醫(yī)用防護(hù)口罩熔噴濾料外置式駐極性能研究

1、醫(yī)用防護(hù)口罩熔噴濾料外置式駐極性能研究周 晨1 劉 超1 靳向煜1(1. 東華大學(xué) 產(chǎn)業(yè)用紡織品發(fā)展中心，上海，201620）摘 要：本文以未駐極的超細(xì)纖維熔噴聚丙烯過(guò)濾材料為原料，對(duì)其進(jìn)行外置式電暈駐極處理。通過(guò)改變駐極電壓、駐極時(shí)間和正反面駐極，來(lái)分析討論不同的駐極工藝參數(shù)對(duì)濾料透氣性能和過(guò)濾性能的影響。同時(shí)還將駐極濾料分別存儲(chǔ)在室溫（溫度1623°C，濕度60%87%）480小時(shí)和960小時(shí)，比較分析儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)熔噴材料電荷穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：當(dāng)駐極電壓升高、駐極時(shí)間延長(zhǎng)，濾料的透氣性能下降；隨著駐極電壓上升以及正反面駐極，濾料過(guò)濾效率上升；但隨著駐極時(shí)間的延長(zhǎng)，濾料的過(guò)濾效

2、率先上升后稍有下降；而存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)濾料的過(guò)濾效率下降。 關(guān)鍵詞：醫(yī)用防護(hù)口罩，熔噴，過(guò)濾效率，外置式駐極處理，電暈駐極中圖分類(lèi)號(hào)： TS 131.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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 thi

3、s 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 addi

4、tion,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

5、 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

6、 treatment 流感等一些呼吸道傳染病正嚴(yán)重危害人類(lèi)的健康。流感因其病原體變異快、傳播速度快、人群普遍易感染、控制難度大等原因易發(fā)生世界范圍內(nèi)的大流行，如SARS和甲型H1N1流感病毒。如何降低流感病毒的擴(kuò)散速度，阻斷帶病毒粉塵顆粒進(jìn)入呼吸道，最簡(jiǎn)單有效也是最基本的方法就是使用醫(yī)用防護(hù)口罩1，這也是世界衛(wèi)生組織建議民眾所采取的措施。人們對(duì)醫(yī)用口罩的過(guò)濾阻隔性能要求更加嚴(yán)格，熔噴過(guò)濾材料是防護(hù)口罩過(guò)濾層的最佳選擇。而駐極處理可在不增加熔噴濾料呼吸阻力條件下，大幅度提高過(guò)濾效率，因此對(duì)熔噴濾料駐極性能的研究顯得尤為重要。 本文以未駐極的超細(xì)纖維熔噴聚丙烯過(guò)濾材料為原料，對(duì)其進(jìn)行外置式電暈駐極

7、處理。通過(guò)改變駐極電壓，駐極時(shí)間和正反面駐極，來(lái)分析討論不同的駐極工藝參數(shù)對(duì)濾料透氣性能和過(guò)濾性能的影響。同時(shí)還將駐極濾料分別用密封袋密封，存放在室溫條件（溫度1623°C，濕度60%87%）480小時(shí)和960小時(shí)，比較分析儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)熔噴材料電荷穩(wěn)定性的影響。1 實(shí)驗(yàn)1.1 實(shí)驗(yàn)原料原料為面密度12.28g/m2，厚度0.19mm的未駐極超細(xì)纖維聚丙烯熔噴濾料。1.2 駐極處理內(nèi)置式駐極處理時(shí)，濾料不易被電擊穿，但是電場(chǎng)強(qiáng)度分布不勻4，因此本實(shí)驗(yàn)采用外置式駐極處理。將0.25m寬，2m長(zhǎng)的的未駐極熔噴濾料卷繞在滾筒上，打開(kāi)高壓靜電發(fā)生器，產(chǎn)生的電壓通過(guò)極板針尖放電，使針尖附近形成很強(qiáng)

8、的電場(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)頻繁的發(fā)生復(fù)合，電極尖端就會(huì)輻射出淡紫色的電暈光輝，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，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中熔噴濾料在滾筒上一方面隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面隨著橫板橫移，以均勻地接受駐極處理，整個(gè)駐極處理過(guò)程呈螺旋形。 作者簡(jiǎn)介：周晨，女，1988年生，在讀碩士研究生。主要研究方向：駐極處理。1.3 實(shí)驗(yàn)方法(1) 透氣量測(cè)試:參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T5453-199，采用FX3300Textest透氣測(cè)試儀。(2) 過(guò)濾效率測(cè)試：參照標(biāo)準(zhǔn)GB2626-2006，采用鈉焰法氣溶膠濾料效率檢測(cè)儀，Nacl質(zhì)量中值直徑(MMD)<0.3

9、µm，粒數(shù)中值直徑(CMD)< 0.075µm。過(guò)濾效率計(jì)算公式：式中：-過(guò)濾效率(% )；K-透過(guò)率；A 1-濾前試驗(yàn)塵的光電流值；A 2-濾后試驗(yàn)塵的光電流值；A 0-測(cè)試儀的本底光電流值；-測(cè)試儀的自吸收系數(shù)。2 結(jié)果與討論 本實(shí)驗(yàn)將未經(jīng)駐極處理的濾料，通過(guò)改變駐極電壓，駐極時(shí)間及正面和正反面駐極等實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行電暈駐極處理。采用的參數(shù)分別是駐極電壓20kv、25kv、30kv、45kv、60kv；駐極時(shí)間11s、22s、33s、66s；正面、正反面駐極；并且將駐極后的濾料在室溫（溫度1623°C，濕度60%87%）條件下儲(chǔ)存480小時(shí)和960小時(shí)。通過(guò)

10、測(cè)試不同駐極條件下熔噴濾料的透氣量和過(guò)濾效率，分析不同工藝參數(shù)下駐極處理對(duì)熔噴濾料過(guò)濾性能的影響。2.1 駐極電壓對(duì)濾料性能的影響有關(guān)研究顯示，駐極前后濾料的透氣性能不發(fā)生改變。但本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)未駐極濾料與駐極濾料相比，透氣量發(fā)生了變化，如圖2所示。從駐極原理角度出發(fā)：通過(guò)正壓駐極，材料的表面和近表面積聚了大量的正電荷，由于同種電荷相互排斥，導(dǎo)致了纖維之間的移動(dòng)，使濾料形成開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，增大了濾料的透氣量。但是隨著駐極電壓的增加，透氣量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，主要原因是通過(guò)高強(qiáng)度的駐極處理，增大了濾料表面電荷面密度，使纖維表面的短纖維、細(xì)纖維等豎立傾斜，阻擋了氣流的正常穿透，使濾料的透氣性能下降。未駐極

11、的濾料主要依靠機(jī)械作用來(lái)達(dá)到阻隔的目的。本實(shí)驗(yàn)使用的未駐極熔噴濾料的過(guò)濾效率只有30.16%，僅稍高于傳統(tǒng)紗布平面口罩。而經(jīng)駐極處理后濾料的過(guò)濾效率發(fā)生了跳躍性變化，從30.15%增到80%左右，通過(guò)駐極處理使濾料帶上了持久的靜電荷，能大量吸附極化粒子，使過(guò)濾效率急劇增加。并且隨著駐極電壓的上升，過(guò)濾效率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，原因是駐極過(guò)程中，在相同的時(shí)間內(nèi)濾料表面積聚的電荷數(shù)量增加，表面電位提高，使濾料形成更開(kāi)闊的開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了對(duì)粉塵的捕捉效果；并且濾料表面的電荷密度增大，對(duì)顆粒的吸附極化作用增強(qiáng)，所以過(guò)濾效率隨著駐極電壓的增大而上升。圖1 電暈駐極原理示意圖圖2 駐極電壓與透氣量的關(guān)系曲線圖

12、3 駐極電壓與過(guò)濾效率的關(guān)系曲線2.2 駐極時(shí)間對(duì)濾料性能的影響本實(shí)驗(yàn)采用無(wú)柵電暈駐極，駐極開(kāi)始時(shí)，表面電荷面密度不均勻，電荷密度較大的地方，電荷的排斥作用強(qiáng)烈，濾料表面形成較大的開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，其孔隙變大，因此透氣性能增大；當(dāng)駐極時(shí)間延長(zhǎng)，沉積的電荷密度比較均勻，各個(gè)微小孔隙內(nèi)電荷的排斥作用相差不大，因此纖維又慢慢回復(fù)到原來(lái)的位置，其孔隙變小，透氣性能下降，甚至低于未駐極濾料的透氣性能，如圖4曲線所示。原因在于長(zhǎng)時(shí)間駐極使濾料表面的短小纖維豎立傾斜，阻擋了氣流的正常通過(guò)，并且有可能長(zhǎng)時(shí)間的駐極處理，對(duì)濾料造成了一定程度的損傷。駐極時(shí)間和駐極電壓是影響駐極效果的兩個(gè)重要在線工藝參數(shù)，但是與上組中駐

13、極電壓的影響效果不同：駐極開(kāi)始時(shí)，隨著駐極時(shí)間的增加，沉積的等效面電荷密度增大，駐極體表面的電勢(shì)升高，使駐極體的吸附和極化作用增強(qiáng)，但隨著駐極時(shí)間再增加，濾料表面電位足夠高時(shí)，針尖下方的電荷將被排斥向其他電荷密度較小的地方移動(dòng)2。當(dāng)駐極結(jié)束時(shí)，其電荷面密度達(dá)到飽和狀態(tài)，因此駐極時(shí)間再增長(zhǎng)時(shí)，濾料的過(guò)濾效率無(wú)明顯變化。圖4 駐極時(shí)間與透氣量的關(guān)系曲線圖5 駐極時(shí)間與過(guò)濾效率的關(guān)系曲線2.3 放置時(shí)間對(duì)濾料過(guò)濾性能的影響 在放置過(guò)程中，濾料的表面結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生變化，濾料的透氣性能的變化不大，但是濾料的過(guò)濾效率卻發(fā)生了變化，如圖6所示。通過(guò)電暈駐極處理，聚丙烯濾料含有2種電荷：1）空間電荷：介質(zhì)外面

14、經(jīng)施加的電場(chǎng)通過(guò)排斥作用，空間電荷被束縛在聚丙烯相鄰原子基團(tuán)和結(jié)晶與非結(jié)晶區(qū)域；2）極化電荷：駐極過(guò)程中，聚丙烯晶粒的2個(gè)端面產(chǎn)生Maxwell-Wagner效應(yīng)，積聚相反的電荷，形成極化3。但是這兩種電荷不能長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)在濾料中，聚丙烯材料有一定的導(dǎo)電性，并且在存儲(chǔ)過(guò)程中表現(xiàn)出受外界濕度影響，這不利于空間電荷的存儲(chǔ)，因此，存儲(chǔ)過(guò)程中空間電荷會(huì)逐漸減少，而極化電荷將一直存儲(chǔ)在濾料中，從嚴(yán)格意義而言，濾料的過(guò)濾效率會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。圖6 放置時(shí)間與過(guò)濾效率的關(guān)系曲線2.4 正反面駐極對(duì)熔噴濾料性能的影響 從實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)得出,正面駐極濾料，其正面的過(guò)濾效率都要比反面(未駐極面)的過(guò)濾效率大，原因是

15、電暈駐極時(shí)電暈場(chǎng)對(duì)氣流離子激發(fā)有限的束能，充電的電荷只能沉積在材料的表面和近表面2，因此正面沉積的電荷要比反面多，正面的吸附靜電作用要相對(duì)強(qiáng)一點(diǎn)；正反面駐極的的濾料其正反面的過(guò)濾效率比正面駐極要高，如表1所示，原因在于：1）正反面駐極之后聚丙烯晶體表面Maxwell-Wagner效應(yīng)增強(qiáng)，使濾料內(nèi)部的極化電荷增多；2）正反面駐極之后，濾料兩面都集聚了大量的電荷，因此正反面駐極的濾料過(guò)濾效率比較好，但是這種差別比較小。表1 單雙面駐極對(duì)熔噴濾料性能的影響樣品編號(hào)駐極電壓(kv)正反面正面過(guò)濾效率反面過(guò)濾效率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 結(jié)論超細(xì)纖維熔噴過(guò)濾材料是醫(yī)用防護(hù)口罩最常見(jiàn)的過(guò)濾層原料，而駐極處理是提高熔噴濾料過(guò)濾效率最好的方法，且在提高過(guò)濾效率的同時(shí)不增加呼吸阻力。通過(guò)駐極處理之后，無(wú)論是透氣性能和過(guò)濾性能都有所改善，并且在選擇不同的駐極電壓、駐極時(shí)間、正反面駐極時(shí)，會(huì)得到不同效果的透氣和過(guò)濾性能，本實(shí)驗(yàn)討論了不同駐極工藝參數(shù)對(duì)熔噴濾料透氣性能和過(guò)濾性能的影響趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)： 1 劉超，靳向煜，陳孝兆.醫(yī)用自吸過(guò)濾式流感防護(hù)口罩 的結(jié)構(gòu)與性能. 產(chǎn)業(yè)用紡織品， 2009，12：28-322 江健，夏鐘福，崔黎麗. 神奇的駐極體.北京：科學(xué)出 版