聚丙烯熔喷无纺布的发展现状与应用

2.1  聚丙烯熔喷料专用料的制备

由于熔喷无纺布工艺具有特殊性,作为其专用的聚丙烯料,需要满足3点要求：高MFI、较窄的相对分子质量分布、较低的灰分[23]。传统聚丙烯原料的MFI不能满足熔喷工艺的要求,因此需要将聚丙烯原料转为熔喷专用聚丙烯料,才能生产出合格的超细纤维布。目前,获得高MFI聚丙烯的方法主要有化学降解法和加氢控制法。

(1) 化学降解法

添加有机过氧化物是均聚聚丙烯颗粒化学降解的主要方法。其降解机理分为三步：一是螺杆挤出机内的高温,使过氧化物分解,产生自由基；二是自由基攻击聚丙烯链上的-CH2-基团,使其失去H原子；三是聚丙烯自由基的分子链断裂,聚合物完成降解,分子量降低,MFI提高[24]。

(2) 加氢控制法

在聚合过程中加入氢气,通过控制氢气的量来调节聚丙烯的熔体流动速率。该方法只能够在一定范围内控制聚丙烯分子量,且分子量分布较宽[25],对MFI的调节范围也很有限。聚丙烯MFI超过30g/10Min后,生产变得困难,对熔喷产品性能影响大,因此,没有被广泛应用。2020年5月,燕山石化股份有限公司采用氢调法新技术生产聚丙烯熔喷专用粒料,并试制成功[26],其滤效高于97％,可用于制作N95等高级口罩。

2.2 聚丙烯熔喷布工艺的发展

熔喷工艺作为起源较早的非织造布生产工艺,是20世纪50年代由美国海军研制成功的。随后,美国Exxo公司和AccurATe公司进一步研究该技术,联手制造出了第一台熔喷无纺布机组,20世纪70年代末,Exxo公司将该技术转让给民用。各大公司基于此基础进行研究并取得专利,如美国JMI公司对常规熔喷模头进行改进,通过模头并列装置使模头更换速度加快,节省了生产线模头替换的时间；美国BiAx公司为了提高生产效率,研制了熔喷模头多排喷丝孔的结构；日本Chisso公司首次研发了双组分共轭纤维熔喷纤网以及海岛纤维熔喷纤网的设备[27]；德国LevenhAus-en公司对熔喷模头进行改良,使其生产效率高,且产品性能优异。熔喷法无纺布因此得到飞速发展,一跃成为无纺布的第二大生产方法。

国内早在20世纪50年代末就开始了熔喷技术的研究。20世纪90年代初,北京化工研究所、中国纺织大学等设计的熔喷模头,在国内生产了近百台[28]。而后,安徽奥宏等企业先后引进5条连续熔喷生产线,打开了我国熔喷市场新局面。当时国内熔喷无纺布主要的应用领域是电池隔板、吸油材料、过滤材料等,但由于市场的限制,发展缓慢。近十年,随着经济和技术的发展,环境保护意识的增强,我国熔喷技术得到高速发展,熔喷生产设备已经能完全实现国产化[29]。

2.3聚丙烯熔喷无纺布制备新技术

熔喷工艺的新技术研究主要有几点：

(1)聚丙烯原料改性技术

通过在等规聚丙烯粒料中添加有机物或无机物,对其进行改性,提高驻极电荷的稳定性以及熔喷布的过滤性。刘妙峥[30]将聚四氟乙烯作为驻极添加剂,与聚丙烯进行杂化处理,制成PTFE／PP熔喷无纺布,当PEFE添加量为0.1％,改性复合熔喷滤料的滤效可达81.2％；未改性时,滤效仅为68.2％。ZHANG等[31]通过在聚丙烯粒料中添加增能助剂,制得的改性聚丙烯熔喷滤料滤效可达99.2％(克重40g/m2),滤阻仅为92PA,可满足防护口罩的呼吸需求。采用添加助剂的方式对聚丙烯改性,可有效提高防疫防护纺织品的滤效及驻极体的稳定性。

(2)驻极处理技术驻极

处理可使纤维带上持久电荷,在滤阻不变的情况下,极大提高熔喷布的过滤效率。电晕驻极是最常见的驻极技术,驻极电压较高、时间较长、电极之间距离较小的驻极效果好[32]。但电驻极产生的驻极体数量有限且不稳定,驻极效果不够理想。随着科技发展,水驻极熔喷布法作为新颖的驻极技术出现,其原理为：高压水泵配制的超纯水从扇形喷嘴喷出,喷射在熔喷布的一面,摩擦产生的静电荷沉积在熔喷纤维中。水驻极技术能使熔喷布做到低阻(81.6PA)、高效(94.98％),且保持时间长[33]。张星等最新研究成果表明,水刺驻极处理聚丙烯针刺非织造材料,滤效由48.7％提升至85.6％。驻极处理作为熔喷工艺中不可或缺的技术,应研究多重驻极处理技术,为提高熔喷布的滤效和综合性能提供技术支撑。

(3)纳米熔喷纤维技术

纳米熔喷纤维[34]是突破ExxoN专利技术而研发的纳米级别纤维,相对于传统熔喷纤维,纤维直径小,比表面积大。NIT公司通过改良喷丝孔结构,使喷丝孔直径达63.5μm,可纺制直径为200～500Nm的纤维；RieTer公司研制了一种单模头熔喷纳米纤维设备,单纤直径为500Nm[35]；Hills公司在该技术上也取得了很大的进展,制得的熔喷纳米纤网的单纤直径可小于250Nm,90％以上的纤维直径在50～400Nm之间。尽管国外已经有关于纳米熔喷技术的研究,但迄今对该技术仍缺乏系统的理论分析与研究,国内在纳米熔喷纤维技术领域研究甚少[36]。