医用防护口罩熔喷滤料外置式驻极性能研究.doc

医用防护口罩熔喷滤料外置式驻极性能研究周 晨1 刘 超1 靳向煜1(1. 东华大学 产业用纺织品发展中心，上海，201620）摘 要：本文以未驻极的超细纤维熔喷聚丙烯过滤材料为原料，对其进行外置式电晕驻极处理。通过改变驻极电压、驻极时间和正反面驻极，来分析讨论不同的驻极工艺参数对滤料透气性能和过滤性能的影响。同时还将驻极滤料分别存储在室温（温度1623C，湿度60%87%）480小时和960小时，比较分析储存时间对熔喷材料电荷稳定性的影响。结果表明：当驻极电压升高、驻极时间延长，滤料的透气性能下降；随着驻极电压上升以及正反面驻极，滤料过滤效率上升；但随着驻极时间的延长，滤料的过滤效率先上升后稍有下降；而存储时间延长滤料的过滤效率下降。 关键词：医用防护口罩，熔喷，过滤效率，外置式驻极处理，电晕驻极中图分类号： TS 131.9 文献标志码： The study of electret performance of melt-blow nonwoven material as medical protective mask ZHOU Chen1, LIU Chao1, JIN Xiangyu1(1. The Development Centre of Industrial Non-woven Material , Shanghai 201620, China)In this experiment the melt-blown material were processed with external corona electret with different process parameter, such as voltage,time, and different sides.Through this we can analyse and discuss the effect of different parameters on the air permeability performance and filter performance. In addition,we keep the filter material under the normal condition for 480 and 960 hours, then we analyse the stability of the charges . In conclusion when I raise the voltage and time the breathe performance will weaken; but the filter performance improved as I raise the voltage, two sides; when I process the material for a longer time, the filter performance will raise first then weaken for a little;when I keep filter material for a longer time ,the charge will weaken and exhibit a lower lever of filter performance.Key words : Medical mask, Melt-flown material, External filter performance, Electret treatment 流感等一些呼吸道传染病正严重危害人类的健康。流感因其病原体变异快、传播速度快、人群普遍易感染、控制难度大等原因易发生世界范围内的大流行，如SARS和甲型H1N1流感病毒。如何降低流感病毒的扩散速度，阻断带病毒粉尘颗粒进入呼吸道，最简单有效也是最基本的方法就是使用医用防护口罩1，这也是世界卫生组织建议民众所采取的措施。人们对医用口罩的过滤阻隔性能要求更加严格，熔喷过滤材料是防护口罩过滤层的最佳选择。而驻极处理可在不增加熔喷滤料呼吸阻力条件下，大幅度提高过滤效率，因此对熔喷滤料驻极性能的研究显得尤为重要。 本文以未驻极的超细纤维熔喷聚丙烯过滤材料为原料，对其进行外置式电晕驻极处理。通过改变驻极电压，驻极时间和正反面驻极，来分析讨论不同的驻极工艺参数对滤料透气性能和过滤性能的影响。同时还将驻极滤料分别用密封袋密封，存放在室温条件（温度1623C，湿度60%87%）480小时和960小时，比较分析储存时间对熔喷材料电荷稳定性的影响。1 实验1.1 实验原料原料为面密度12.28g/m2，厚度0.19mm的未驻极超细纤维聚丙烯熔喷滤料。1.2 驻极处理内置式驻极处理时，滤料不易被电击穿，但是电场强度分布不匀4，因此本实验采用外置式驻极处理。将0.25m宽，2m长的的未驻极熔喷滤料卷绕在滚筒上，打开高压静电发生器，产生的电压通过极板针尖放电，使针尖附近形成很强的电场，针尖附近的空气分子被电离成正负离子，这些正负离子会频繁的发生复合，电极尖端就会辐射出淡紫色的电晕光辉，此时针尖下的物体就会受到电场的作用，产生驻极效果，如图1所示。实验中熔喷滤料在滚筒上一方面随着滚筒转动，一方面随着横板横移，以均匀地接受驻极处理，整个驻极处理过程呈螺旋形。 作者简介：周晨，女，1988年生，在读硕士研究生。主要研究方向：驻极处理。1.3 实验方法(1) 透气量测试:参照标准GB/T5453-199，采用FX3300Textest透气测试仪。(2) 过滤效率测试：参照标准GB2626-2006，采用钠焰法气溶胶滤料效率检测仪，Nacl质量中值直径(MMD)0.3m，粒数中值直径(CMD) 0.075m。过滤效率计算公式：式中：-过滤效率(% )；K-透过率；A 1-滤前试验尘的光电流值；A 2-滤后试验尘的光电流值；A 0-测试仪的本底光电流值；-测试仪的自吸收系数。2 结果与讨论 本实验将未经驻极处理的滤料，通过改变驻极电压，驻极时间及正面和正反面驻极等实验参数进行电晕驻极处理。采用的参数分别是驻极电压20kv、25kv、30kv、45kv、60kv；驻极时间11s、22s、33s、66s；正面、正反面驻极；并且将驻极后的滤料在室温（温度1623C，湿度60%87%）条件下储存480小时和960小时。通过测试不同驻极条件下熔喷滤料的透气量和过滤效率，分析不同工艺参数下驻极处理对熔喷滤料过滤性能的影响。2.1 驻极电压对滤料性能的影响有关研究显示，驻极前后滤料的透气性能不发生改变。但本实验数据发现未驻极滤料与驻极滤料相比，透气量发生了变化，如图2所示。从驻极原理角度出发：通过正压驻极，材料的表面和近表面积聚了大量的正电荷，由于同种电荷相互排斥，导致了纤维之间的移动，使滤料形成开放型结构，增大了滤料的透气量。但是随着驻极电压的增加，透气量呈现下降的趋势，主要原因是通过高强度的驻极处理，增大了滤料表面电荷面密度，使纤维表面的短纤维、细纤维等竖立倾斜，阻挡了气流的正常穿透，使滤料的透气性能下降。未驻极的滤料主要依靠机械作用来达到阻隔的目的。本实验使用的未驻极熔喷滤料的过滤效率只有30.16%，仅稍高于传统纱布平面口罩。而经驻极处理后滤料的过滤效率发生了跳跃性变化，从30.15%增到80%左右，通过驻极处理使滤料带上了持久的静电荷，能大量吸附极化粒子，使过滤效率急剧增加。并且随着驻极电压的上升，过滤效率呈现上升的趋势，原因是驻极过程中，在相同的时间内滤料表面积聚的电荷数量增加，表面电位提高，使滤料形成更开阔的开放型结构，增强了对粉尘的捕捉效果；并且滤料表面的电荷密度增大，对颗粒的吸附极化作用增强，所以过滤效率随着驻极电压的增大而上升。图1 电晕驻极原理示意图图2 驻极电压与透气量的关系曲线图3 驻极电压与过滤效率的关系曲线2.2 驻极时间对滤料性能的影响本实验采用无栅电晕驻极，驻极开始时，表面电荷面密度不均匀，电荷密度较大的地方，电荷的排斥作用强烈，滤料表面形成较大的开放型结构，其孔隙变大，因此透气性能增大；当驻极时间延长，沉积的电荷密度比较均匀，各个微小孔隙内电荷的排斥作用相差不大，因此纤维又慢慢回复到原来的位置，其孔隙变小，透气性能下降，甚至低于未驻极滤料的透气性能，如图4曲线所示。原因在于长时间驻极使滤料表面的短小纤维竖立倾斜，阻挡了气流的正常通过，并且有可能长时间的驻极处理，对滤料造成了一定程度的损伤。驻极时间和驻极电压是影响驻极效果的两个重要在线工艺参数，但是与上组中驻极电压的影响效果不同：驻极开始时，随着驻极时间的增加，沉积的等效面电荷密度增大，驻极体表面的电势升高，使驻极体的吸附和极化作用增强，但随着驻极时间再增加，滤料表面电位足够高时，针尖下方的电荷将被排斥向其他电荷密度较小的地方移动2。当驻极结束时，其电荷面密度达到饱和状态，因此驻极时间再增长时，滤料的过滤效率无明显变化。图4 驻极时间与透气量的关系曲线图5 驻极时间与过滤效率的关系曲线2.3 放置时间对滤料过滤性能的影响 在放置过程中，滤料的表面结构并没有发生变化，滤料的透气性能的变化不大，但是滤料的过滤效率却发生了变化，如图6所示。通过电晕驻极处理，聚丙烯滤料含有2种电荷：1）空间电荷：介质外面经施加的电场通过排斥作用，空间电荷被束缚在聚丙烯相邻原子基团和结晶与非结晶区域；2）极化电荷：驻极过程中，聚丙烯晶粒的2个端面产生Maxwell-Wagner效应，积聚相反的电荷，形成极化3。但是这两种电荷不能长期稳定存储在滤料中，聚丙烯材料有一定的导电性，并且在存储过程中表现出受外界湿度影响，这不利于空间电荷的存储，因此，存储过程中空间电荷会逐渐减少，而极化电荷将一直存储在滤料中，从严格意义而言，滤料的过滤效率会呈现下降的趋势。图6 放置时间与过滤效率的关系曲线2.4 正反面驻极对熔喷滤料性能的影响 从实验中的数据得出,正面驻极滤料，其正面的过滤效率都要比反面(未驻极面)的过滤效率大，原因是电晕驻极时电晕场对气流离子激发有限的束能，充电的电荷只能沉积在材料的表面和近表面2，因此正面沉积的电荷要比反面多，正面的吸附静电作用要相对强一点；正反面驻极的的滤料其正反面的过滤效率比正面驻极要高，如表1所示，原因在于：1）正反面驻极之后聚丙烯晶体表面Maxwell-Wagner效应增强，使滤料内部的极化电荷增多；2）正反面驻极之后，滤料两面都集聚了大量的电荷，因此正反面驻极的滤料过滤效率比较好，但是这种差别比较小。表1 单双面驻极对熔喷滤料性能的影响样品编号驻极电压(kv)正反面正面过滤效率反面过滤效率330正面84.04%82.82%1830正、反面89.06%88.4%225正面77.3%76.78%2025正、反面87.4%86.84%3 结论超细纤维熔喷过滤材料是医用防护口罩最常见的过滤层原料，而驻极处理是提高熔喷滤料过滤效率最好的方法，且在提高过滤效率的同时不增加呼吸阻力。通过驻极处理之后，无论是透气性能和过滤性能都有所改善，并且在选择不同的驻极电压、驻极时间、正反面驻极时，会得到不同效果的透气和过滤性能，本实验讨论了不同驻极工艺参数对熔喷滤料透气性能和过滤性能的影响趋势。参考文献： 1 刘超，靳向煜，陈孝兆.医用自吸过滤式流感防护口罩 的结构与性能. 产业用纺织品， 2009，12：28-322 江健，夏钟福，崔黎丽. 神奇的驻极体.北京：科学出 版社，20033 陈钢进，肖慧明，王耀翔. 聚丙烯非织造布的驻极体电 荷存储特性和稳定性.纺织学报，2007，28(9)：126-1284 Peter P.Tsai;Larry C.Wadsworth,both ofKnoxville,Tenn. 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