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谈熔喷布与驻极母料(2):全面、专业的驻极与熔喷材料技术一览
时间:2020.05.27
责任编辑:lucy
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作者简介

李三植,博士,就职于深圳耐普特Nepgel新材,韩国益成JS株式会社,在熔喷、驻极及应用技术领域具有丰富的积累。


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经过一段时间的喧嚣,在全球供应链趋于平衡,国产防疫物资市场趋于冷静。但冷静并不意味着冷冻,高端熔喷布的市场价格与容量仍非常可观。在人类尚未战胜疫情之前,国产熔喷布随时可以迎来新一波行情。在这样的产业形势下,精明的熔喷布工厂主应该利用匠心将产品品质做到极致;为当前挑战夯实基础。做充分的准备,就要深入理解熔喷布领域若干技术核心。本文带您更多了解熔喷布驻极的关键原材料及相关技术工艺,并尽可能在有限篇幅内将所涉及的关键点予以概括。


驻极体

驻极体是一种具有准永久性极化电荷或偶极子的电介质材料,在科学研究与应用领域一直是神奇的存在。优良的驻极体类似于永磁体,电荷产生后会出现在驻极体表面与内部。若把驻极体剥去面层,剩余芯层仍存在电荷;若切为两部分,便成为两块驻极体。


驻极体可由外界注入或引入同号电荷;或由外加场作用,使偶极矩定向排列然后冷却储存极化偶极子。这里,注极或成极方法与条件,以及储存电荷的稳定性,决定驻极体的优劣。能否长期储存,主要取决于电荷本身能量态(能阱深度)以及维持电荷稳定的氛围(电荷传导),而这个能量态与氛围主要决定于材料本性。


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耐普特Nepgel公司所开发驻极母料中关键活性成分(驻极粉体材料),与聚丙烯(PP)熔喷料经热熔喷丝成型并驻极处理后,电荷被锁定在微细纤维内部,电荷所处的能量态很低,难以逃脱。因此,其最大特征是电荷衰减慢;在合适的储存环境下,Nepgel系列电驻极母料甚至可以使熔喷布滤效在5年内衰减程度不超3%(也称为锁电驻极技术)。


无机驻极材料



研发人员曾将气相二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、钛酸钡(BaTiO3)和锆钛酸铅(PZT)乃至天然矿物材料(比如锆矿石、电气石与石英石)粉体材料等制备无机驻极体。


后来,又使用表面经化学处理的二氧化硅类材料(人工、天然)制备稳定的驻极体,并最终制成具有一定稳定性、灵敏性的微型、集成驻极体器件;因二氧化硅材料对驻极体材料的滤效提升明显,以气相二氧化硅为基础的驻极母粒已经被商业化应用。


虽然其衰减快的问题被广泛诟病,该技术对于行业的多面化发展具有积极意义。不过,在熔喷布领域获得最多应用的无机驻极材料是电气石


电气石

工艺品名称碧玺,化学结构、成分以及种类非常复杂,主要为含硼的环状硼硅酸盐矿物,并含有矾、氟、锂、钠、镁、铁或铝等元素。使用不同的电气石矿物,不同的辅助材料,不同的工艺,所制备的驻极材料,其性能差距很大。


多数熔喷布从业者对驻极技术层次的问题往往停留在表观理解,比如,有人以无机/有机,二氧化硅/电气石/氟树脂来作为产品选择的标准。实际上,无机与有机是化合物的两个基本分类;二氧化硅和电气石本身则是很复杂的群体,不同二氧化硅与电气石在化学、物理性能上均有差异性表现。


驻极母料涉及材料来源、尺度问题,更多涉及微观分散的均匀性。优良的驻极母料呈现微观结构的均匀性;驻极粉体材料若尺度低,容易聚集呈现大尺度结构。其结果是,同一个聚集体内部包含大量微细颗粒,在同样的添加量条件下,其效率必然下降;此外,大尺度聚集体经过狭小的喷丝板时更容易粘附到喷丝孔内壁,产生堵塞问题。因此,哪怕使用相同品类原材料或工艺,不同产品也有不同的技术水平;从业人员首先须对基本科学知识做必要理解,然后才能洞悉货源把控、生产过程出现的各种问题。



耐普特Nepgel公司驻极母料具有亚微米尺度的均匀性;长期苦恼于添加量高、喷丝板堵塞等问题的从业者,不妨对该产品多做尝试。



有机与高分子驻极材料



当前,受最多关注的当属小分子有机固体与高分子驻极体材料。这些材料具有一个显著特征,电阻率极高(大于1016Ω.cm)。


最常用的有机固体驻极体材料包括固态油、松香,以及动物、植物、石油基蜡以及合成蜡。高分子驻极体材料主要包括氟树脂比如聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE);聚烯烃类比如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)以及乙烯-丙烯共聚物(EP copolymer);聚酯类包括涤纶(PET)、聚乳酸(可降解,PLA)等。


对于高分子共聚物,其单体种类、比例均会影响驻极体电荷的稳定性以及对外界刺激(热、光、电等)干扰下的稳定性。


说到聚烯烃材料本身的驻极性能,讲个简短故事来说明。



新冠肺炎的发生,让驻极母料等产品快速普及人心。早期进入该产业的人员却常走弯路。本人七年前,首次开发带静电的空气滤材。查阅文献专利都确认PP具有良好的驻极性能,便带着100%PP熔喷布找到电晕设备厂家“驻极”,尽管电压如何调整,框架怎么搭建,PP布均未有效携电。在经过无数次失败并得到高手指教后,在材料中添加了二氧化硅,才最终完成了产品开发。因此,虽然有所谓研究证实,有各种报道都说,PP等多种高分子材料可做驻极体,但其驻极能力与抗衰减能力极差,并不具备商业化可能。



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共混复合驻极材料



另一个重要领域是无机、有机、高分子的多组分材料的共混与复合,最终制备的驻极熔喷布常可以保留各组分或各层材料本身的驻极性能并互相补充。


世界上最早的人工驻极材料便是有机物固体材料共混物。1919年,日本物理学家Eguchi利用巴西棕榈蜡通过热极化制成世界上第一块人工驻极体;巴西棕榈蜡的主要成分是蜡酯、高碳醇、烃类和树脂状物质。研发人员曾将有机石蜡与电气石熔融混合在高压电场下喷射并与熔喷布复合,然后进行驻极处理,所制备的材料具有“瓜瓤”型结构,“瓜子”里含有大量驻极材料,该材料对细小颗粒物的过滤效率主要取决于“瓜子”的尺度与分布(若带驻极组分被称为E型组分,这里的瓜子便是E型组分)。


不过,在产业领域,多元高分子材料的共混复合,更容易在熔喷纺丝中应用。有研发人员将多组分高分子材料(比如氧化乙烯与丙烯共聚物PEO-PP,聚氧化乙烯PEO以及E型PP复合物)共混热熔经喷丝成型,水洗除去PEO,然后对材料进行驻极处理;这样生产的熔喷材料具有更复杂、微细的多层次结构,以及更高的过滤效率。



还有一种思路,将不同分子量、分子量分布以及规整性的熔喷料与驻极母料共混,制造驻极熔喷布。该技术常可将不同熔融指数的高分子材料匹配制备机械性能与驻极性能更加完美的熔喷布材料。



熔喷无纺布的物理复合,或部分穿插驻极纤维,在欧美以及日韩等部分制造业先进国家,已经被大量开发。韩国Iksung株式会社将聚酯纤维(PET、PBT以至PBAT)与E型PE或PP复合生产的熔喷材料,对空气净化具有特殊效用,而该产品因电气石的存在所产生的健康效用也值得探讨。最近,美国Natureworks与北卡非织造布研究所(NWI)合作开发了一种新型双组份无纺布结构,其成分是PLA和PP,强度高,蓬松,过滤效果也非常优异。因为聚乳酸具有可降解性,该材料更符合现代社会对于环保理念的追求。虽然该产品并非专门用于熔喷非织造布,但对于新型驻极熔喷材料的开发,具有借鉴意义。可以预见,通过共混或复合制备高端、新型的熔喷驻极滤材,将在未来相当长一段时期,成为最受欢迎的产业领域之一。


驻极体材料也可以通过多种材料沉积或成膜叠合获取。工业应用中,常将具有不同蓬松度、纤维细度的熔喷布经不同喷丝板分别纺丝叠合;不过,获得最多应用的是纺粘无纺布与驻极熔喷布(E型)叠合制备多层 SX-MY(E)-SZ非织造布材料,比如SMS、SSMS、SMMS、SSMMS、SMMMS、SSMMMMS等。


纺粘非织造材料孔隙尺寸较大,过滤效率较差,但具有良好的强度和耐磨性。而E型熔喷布具有超细纤维纤网结构,虽然强度低,但过滤、阻隔性能佳,可有效地阻隔血液、体液及细菌等穿透,同时保证汗液蒸汽顺利透过。上、下面层的聚丙烯纺粘布具有较高的强度和耐磨性,并且其长丝结构保证无纤维绒头产生,有利于外科手术要求的洁净环境。因此,熔喷和纺粘多层材料兼具纺粘无纺布的强度和熔喷无纺布的过滤阻隔性能。目前,SX-MY(E)-SZ复合材料主要用于医用制品包括手术衣和手术室帷幕等,也有工厂将其应用于口罩生产。


驻极材料的处理优化



驻极体材料表面常由于缺陷、氧化、降解、污染等原因,导致表面性质的变化,进而对环境中的极性基团产生物理吸附,形成表面导电层,影响驻极电荷的稳定性,导致电荷衰减。因此,常对这些材料的表面进行物理、化学处理,把极性表面变成非极性处理,如表面硅烷化反应,表面接枝,以及气相蒸镀处理(表面形成派瑞林纳米膜)等。对于熔喷布来说,经过表面处理后将表现出一些全新的性质,比如其电荷抗衰减性、透气、疏水性能将得到进一步提升。


电介质材料在制备成品前辅以适当外界作用(比如热、光),使得材料分子结构处于另一种状态(如熔融流动),待驻极处理撤销外界作用,对电荷的稳定性具有良好的效果。


稳定电荷方法

将巴西棕榈蜡融熔置于外加电场,材料固化后除去外电场,混合物固体便会长期保持极化状态。不过,蜡状材料应用于熔喷布材料的尝试,至今还鲜有报道。对于PP熔喷料,如果在高温条件下(稍高于PP的结晶熔融温度)软化、驻极然后冷却,便可以将驻极体锁定在纤维内部,使得电荷衰减变慢或产生更为稳定的永久驻极。通过该技术处理过的熔喷布,其滤效具有更持久的抗衰减期。


驻极熔喷布通过电驻极处理完成可以达到BFE99/VFE95/PFE95等级熔喷布;不过,熔喷布的过滤等级、流动阻力仍有提升空间(VFE99/PFE99)。


产业中常用处理技术来进一步提升驻极效果,包括水驻极、热风驻极等;这类技术主要将特殊处理过的固体溶液混合物(“混合药水”)形成气溶胶,在高热、高压、高频气流与抽吸风装置作用下通过具有多层次通道的过滤材料(如熔喷布微孔),改变材料纤维微细结构表面能及表面张力,同时产生新的电荷转移到材料本体。该技术解决了电荷在滤料厚度方向分布不均的问题。所产生的新电荷与前面电驻极产生的电荷叠加,形成更加密集、更为复杂的电场。因此,材料滤效进一步提升。



耐普特Nepgel公司PR850便是为该类技术专门开发的新一代驻极母料,母料内部的活性成分可在处理过程发生强相互作用,产生多层次过滤效应。该技术优势突出,在熔喷布领域有重要的应用前景。



耐普特官网:www.nepgel.com

电话:+86-13312991190

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文章来源:耐普特Nepgel
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