口罩的原材料主要由紡粘非織造材料、熔噴非織造材料、熱風非織造布 、針刺非織造材料,以及耳帶、鼻梁條等輔料構成。其中,熔噴非織造材料作為口罩的核心過濾層,具有纖維細度細(平均纖維直徑2~4μm)、孔徑小、比表面積大、孔隙率高等特點,使熔噴非織造材料具有一定的透氣性與優良的過濾功能。
熔噴非織造技術自1954年由美國海軍研究所開發出來以來,國內外相關企業迅速將其轉為民用。特別是我國,在經過2003年的“非典”、2009甲流H1N1以及2014年前后的霧霾事件后,熔噴非織造過濾材料技術快速發展,逐步建立起了由聚丙烯樹脂原料、紡熔設備制造、紡粘/熔噴法生產、口罩加工等完整的工業制造體系,整體技術實力已達到國際先進水平。
生產高效低阻熔噴過濾材料的關鍵技術主要有以下幾點:
01熔噴纖維直徑微納米化技術
通過改良噴絲板結構設計與選用高熔指聚合物切片的方法,減小熔噴材料直徑,提高過濾效率。
例如一些先進的噴絲板的噴絲孔最小直徑可達為0.10 mm,孔密度超過100孔/英寸(相當于3937孔/m),噴絲孔的長徑比(L/D)可大于35,其熔體壓力可達到10.4 MPa,有助于熔噴纖維的超細化生產。
02駐極處理技術
在熔噴過濾材料的產業化生產中,駐極技術尤為重要。駐極處理可在不影響材料物理結構和不增加過濾阻力的情況下,顯著提高過濾效率。
我國駐極技術種類較多,電暈駐極(Corona Charging)技術最為常見,另外還有水駐極與熱氣流駐極等技術。
在一定工藝溫度、濕度下電暈駐極,電荷可以從“淺阱”移動到“深阱”中,使電荷存儲更加穩定;溫度影響電荷遷移率,和電荷存儲到材料內部的存儲量。
目前采用電暈駐極的熔噴非織造過濾材料(KN95口罩用面密度為40-50 g/m2),過濾阻力可低于90 Pa;過濾效率可以大于99%(過濾性能測試時采用的氣體流量為85 L/min)。
03聚合物改性技術
通過無機物/有機物改性樹脂的方法,增強駐極效果,可提高熔噴材料的過濾性能的時效性。
采用聚合物改性及增能助劑添加技術,可突破熔噴非織造濾料存放時效短的共性技術問題,大大提升我國防護產品的戰略儲備能力。
東華大學對增能助劑改性熔噴駐極口罩濾料(KN95口罩用面密度為50 g/m2)進行時效比對實驗,結果顯示存儲前過濾效率為99.4%(氣體流量為85 L/min),試樣經8年密封儲存后,2019年測得的過濾效率為97.05%,過濾效率值下降小于3%,駐極效果穩定,能夠充分滿足防護口罩長期戰略儲備的需求。
5月6日發布的GB/T 38880《兒童口罩技術規范》,要求兒童防護口罩需在85 L/min測試流量下對非油性顆粒物過濾效率95%以上,同時在45 L/min下呼吸阻力不高于45 Pa;兒童衛生口罩在32 L/min測試流量下對非油性顆粒物過濾效率90%以上,對細菌氣溶膠過濾效率95%以上,通氣阻力小于30 Pa。
上述指標對口罩濾材提出了較高要求,需要濾料生產企業具備一定的技術實力和生產經驗積累,本次疫情期間新進熔噴行業的企業如果需要生產國標兒童口罩用濾材,需要加強專業理論、工藝技術、聚合物性能研究,或進行相關裝備技術改造。