-1,3,5-三嗪(簡(jiǎn)稱NDAM)單體接枝到聚丙烯(PP)大分子鏈上,再將接枝反應(yīng)后的PP與NDAM單體接枝共聚物(下稱改性PP)經(jīng)熔噴工藝制成熔噴過(guò)濾材料,經(jīng)氯漂處理后使熔噴過(guò)濾材料具備抗菌性能。熔噴過(guò)濾材料是用于醫(yī)用防護(hù)口罩中最主要的過(guò)濾材料,若制成具有抗菌性能的熔噴過(guò)濾材料,則將更好地降低病毒、細(xì)菌的感染率,提高口罩的防護(hù)性能。1試驗(yàn)部分1.1dam抗菌單體原料:PP(MFI1500),NDAM抗菌單體,過(guò)氧化二異丙苯(DCP)引發(fā)劑。NDAM抗菌單體屬于三聚氰胺的衍生物,是一種氯胺化合物。將PP、NDAM單體和DCP按一定比例均勻混合,喂入螺桿擠出機(jī),在高溫加熱(200℃)條件下熔融,發(fā)生接枝共聚反應(yīng),由擠出機(jī)擠出后冷卻、切割,制得均勻的改性PP切片。圖1是NDAM單體的化學(xué)結(jié)構(gòu);圖2是改性PP的化學(xué)結(jié)構(gòu)1.2pp熔噴非織造布的性能設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù):紡絲溫度240~280℃,噴絲孔直徑0.18mm,螺桿擠出機(jī)長(zhǎng)徑比35∶1,拉伸熱空氣溫度280~320℃,空氣壓力0.25MPa,接收距離28cm,PP熔體指數(shù)MFI>1000。本文主要討論在適宜熔噴工藝參數(shù)條件下,改性PP切片與純PP切片按三種不同比例混合加工而成的三種熔噴非織造布試樣的過(guò)濾性能和抗菌性能。試樣1~試樣3的改性PP/PP的質(zhì)量比依次為40/60、60/40和100/0。1.3數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用G002C纖維檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試?yán)w維直徑。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡、檢測(cè)軟件組成,利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像信號(hào)處理技術(shù),達(dá)到方便測(cè)量纖維直徑的目的。每種試樣測(cè)量1000根纖維,并計(jì)算其平均值。1.4呼吸過(guò)濾效率測(cè)試采用TSI8130型自動(dòng)濾料測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。氣溶膠為NaCl非油性顆粒物,平均顆粒直徑0.26μm;過(guò)濾效率測(cè)試精度為99.999%。該儀器的測(cè)試方法滿足美國(guó)職業(yè)安全與健康局(NIOSH42CFR,Part84)對(duì)呼吸器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)要求,同時(shí)符合GB2626—2006《呼吸防護(hù)用品自吸過(guò)濾式防顆粒物呼吸器》對(duì)過(guò)濾效率的測(cè)試要求。過(guò)濾效率的計(jì)算是通過(guò)測(cè)量過(guò)濾材料兩端顆粒物濃度得到顆粒物穿透率k,從而得出過(guò)濾效率η,計(jì)算公式如下:式中:CC1.5駐極體空氣過(guò)濾材料采用電暈法駐極,在低壓空氣下對(duì)針形電極施加數(shù)千伏高壓,使針尖附近形成強(qiáng)電場(chǎng),針尖附近的空氣分子被電離成正負(fù)離子,這些正負(fù)離子會(huì)頻繁地發(fā)生復(fù)合,電極尖端就會(huì)輻射出淡紫色的電暈光輝,并伴隨著“哧,哧”的放電聲,此時(shí)針尖下的物體就會(huì)受到電場(chǎng)的作用,產(chǎn)生駐極效果駐極體空氣過(guò)濾材料除原有的機(jī)械阻擋作用外,還依靠靜電力直接吸引空氣中的帶電微粒并將其捕獲,或誘導(dǎo)空氣中的中性微粒產(chǎn)生極性將其捕獲,從而更有效地過(guò)濾空氣中的亞微米粒子,在不增加空氣阻力的情況下顯著提高過(guò)濾效率1.6殺菌才是殺菌由改性PP切片直接制成的纖維長(zhǎng)絲或熔噴非織造布并不具有抗菌性能,必須經(jīng)過(guò)氯漂后才能殺菌。氯漂過(guò)程如圖3所示。氯離子替代改性PP聚合物上的氫離子,由于氯離子遇水形成游離態(tài)氯,即活性氯,具有強(qiáng)氧化性,能與細(xì)菌體內(nèi)的酶系統(tǒng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而抑制和破壞細(xì)菌細(xì)胞中酶的活性,使細(xì)菌不能吸收葡萄糖,發(fā)生營(yíng)養(yǎng)障礙以致死亡1.7a.b.懸浮液的抗菌性能依照美國(guó)紡織品染化師協(xié)會(huì)(AATCC100)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗菌測(cè)試。0.5mL懸浮液中含有10式中:A———控制樣的瓊脂培養(yǎng)皿中細(xì)菌數(shù)量;B———試驗(yàn)樣的瓊脂培養(yǎng)皿中細(xì)菌數(shù)量。2結(jié)果與討論2.1改性pp含量對(duì)熔噴非織造布拉伸性能的影響整個(gè)熔噴過(guò)程的紡絲溫度控制在240~280℃之間,在熔噴工藝參數(shù)不變的情況下,制得面密度接近的三組改性PP熔噴非織造布,其基本性能見(jiàn)表1。三組熔噴非織造布的面密度較為接近,可近似看作三組熔噴非織造布具有相同面密度,在此前提下,測(cè)試其厚度和拉伸性能。由表1可見(jiàn),隨著改性PP含量的增加,熔噴非織造布的厚度、拉伸強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率隨之降低。這是由于改性PP易降解,隨著改性PP含量增加,熔體出現(xiàn)大量的小分子,使得大分子間交聯(lián)程度增加,熔體黏度增加,流動(dòng)性能降低,噴絲過(guò)程中易發(fā)生斷絲、并絲等現(xiàn)象,且熔噴非織造布表面料點(diǎn)增加,纖維黏結(jié)點(diǎn)減少,纖維直徑增加,使得熔噴非織造布蓬松度減少,導(dǎo)致厚度降低,同時(shí)料點(diǎn)聚集處易發(fā)生斷裂,因此斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率均降低。2.2抗菌性成分測(cè)定熔噴過(guò)濾材料纖維直徑的大小直接影響材料的過(guò)濾性能。因?yàn)槔w維越細(xì),纖維的比表面積越大,攔截病毒、細(xì)菌等顆粒物的概率增加,過(guò)濾效率提高。除此之外,處于纖維表面的抗菌材料對(duì)細(xì)菌、病毒具有較強(qiáng)殺滅作用,而處于纖維內(nèi)部的抗菌成分的殺滅作用較低,因此纖維越細(xì),纖維比表面積越大,則處于纖維表面的抗菌成分越多,殺菌效果越好。由表1可見(jiàn),隨著熔噴非織造布試樣中改性PP含量的增加,試樣纖維的平均直徑逐漸增大。圖4是放大500倍的熔噴非織造布試樣SEM照片。改性PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的熔噴非織造布試樣表面纖維分布均勻,幾乎看不到料點(diǎn),無(wú)塊狀黏結(jié)點(diǎn),單位面積的孔隙率最高,纖維直徑小,試樣較為理想;當(dāng)改性PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到60%時(shí),纖維表面開(kāi)始出現(xiàn)不均勻形態(tài),有少量偏粗的纖維,且出現(xiàn)少量料點(diǎn)及少量塊狀黏結(jié)點(diǎn),纖維直徑較前者粗;當(dāng)使用100%改性PP加工成熔噴非織造布試樣時(shí),表面料點(diǎn)數(shù)量增加且明顯可見(jiàn),纖維直徑更粗,斷絲現(xiàn)象嚴(yán)重,纖維間的黏合較弱,表面手感粗糙。這是因?yàn)楦男訮P熱穩(wěn)定性能較差,易發(fā)生熱降解,雖然紡絲溫度盡量控制在280℃以下,但整個(gè)紡絲過(guò)程較為復(fù)雜,難免會(huì)發(fā)生降解。降解過(guò)程中出現(xiàn)大量的小分子使得大分子間交聯(lián)程度增加,熔體黏度增加,流動(dòng)性能降低,使得聚合物從噴絲孔噴出時(shí)不容易被拉長(zhǎng)拉細(xì),且易發(fā)生斷絲、并絲等現(xiàn)象。2.3影響顆粒物防護(hù)性能的因素過(guò)濾效率是呼吸防護(hù)裝備的關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)之一,表征著口罩對(duì)各類有害顆粒物的防護(hù)性能。影響過(guò)濾效率的因素主要有纖維線密度、表面結(jié)構(gòu)、厚度和面密度、駐極處理,其中最主要的影響因素是纖維線密度和駐極處理。表2為未經(jīng)駐極處理和經(jīng)過(guò)駐極處理的熔噴非織造布試樣的過(guò)濾性能測(cè)試結(jié)果。2.3.1改性pp含量對(duì)過(guò)濾性能的影響未經(jīng)駐極處理的熔噴非織造布試樣中,改性PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的試樣的過(guò)濾效率為37.12%。隨著改性PP含量的增加,試樣的過(guò)濾效率隨之降低。由于三組試樣均未進(jìn)行駐極處理,且面密度相近,因此出現(xiàn)該情況的主要影響因素是纖維線密度以及試樣的表面結(jié)構(gòu)和厚度。纖維的毛細(xì)作用和纖維集合體之間產(chǎn)生的微細(xì)空隙增加了顆粒物通過(guò)時(shí)的碰撞概率,能有效提高過(guò)濾性能。纖維越細(xì),隨機(jī)排列的纖網(wǎng)相對(duì)越緊密,纖維與纖維之間空隙減少,使得其對(duì)微粒的擴(kuò)散作用和慣性作用增強(qiáng),最終使過(guò)濾材料的整體過(guò)濾效率提高。由熔噴非織造布試樣的表面結(jié)構(gòu)可知,隨著改性PP含量的增加,試樣表面纖維排列均勻度降低,且出現(xiàn)少量料點(diǎn),導(dǎo)致孔隙率低、孔徑大,過(guò)濾效率降低。由熔噴非織造布試樣基本性能可知,隨著改性PP含量的增加,在相同面密度條件下,試樣的厚度減小,則顆粒通過(guò)過(guò)濾材料的路徑縮短,使材料的接觸面減少,過(guò)濾效率降低。三組未經(jīng)駐極處理的熔噴非織造布試樣的呼吸阻力差異較小,均符合醫(yī)用防護(hù)口罩用過(guò)濾材料對(duì)呼吸阻力的要求,但三組試樣的過(guò)濾效率總體偏低,均在40%以下,無(wú)法滿足醫(yī)用防護(hù)口罩對(duì)熔噴過(guò)濾材料的要求。2.3.2過(guò)濾效率與呼吸阻力的關(guān)系經(jīng)過(guò)駐極處理的熔噴非織造布試樣中,改性PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的試樣的過(guò)濾效率上升到84.88%,改性PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的試樣的過(guò)濾效率達(dá)到80.08%。過(guò)濾效率比未經(jīng)駐極處理的試樣有了極大提高,而呼吸阻力基本不變。由上可見(jiàn),駐極處理可在不增加呼吸阻力的情況下,大幅度提高熔噴過(guò)濾材料的過(guò)濾效率。因此,若要將改性PP熔噴非織造布用于醫(yī)用防護(hù)口罩,不僅要嚴(yán)格控制熔噴工藝參數(shù),還需對(duì)其進(jìn)行駐極處理。2.4抗菌性能分析表3是熔噴非織造布試樣抗菌性能測(cè)試結(jié)果。隨著改性PP含量的增加,試樣對(duì)大腸桿菌的殺菌率逐漸增加,當(dāng)改性PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%時(shí),殺菌率達(dá)到100%,能有效殺滅大腸桿菌。但改性PP含量較低時(shí),殺菌率較低,不能有效殺滅大腸桿菌。在理論上,含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%和60%改性PP的試樣中,其NDAM的含量已足夠有效殺滅細(xì)菌。但是,經(jīng)過(guò)熔噴工藝加工后,抗菌性能大大降低,只有含100%改性PP的熔噴非織造布才具備有效抗菌性能。主要有兩方面原因:(1)PP和NDAM接枝率低。接枝率的高低直接決定活性氯的高低,活性氯是該改性聚合物的殺菌成分,活性氯含量越高,則殺菌效果越好。因此,要提高殺菌率就必須提高PP和NDAM的接枝率。(2)紡絲溫度難控制。紡絲溫度控制是本試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù),因?yàn)镹DAM單體容易熱降解,一旦發(fā)生降解,就會(huì)大大降低NDAM含量,使得氯代后活性氯含量降低,直接導(dǎo)致殺菌性能降低。除此之外,熔噴工藝參數(shù)還會(huì)直接影響纖維線密度,纖維越細(xì),比表面積越大,則表面活性氯含量越高,殺菌效果越好。因此,必須選擇適合的熔噴工藝參數(shù),才能更好地發(fā)揮熔噴非織造布的抗菌性能。3熔噴非織造布試樣在自然條件下,其(1)由于改性PP的熱穩(wěn)定性差,需將熔噴紡絲溫度控制在240~280℃之間,并使用高熔體指數(shù)的PP為原料。(2)隨著改性PP含量的增加,熔噴非織造布試樣的纖維直徑增加,纖維直徑分布增大,表面纖維排列均勻度降低,厚度減小,使得過(guò)濾效率降低。(3)熔噴非織造布試樣在經(jīng)過(guò)30kV電壓駐極處理后,過(guò)濾效率明顯