防塵口罩結(jié)構(gòu)材料及其加工技術(shù)探討

1、第 9 卷第 4 期2013 年 4 月中 國 安 全 生 產(chǎn) 科 學(xué) 技 術(shù)journal of safety science and technologyvol 9 no 4april 2013文章編號: 1673 193x( 2013)04 0067 05防塵口罩結(jié)構(gòu)/材料及其加工技術(shù)探討*朱華( 中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院， 北京100029)摘要: 介紹了防塵口罩的結(jié)構(gòu)及選用時(shí)應(yīng)注意的一些問題， 分析了作為防塵口罩核心組件的濾料的過濾機(jī)制。論述了一些非織造布材料和非織造布加工方式對于防塵口罩濾料生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。對于廣泛應(yīng)用于口罩濾料的聚丙烯材料及濾料的主要加工方式 熔噴法非織造布生

2、產(chǎn)技術(shù)， 進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。同時(shí)也簡要介紹了為完善口罩的綜合性能而采用的非織造布復(fù)合技術(shù)。最后研究分析了提高口罩過濾效率的一種非常重要的方法 非織造布駐極加工方法， 并對目前防塵口罩應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了簡要的分析。關(guān)鍵詞: 防塵口罩;過濾材料; 熔噴法非織造布中圖分類號: x916文獻(xiàn)標(biāo)志碼: adoi: 10 11731/j issn 1673- 193x 2013 04 012study on the structure/material and the processing technology of dust maskszhu hua( china academy of safety

3、science and technology，beijing 100029，china)abstract: the structure of dust masks and some considerations for selecting dust masks were both introduced in thispaper the mechanism on how the filter material of the masks acts on the dust and the factors affecting the filterproperties were also analyze

4、d the advantages and disadvantages of some nonwoven materials and nonwoven manu-facturing processes in producing filter materials were comparatively studied melt- blow nonwoven fabric technology，the principal process to manufacture filter material，and the nonwoven composite technology for improving

5、compre-hensive properties of the dust mask were both introduced in detail finally，the electret technology that could great-ly improve the filter efficiency of the mask was also analyzed problems exist in the application of dust masks werealso presentedkey words: dust mask;filter material;melt blown

6、nonwoven收稿日期: 2013 01 31作者簡介:朱華， 博士。*基金項(xiàng)目:2010 2011 年度質(zhì)檢公益科研專項(xiàng)項(xiàng)目( 201010267 03)0引言作業(yè)環(huán)境中的粉塵有無機(jī)類粉塵( 包括礦物性粉塵、 金屬性粉塵和人工無機(jī)粉塵) ， 有機(jī)性粉塵( 包括植物性粉塵、 動物性粉塵和人工合成有機(jī)粉塵) 以及混合型粉塵等。長期處于粉塵作業(yè)環(huán)境中， 可能導(dǎo)致人體肺部纖維化， 產(chǎn)生塵肺、 矽肺等疾病， 以及造成人體致敏、 中毒等危害。其中， 空氣動力學(xué)直徑小于 5m 的粉塵對肌體危害較大， 1 2m 的粉塵危害最大， 因?yàn)檫@些粉塵更容易到達(dá)呼吸器官中較深的部分1 ， 能直接進(jìn)入肺泡， 并沉積在

7、肺部， 對人體造成很大的危害， 是引起塵肺等疾病的罪魁禍?zhǔn)? 。加強(qiáng)個(gè)體防護(hù)， 切斷粉塵進(jìn)入呼吸系統(tǒng)的途徑，是應(yīng)對粉塵危害的主要措施之一。具體做法就是依據(jù)作業(yè)環(huán)境中不同粉塵的性質(zhì)， 讓作業(yè)人員佩戴不同的個(gè)體防護(hù)用品， 包括防塵口罩、 呼吸器等( 對某些有毒粉塵還應(yīng)佩戴全面罩防毒面具及進(jìn)行全身防護(hù)) ， 其中防塵口罩的應(yīng)用最為廣泛。本文將對防塵口罩的結(jié)構(gòu)、 主要材料、 加工工藝及新技術(shù)進(jìn)行探討。1防塵口罩的結(jié)構(gòu)目前我國的防塵口罩按照面罩結(jié)構(gòu)分類， 可分為隨棄式面罩、 可更換式半面罩和全面罩三類。按照過濾元件的過濾性能分為 kn 類和 kp 類。kn 類過濾元件只適用于過濾非油性顆粒物; kp 類

8、過濾元件適用于過濾油性和非油性顆粒物3 。目前作業(yè)崗位上最常用的防塵口罩為隨棄式面罩， 主要分為杯罩式和折疊式兩種。兩類口罩組成部件大體相同， 都是由頭帶、 鼻夾、 面罩等部分組成。根據(jù)需要， 有些口罩會有呼氣閥。頭帶是兩條穿過口罩兩側(cè)固定夾的長帶， 一般為彈性很好的橡膠帶或松緊帶， 可以將口罩固定在頭部。鼻夾在過濾層上部中心位置， 一般放在口罩的外部。其制作材料為金屬或金屬 塑料復(fù)合體，既有可塑性， 又有一定強(qiáng)度， 便于佩戴時(shí)口罩與鼻部顏面之間的密封。呼氣閥為口罩上的止回閥， 只允許呼出氣體通過它排出面罩， 吸氣時(shí)該閥關(guān)閉。防塵口罩的面罩應(yīng)保證在使用狀態(tài)下， 使得口罩與口鼻之間擁有足夠的立體

9、空間。為使口罩的四周邊緣能與面部密切封閉， 有些口罩還采用彈性材料( 一般為彈性針織布復(fù)合材料) 形成一圈張緊的包邊。在口罩頭帶的作用下， 口罩與面頰之間會產(chǎn)生一定的壓力， 由于彈性包邊出色的變形性賦予了口罩邊緣一定的可塑性， 可以使整個(gè)口罩在各個(gè)部位均能形成對面部的完善包覆， 有效提高整個(gè)口罩邊緣的密封性能。隨棄式防塵口罩的面罩基本上由濾料構(gòu)成， 是防塵口罩的主要部分。這一部分決定了口罩的各項(xiàng)防護(hù)性能。通常面罩濾料由若干層構(gòu)成。不同廠家生產(chǎn)的口罩各層數(shù)量及結(jié)構(gòu)有所不同， 但基本上都是遵循所謂 “梯度過濾” 的原則來配置各層。最外層負(fù)責(zé)過濾掉較粗大的粉塵顆粒， 口罩內(nèi)層則負(fù)責(zé)過濾掉較細(xì)小的粉塵

10、， 直至最后將各種粒徑的粉塵顆粒中的絕大多數(shù)過濾掉。這樣的設(shè)計(jì)有利于充分發(fā)揮各層的過濾作用， 保證過濾效率的同時(shí)達(dá)到最大容塵量。一般有一層用強(qiáng)度較高的熱塑性非織造布制作， 作為整個(gè)口罩的定型基礎(chǔ)。2防塵口罩的過濾機(jī)制及影響過濾性能的因素防塵口罩的各層過濾材料一般都由非織造布構(gòu)成， 依靠纖維過濾的方式實(shí)現(xiàn)過濾功能。通常纖維過濾有五大主要過濾機(jī)理: 直接捕獲、 慣性沉積、 重力沉積、 擴(kuò)散沉積效應(yīng)和靜電吸附3 。( 1) 直接捕獲直接捕獲是指隨氣流運(yùn)動的較大粉塵粒子被過濾材料的機(jī)械篩濾作用截留， 或者在流線接近纖維時(shí)， 粒子與纖維發(fā)生接觸， 被纖維捕獲。一般大粒徑粒子主要靠直接捕獲作用過濾， 形狀

11、不規(guī)則的粒子較球形粒子更易被捕獲。粒子直徑與過濾纖維的直徑的比率影響攔截效率。( 2) 慣性沉積空氣中的粒子隨氣流通過過濾材料彎曲的網(wǎng)狀通道時(shí)， 其中動量較大的粒子由于慣性作用會偏離流線方向， 與纖維發(fā)生碰撞而被捕獲， 并由于分子間的作用力而被截留， 這就是慣性沉積。慣性沉積的發(fā)生取決于粒子的空氣動力學(xué)直徑， 空氣動力學(xué)直徑大的粒子比直徑小的粒子更容易撞擊到纖維上。對于口罩來講， 氣流中的大粒子密度較高、 速度較快時(shí)慣性沉積作用比較明顯。( 3) 重力沉積是指穿過口罩濾料的一些質(zhì)量相對較大的粒子在運(yùn)動時(shí)， 由于重力原因偏離流線方向， 沉積到纖維上。( 4) 擴(kuò)散沉積效應(yīng)氣流中的微粒與不斷進(jìn)行熱

12、運(yùn)動的氣體分子碰撞會產(chǎn)生隨機(jī)的布朗運(yùn)動， 導(dǎo)致細(xì)小的粒子作無規(guī)則的運(yùn)動， 這種運(yùn)動會導(dǎo)致粒子與纖維發(fā)生隨機(jī)碰撞， 塵埃顆粒因受纖維分子引力作用而被吸附。擴(kuò)散沉積效應(yīng)最易捕捉小尺度粒子和低速運(yùn)動的86中 國 安 全 生 產(chǎn) 科 學(xué) 技 術(shù)第 9 卷粒子。( 5) 靜電吸附作業(yè)環(huán)境的空氣中浮游粒子多帶有正電荷或負(fù)電荷。現(xiàn)代防塵口罩的過濾層纖維多為帶有極化電荷的駐極體纖維。當(dāng)空氣中這些帶電粒子在經(jīng)過駐極體附近時(shí)， 被強(qiáng)烈地吸附在駐極纖維上; 而浮游粒子中不帶電的粒子會在駐極體形成的電場中因感應(yīng)而極化， 也會被吸附在纖維上。當(dāng)過濾材料過濾空氣中多分散的微粒時(shí)， 在幾種過濾機(jī)理共同作用下， 比較小的微粒

13、由于擴(kuò)散作用而先在纖維上沉積， 所以當(dāng)粒徑由小到大時(shí)， 擴(kuò)散效率逐漸減弱， 比較大的微粒則在攔截和慣性作用下沉積。這樣， 與粒徑有關(guān)的過濾效率曲線就有一個(gè)最低點(diǎn)， 這一點(diǎn)粒徑下的總效率最小， 因而這種微粒是最不容易在過濾材料中被捕集的微粒。通過檢測各種過濾材料對氣流中多分散顆粒的過濾效率，最終發(fā)現(xiàn) 0. 3m 粒徑的顆粒物所對應(yīng)的過濾效率總是最低的。因此， 0. 3m 粒徑通常作為檢測濾材過濾效率的顆粒物粒度指標(biāo)5 。3防塵口罩的濾材早期的防塵口罩， 是從醫(yī)用口罩演變而來的， 多采用紗布制作。但紗布口罩的孔隙直徑過大， 根本無法有效阻止微米級的粉塵顆粒6 。隨著合成超細(xì)纖維和非織造布技術(shù)的發(fā)展

14、， 加上原料的改良及靜電技術(shù)的提升， 合成纖維非織造布在防塵口罩過濾材料中得到廣泛的應(yīng)用， 已取代了傳統(tǒng)的機(jī)織和針織材料。31非織造布過濾材料特點(diǎn)非織造布過濾材料， 其基本結(jié)構(gòu)可以看作是由各種紡織纖維以三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所組成， 其特點(diǎn)是:( 1) 非織造布中纖維呈復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)， 特別是采用超細(xì)纖維制作的非織造布， 纖維間孔隙小且分布均勻， 總孔隙率高， 纖維比表面積大， 因此與環(huán)境氣流的接觸面積大， 與氣流中的粉塵顆粒接觸的幾率高， 同時(shí)過濾阻力較小， 容塵量高。( 2) 非織造布過濾材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成了理想的纖維曲徑式系統(tǒng)， 可增強(qiáng)流體的分散效應(yīng)， 使要過濾的粉塵粒子有更多的機(jī)會與單纖維碰撞

15、并被捕捉，因此具有較高的過濾效率。( 3) 非織造布過濾材料與其它過濾材料相比，可以提高流體的流動速度， 加快過濾過程。( 4) 非織造布過濾材料具有生產(chǎn)工藝流程短，產(chǎn)量高， 成本低， 易與其它濾料復(fù)合且容易在生產(chǎn)過程中進(jìn)行打洞、 折疊、 模壓成型等深加工處理的優(yōu)點(diǎn)。32非織造布的加工工藝非織造布的加工方法有很多種， 如濕法、 化學(xué)粘合法、 針刺法、 紡粘法、 熱粘合及熔噴法幾乎都適用于過濾材料的生產(chǎn)。就材料的過濾性能來說， 隨纖維直徑的下降， 過濾效率增加， 這是由于在濾材定量相同時(shí)， 纖維越細(xì)， 濾材的比表面積越大， 吸附效果就越好。同時(shí)， 纖維直徑越細(xì)， 所形成的平均纖網(wǎng)網(wǎng)孔直徑越小，

16、對顆粒的阻隔效果就更好， 所以防塵口罩濾料基本上都是采用超細(xì)纖維制作。在各種非織造布加工工藝得到的產(chǎn)品中， 以熔噴法非織造布的組成纖維最細(xì)， 這是因?yàn)槿蹏姺ǚ强椩觳荚诩庸み^程中受到高溫高速氣流噴吹而產(chǎn)生的強(qiáng)烈的拉伸作用， 纖維直徑多在 0. 5 4m 之間。非織造布內(nèi)部的微孔小而多， 纖維集合體對顆粒物起到強(qiáng)烈的截留和阻滯作用， 從而可以實(shí)現(xiàn)較高的過濾效率7 。因此， 作為防塵口罩的核心組件 過濾層， 通常采用熔噴法生產(chǎn)的非織造布制作?？谡譃V料使用的熔噴法非織造布， 大多采用聚丙烯作為原料。這是由于聚丙烯具備一系列的特點(diǎn)， 非常適合用作防塵口罩的濾材。首先， 聚丙烯纖維具有原料豐富、 生產(chǎn)成本

17、低、 重量輕、 強(qiáng)度高、 耐磨性及彈性回復(fù)性好、 熱熔性能好、 超聲波焊接性能優(yōu)異以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)， 已經(jīng)大量應(yīng)用于熔噴法非織造布的生產(chǎn)。其次， 聚丙烯還具有化學(xué)性能比較穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)， 其纖維材料的吸濕率為零， 制作的熔噴非織造布具有耐酸堿、 耐有機(jī)化學(xué)溶劑、 耐蟲蛀， 耐霉?fàn)€和無毒等特點(diǎn)， 非常適用于各種不同條件下的作業(yè)環(huán)境。聚丙烯纖維也非常適合于進(jìn)行高壓駐極處理， 經(jīng)過改進(jìn)的工藝處理后可具有長效靜電， 能大幅度提高濾材的空氣過濾效率。最后， 由于聚丙烯熔噴非織造布的結(jié)構(gòu)是由聚丙烯纖維自身熱粘合而成形的， 其后續(xù)加工也大多采用超聲波焊接工藝， 生產(chǎn)過程中很少使用其他化學(xué)制劑， 對環(huán)境污染較小

18、，屬于環(huán)境友好型產(chǎn)品。上述因素奠定了聚丙烯熔噴非織造布在過濾材料領(lǐng)域無可比擬的優(yōu)勢。96第 4 期中 國 安 全 生 產(chǎn) 科 學(xué) 技 術(shù)作為防塵口罩的濾料， 熔噴法非織造布也有自身的性能缺陷， 主要是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、 耐磨性差。在實(shí)際應(yīng)用中， 口罩僅靠熔噴法非織造布過濾層是無法維持其使用強(qiáng)度的。因此應(yīng)采用其他材料對口罩進(jìn)行加固。通常采用熔噴法非織造布和紡粘法非織造布相結(jié)合的方法制作口罩的面罩。紡粘法非織造布生產(chǎn)技術(shù)， 是利用化纖紡絲的方法， 將高聚物紡絲、 牽伸、 鋪疊成網(wǎng)， 最后經(jīng)針刺、或熱軋等方法固結(jié)成布8 。紡粘法非織造布的最大特點(diǎn)是纖網(wǎng)中纖維為連續(xù)長絲， 與同克重的其它非織造布產(chǎn)品相比，

19、具有強(qiáng)度高， 縱橫向機(jī)械性能接近等優(yōu)點(diǎn)， 但其成網(wǎng)均勻度和表面覆蓋性較差， 過濾性能也不能與熔噴法非織造布相比。但與熔噴法非織造布復(fù)合后， 所形成的復(fù)合體則恰好彌補(bǔ)了彼此的弱點(diǎn)， 具有強(qiáng)度高、 耐磨性好的特點(diǎn)， 同時(shí)又具有優(yōu)異的過濾性能9 。4提高濾材過濾效率的重要方法 靜電強(qiáng)化為進(jìn)一步提高熔噴法非織造布濾料的過濾效果， 應(yīng)當(dāng)減小非織造布中纖維細(xì)度、 增加濾材的密度， 但這樣做一方面會遇到技術(shù)上的困難， 并造成產(chǎn)品成本的上升， 同時(shí)也會引起濾料過濾阻力的明顯增加。解決這一矛盾的方法是使熔噴非織造材料帶靜電， 可通過靜電吸附效應(yīng)提高其過濾性能。目前廣泛采用的技術(shù)是對熔噴非織造布進(jìn)行駐極處理。在強(qiáng)

20、外電場等因素作用下極化并能較長時(shí)期保持極化狀態(tài)的電介質(zhì)， 叫做駐極體， 又叫永電體。所謂駐極處理就是將紡織纖維加工成駐極體。聚丙烯材料具有較高的電阻率( 7 1010cm) ， 注入電荷的容量較大， 是一種制造駐極纖維的理想材料。聚丙烯纖維駐極體在通常環(huán)境條件下的電荷穩(wěn)定性能可以與公認(rèn)為最優(yōu)異的非極性薄膜駐極體聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，ptfe)相媲美10 。根據(jù)庫倫沉積理論， 纖維集合體對粉塵顆粒的捕集系數(shù)與纖維每單位長度的電荷量成正比， 與纖維直徑和粉塵微粒直徑成反比關(guān)系11 。經(jīng)駐極處理的聚丙烯熔噴非織造布， 可帶有較為持久的靜電，增強(qiáng)了依靠靜電效應(yīng)捕集

21、微細(xì)塵埃的能力， 不但提高了過濾效率， 還可以進(jìn)一步降低過濾阻力、 增加容塵量， 這可能是因?yàn)殡姇灧烹娛估w網(wǎng)帶上相同的電荷， 導(dǎo)致纖維之間相互排斥， 空隙變大， 整個(gè)過濾纖維集合體呈疏松的開放型結(jié)構(gòu)所致。實(shí)驗(yàn)證明， 對于非織造布過濾材料， 靜電過濾作用比重力沉積、 慣性沉積、 擴(kuò)散沉積和直接捕獲等作用強(qiáng)很多。經(jīng)過駐極處理后， 定量 20g/m2的材料即能達(dá)到99%的過濾效率。而且在同樣過濾效率情況下， 駐極材料不僅用量少而且阻力低。25g/m2左右的駐極體試樣， 過濾阻力小于 0. 1pa12 。使過濾材料纖維集合體駐極化的方法有很多，主要有電暈放電、 摩擦起電、 靜電紡絲、 熱極化和低能電子

22、束轟擊等13 。駐極方法不同導(dǎo)致了所形成的駐極體的性質(zhì)有較大的區(qū)別， 這是因?yàn)椴煌鸟v極方法造成過濾材料單位面積上電荷量以及電荷埋藏的深度有所不同， 而這些因素直接影響到材料的電荷保持性能和過濾效率。駐極體過濾材料各處的電荷密度應(yīng)當(dāng)保持一定的均勻性， 電荷埋藏的深度也應(yīng)當(dāng)有一定的一致性， 才有利于過濾效率的發(fā)揮。目前， 電暈放電法是最佳的非織造布粉塵過濾材料靜電駐極方法。這種駐極方法可有效地控制產(chǎn)品纖維的電荷密度及其均勻性， 在實(shí)際生產(chǎn)過程中比較容易實(shí)現(xiàn)。在加工過程中， 熔噴法濾料的駐極化發(fā)生在熔噴加工工序。在該工序， 噴絲板和收集器之間裝有兩排加有偏壓的電暈針， 在一定的電壓作用下， 空氣通

23、道中的空氣被電離， 電荷在電場力和空氣動力作用下被施加到纖維內(nèi)部， 形成駐極體。5結(jié)束語隨著材料科學(xué)和加工技術(shù)的發(fā)展， 未來防塵口罩的發(fā)展有以下趨勢:( 1) 纖維直徑小于 100nm 的納米超細(xì)纖維已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。用這種纖維可以制作出孔徑更小、 具有更高孔隙率的過濾材料， 其中的纖維具有比普通超細(xì)纖維更大的比表面積， 因此可以阻擋粒徑更細(xì)微的粉塵粒子和氣溶膠， 實(shí)現(xiàn)極高的過濾效率14 。( 2) 未來口罩外形的設(shè)計(jì)將更加人性化， 美觀化， 更加符合人體工效學(xué)原理， 使得佩戴舒適感增強(qiáng)。( 3) 呼氣閥是提高口罩佩戴舒適性的重要部件。未來防塵口罩的呼氣閥將使用高性能工程塑料07中 國

24、安 全 生 產(chǎn) 科 學(xué) 技 術(shù)第 9 卷和合成橡膠膜片制作。膜片的力學(xué)性能優(yōu)異， 對口罩內(nèi)外的壓力差更加敏感， 在很小的力矩作用下即可實(shí)現(xiàn)開閉動作， 這樣就更容易排出呼出的氣體， 使得口罩內(nèi)的微環(huán)境空氣始終保持清新， 而膜片本身可以經(jīng)歷數(shù)萬次彎曲變形仍保持基本力學(xué)性能無明顯變化。閥體的加工精度可以達(dá)到很高的程度， 當(dāng)呼氣閥閉合時(shí)膜片與閥體結(jié)合達(dá)到高度嚴(yán)密的程度， 杜絕吸氣時(shí)的泄漏。無論閥體還是膜片， 均具有優(yōu)異的耐化學(xué)侵蝕、 耐高低溫、 耐老化性能， 能夠適應(yīng)各種不同的作業(yè)環(huán)境。參考文獻(xiàn) 1 中國安全生產(chǎn)網(wǎng) 粉塵的職業(yè)危害及接觸限值eb/ol http: / /www aqsc cn/1018

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