陆珊珊 刘 坤 吴植强 赵铖光 方珍文

1.广西壮族自治区医疗器械检测中心，广西 南宁 530031；

2.广西大学 化学化工学院，广西 南宁 530000

近年来，伴随着经济增长而出现的环境问题日益突出，尤其是大气中的PM2.5，对人类的生存带来了新的威胁。与此同时，新冠肺炎疫情在全球范围内暴发。口罩作为优良的颗粒过滤产品，已成为人们疫情防控和日常生活出行的必需品[1]。非织造布作为口罩生产的重要原料，了解其成分、构造和影响过滤效率的主要因素，对评估和改善口罩质量极为关键。当前，非织造布生产工艺主要分为熔喷法、纺黏法和纺熔法3种。其中，熔喷非织造布是通过高速热空气对模头喷丝孔挤压出的聚合物熔体细流进行牵伸，形成超细纤维凝聚在滚筒上并依靠自身黏合形成的非织造布。熔喷工艺流程如图1a)所示。熔喷工艺制得的非织造布纤维直径小，过滤效率高，但存在纤维直径不均匀，断裂强力不高的缺陷[2]。纺黏工艺主要是聚合物经轧辊在高温高压下软化和熔融后经纺丝孔被挤入空气中，并在气流或机械作用下拉伸细化成丝状纤维，再进一步熔接凝固形成纤维网的。纺黏工艺制备的非织造布具有断裂强力和断裂伸长率高等特点[3]。纺熔工艺则是结合纺黏法和熔喷法的复合工艺。在采用纺熔工艺制备非织造布的过程中，纺黏模头与熔喷模头被应用于同一工艺生产线，如图1b)所示，该工艺同时具备纺黏法和熔喷法的优势，并且弥补了纺黏工艺中纤维直径不均匀和过滤精度低，以及熔喷工艺中因纤维取向度差而导致非织造布强度低等不足，从而达到了两种工艺优势互补的效果[4-5]。总之，纺熔工艺既可提高非织造布的强度，又可改善非织造布的透气性、过滤性等性能[6]。

图1 熔喷和纺熔非织造布工艺流程

非织造布的过滤性能主要取决于其成分、结构和静电含量[7]。聚酯、聚氯乙烯、聚丙烯是常用的非织造布生产原料，其中聚丙烯非织造布具有独特的三维立体网络结构，孔隙率大、过滤性能好、价格低廉且透气环保，使用也最为广泛，市场占有率最高[8]。颗粒过滤效率、气流阻力和厚度也是考察非织造布空气过滤效果的重要指标[9]。新冠肺炎疫情来势汹汹，也促进了广西地区口罩制造企业的蓬勃兴起。本文随机选取了5种来自广西地区不同生产厂家的非织造布材料作为研究对象，测试分析非织造布试样的化学成分、微观形貌和静电含量，并基于气体流量、非织造布厚度及不同类型溶剂浸泡等因素，探究颗粒过滤效率的变化，分析影响过滤效率的主要因素。研究对促进非织造布滤材质量的提高，改善其颗粒过滤能力，实现聚丙烯非织造布滤材的合理使用，具有一定的现实意义和参考价值。

1.1 材料与仪器

主要材料：选取来自广西地区5家厂家生产的非织造布试样，分别将其命名为S1(恒拓集团广西圣康制药有限公司，南宁)、S2(惠众医疗器械有限公司，贺州)、S3(广西冠凡医疗器械有限公司，贵港)、S4(广西北斗星创科医疗器械有限公司，南宁)和S5(广西德福莱医疗器械有限公司，来宾)，并将其裁剪成15 cm×15 cm大小的试样，待用。其中试样S1～S4由熔喷法制得，试样S5由纺熔法制得。研究采用的氯化钠(NaCl)、无水乙醇、去离子水和异丙醇均为分析纯。

主要仪器：医用口罩过滤效率测试仪(8130型，美国TSI)，超景深视频显微镜(DVM6型，德国Leica)，傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet iS50型，美国Thermo Fisher Scientific)，扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy，SEM，FEI Quattro-S型，美国Thermo Electron Corporation)，纳米库伦电量计(230型，美国ETS)，数显厚度测量仪(547-401型，日本三丰)。

1.2 试样表征与颗粒过滤效率测试

(1)傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析。采用FTIR仪分析试样的主要官能团及相应成分，将裁剪后的非织造布试样(1 cm×1 cm)置于FTIR仪的Smart ITX光学元件上，该元件具有芯片识别和晶体装配系统，与光谱仪集成为一体，能够有效提高光通量，可在数秒内获得试样的FTIR数据。测试范围设置为500～4 000 cm-1。

(2)形貌分析。将试样裁剪成1 cm×1 cm大小，并对其进行90 s喷金处理，以增强导电性能。然后，采用SEM观察试样的微观形貌。在每种试样的SEM图上随机选取70根纤维，接着利用Nano Measurer 1.2粒径分布计算软件测量纤维直径，计算纤维直径平均值。此外，直接采用超景深视频显微镜观察纤维表面的真实形态。

(3)静电含量分析。将试样裁剪成15 cm×15 cm大小，采用纳米库伦电量计测定试样表面的静电含量。

(4)颗粒过滤效率(PFE)测试。采用医用口罩过滤效率测试仪的盐性发生器，将质量分数为2%的NaCl溶液制成气溶胶颗粒(气溶胶质量浓度为12～20 mg/m3，气溶胶颗粒的数量中值直径约为0.075 μm)。该气溶胶颗粒用于模拟空气中的颗粒物。将裁剪好的非织造布试样平铺于口罩过滤效率测试仪上，用夹具夹紧试样，在设定条件下测试试样的PFE。医用口罩过滤效率测试仪气体流量可调范围为15～100 L/min，过滤效率测量范围为0～99.9%，压力测量范围为0～1 470 Pa。

1.3 过滤性能试验

1.3.1 气体流量对过滤性能的影响

将试样置于医用口罩过滤效率测试仪上，通过仪器中自带的光电计数器，分别记录气体流量为30、45、60、70、85 L/min条件下5种不同试样过滤前后气流中所含的颗粒数，并根据式(1)计算试样的PFE。

(1)

式中：η为试样的PFE；
n1为过滤前气流中所含的颗粒数，个；
n2为过滤后气流中所含的颗粒数，个。

同一气体流量下，每种试样选取3块(尺寸为15 cm×15 cm)进行测试，获得对应的透过粒子数(通过非织造布而未被过滤掉的颗粒物数量)，取3次测试的平均值计算试样的PFE。

气流阻力用过滤试验过程中夹具上非织造布试样上下截面的压力差表征，试样上下截面的压力可采用医用口罩过滤效率测试仪中的压力传感器监测。根据式(2)计算试样上下截面的压力差(气流阻力)。

ΔP=P1-P2

(2)

式中：ΔP为气流阻力，Pa；
P1为非织造布试样上截面的压力，Pa；
P2为非织造布试样下截面的压力，Pa。

1.3.2 试样厚度对过滤性能的影响

对于5种非织造布试样(试样S1～S5)，先采用数显厚度测量仪分别测试单层试样的厚度，然后改变非织造布试样的厚度，分别叠加1、2、3、4、5层单层非织造布试样，再在气体流量恒定为85 L/min的条件下，测试不同叠加层数(厚度)非织造布试样的PFE。每种试样的颗粒过滤性能测试3次，取3次测试结果的平均值计算试样的PFE。

1.3.3 溶剂浸泡对过滤性能的影响

5种非织造布试样(试样S1～S5)各取3块(尺寸为15 cm×15 cm)，浸泡于100 mL的无水乙醇中，浸泡时间分别为0、15、30、45、60和120 min。测试经不同时间浸泡后非织造布试样的PFE，考察浸泡时间对试样过滤性能的影响。同种非织布试样各进行3次PFE测试，结果取平均值，以减小试验误差。试验过程中发现，在无水乙醇中浸泡30 min后，5种非织造布试样的PFE均逐渐下降并趋于平衡。因此，在后续考察浸泡溶剂类型对试样过滤性能影响试验中，将5种试样分别浸泡于100 mL的去离子水、乙醇及异丙醇中，浸泡时间设定为30 min，并在自然条件下晾干。然后，在85 L/min的恒定气体流量下，测试不同溶剂浸泡条件下非织造布试样的PFE。每种试样的颗粒过滤性能测试3次，取3次测试结果的平均值计算试样的PFE。

1.3.4 静电含量对过滤性能的影响

5种非织造布各取3块试样，采用纳米库伦电量计分别测试其静电含量，同种非织布试样的静电含量测试结果取3次测试的平均值。然后，在85 L/min的恒定气体流量下对试样进行PFE测试。每种试样测试3次，取3次测试结果的平均值计算试样的PFE。

2.1 红外光谱分析

5种试样的FTIR图如图2所示。由图2可知，在测试的波数范围(500～4 000 cm-1)内，所有试样的伸缩振动峰相似。其中，波数为2 949 cm-1和2 866 cm-1处的吸收峰分别来自于聚丙烯—CH3的不对称伸缩和对称伸缩振动[10]；
波数为2 916 cm-1和2 837 cm-1处的吸收峰分别来自于—CH2—的不对称伸缩和对称伸缩振动[11]；
波数范围为2 800～2 960 cm-1处出现的4个峰为C—H分别与—CH3、—CH2—的对称和不对称伸缩振动叠加在一起而形成的吸收峰；
波数为1 455 cm-1处的特征峰为—CH2—的扭曲变形振动和—CH3的扭曲变形振动产生的吸收峰相互叠加而成的；
波数为1 376 cm-1处出现的吸收峰为—CH3的对称弯曲振动吸收峰[12]；
波数为1 163 cm-1和972 cm-1处的2个峰分别属于—CH3的面外摇摆弯曲振动和面内摇摆弯曲振动吸收峰，此处的吸收峰仅与试样的晶体结构有关[13]。FTIR分析结果表明，5种非织造布试样的主要化学成分均为聚丙烯。

图2 S1～S5试样的FTIR图

2.2 形貌分析

使用场发射扫描电子显微镜观察5种非织造布试样的微观形貌，通过纤维形貌差异探讨非织造布过滤效率产生差异的原因。如图3所示，5种试样均呈现出明显的纤维网状结构，这意味着其具有大的比表面积和较多的吸附点位。其中，试样S1～S4由熔喷法制得，试样S5是通过纺熔法合成的。将图3e)中的红圈位置放大得到图3f)，可以看出，较前4种非织造布试样，试样S5呈明显的双层网状结构，且第一层纤维网上随机附着有明显的块状花纹结构。由图3f)还可以看出，块状花纹下还有一层非常薄的纤维膜，形成了第二层纤维网状结构，纤维直径细小且致密，因此能够有效提高试样的PFE。下一步，采用Nano Measure粒径分布计算软件测量纤维直径，每种试样分别测量70根纤维的直径，计算平均直径。结果显示，试样S1、S2、S3、S4和S5的平均纤维直径分别约为4.5、3.0、2.5、2.0和18.0 μm。在相同工艺条件下，聚丙烯非织造布的纤维直径越小，网状结构越密集，其PFE越高。此外，由纺熔法合成的非织布具有明显的双层网状纤维结构，这有利于进一步增强其PFE[14]。

采用超景深显微镜探索试样的表面特性及形貌，结果如图4所示。可以看出，各试样的纤维主要沿纵向杂乱无规律分布，纤维表面光滑无毛刺，且直径不一。由图4a)～图4d)可以看出，熔喷法制备的试样(S1～S4)纤维网状结构的密集程度不一致，试样S4的纤维直径较小，且交织得更紧密，试样S1的纤维直径较大，纤维交织得较稀疏，这一结果与SEM的分析结果一致。由图4e)和图4f)可以看出，纺熔法制得的试样(S5)表面分布有大量的花纹结块，这些花纹结块是聚丙烯纤维经轧辊在高温高压作用下软化、变形及熔融后，在热轧机的轧点位置熔接固结形成的。纺熔法制备的S5非织造布试样，其纤维直径较大且直径分布均匀，可有效降低非织造布的气流阻力，同时提高纤维断裂强力，并且采用纺熔法制备的非织造布试样呈双层网状纤维结构，其第二层细密的纤维网可进一步提高PFE。

2.3 气体流量对过滤性能的影响

由图5可知，S1的PFE最低，气体流量为30～

图4 5种非织造布试样的超景深显微镜图

85 L/min时，PFE仅约9%；
S5的PFE最高。且随气体流量的变化小，过滤性能稳定，始终保持在95%以上；
S3的PFE随气体流量变化显著，气体流量由30 L/min升至85 L/min时，PFE降低了17%，整体上其过滤性能最不稳定。原因可能是低气体流量情况下，颗粒的扩散作用较明显，颗粒在滤材中停留的时间更长，有充足的时间与滤材发生碰撞，降低了颗粒通过滤材的概率，从而提高了滤材的过滤作用[15]。然而，在高气体流量情况下，颗粒通过滤材的概率上升，与滤材发生碰撞的概率减小，造成滤材的过滤效果下降。因此，过滤效率随气体流量的升高而减小。非织造布过滤效率随气体流量的变化差异可能与其纤维直径大小及纤维分布密度有关[16]。

图5 气体流量与PFE的关系曲线

2.4 试样厚度对过滤性能的影响

利用数显厚度测量仪测试非织造布试样的厚度。5种聚丙烯非织布试样的单层厚度值如表1所示。可以看出，S5的单层厚度最小，仅0.06 mm，S2的单层厚度最大，达0.16 mm，且试样层数与厚度成正相关关系。下一步，以层数为变量考察试样厚度与PFE间的关系，结果如图6所示。由图6a)可以看出，聚丙烯非织布层数为5层时，5种试样的PFE最终分别达38%、88%、99%、99%和100%；
S5的PFE几乎不受厚度变化的影响，其他试样的PFE均随厚度的增加而升高，其中S2的PFE随厚度变化最明显，5层非织造布的PFE相比单层非织造布提高了54%。原因可能是随着非织造布厚度增加，颗粒通过滤料的路径延长，其与滤料的接触面积和接触时间均增加，从而提高了PFE[17]。由图6b)可知，随着非织造布厚度增加，5种试样的气流阻力均呈现线性上升趋势，其中S5的气流阻力变化最明显，提高了529 Pa。但S1的气流阻力最终仅提高了98 Pa，相较于S5，其气流阻力受非织造布厚度变化的影响几乎可忽略。图6表明，S5非织造布在厚度较小的情况下仍具有优异的PFE，其他试样较厚时PFE较高。然而，厚度增加会大幅增加气流阻力，不利于口罩的实际应用[18]。

表1 5种非织造布试样的单层厚度

图6 非织造布厚度对PFE和气流阻力的影响

2.5 溶剂浸泡对过滤性能的影响

受全球新冠肺炎疫情影响，防疫口罩物资出现需求激增和紧缺的情况。研究表明，当非织造布用于制备N 95口罩时，其在日常使用中存在二次清洗或消毒处理以实现重复使用的可能性，常用的再生手段包括水洗或用乙醇、异丙醇等有机溶剂漂洗[19-21]。然而，溶液的浸泡或清洗通常会降低非织造布的防护效果。针对不同品质的非织造布，考察溶剂浸泡对其PFE的影响具有一定的现实意义。经不同时间的溶剂浸泡后，5种非织造布试样的PFE如图7所示。由图7a)可以看出，经乙醇不同时间浸泡后，5种试样的PFE均呈下降的趋势，但浸泡时间超过30 min后，PFE值基本达到平衡。5种试样中，S4的PFE下降最显著，浸泡30 min后其PFE下降率达38%。具有高PFE的S5试样则表现出良好的稳定性，乙醇浸泡30 min后，其PFE仅下降了5%。非织造布上大部分的电荷被乙醇中和去除是导致其PFE下降的主要原因。由图7b)可以看出，经去离子水浸泡后，5种非织造布试样的PFE均呈小幅度下降。然而，有机溶剂乙醇和异丙醇的浸泡则会显著降低非织造布的PFE。相比于未经浸泡的试样，经异丙醇浸泡后，S4的PFE下降了52%。这是因为对于去离子水、乙醇和异丙醇3种溶剂而言，其疏水性和极性依次降低，而聚丙烯为非极性分子，根据相似相容原理可知，3种溶剂分子与聚丙烯发生的溶胀作用依次增强，而溶胀作用越强，非织造布上的电荷被中和去除得越多，PFE下降越严重[22]。总体而言，纺熔法制备的S5在浸泡后PFE较稳定，S4和S3经溶剂浸泡后PFE均显著下降，S1和S2的PFE原本就较低，溶剂浸泡后PFE下降，但不明显。基于此，不建议将采用非织造布制成的口罩等产品在漂洗后继续使用。

图7 溶剂浸泡对非织造布PFE的影响

2.6 静电含量对过滤性能的影响

5种非织造布试样在85 L/min恒定气流流量下的PFE和静电含量测试结果如图8所示。由图8可知，5种试样所带的静电量与PFE由高到低依次为S5、S4、S3、S2、S1，且静电含量与PFE成正相关关系。实际上，非织造布的制备过程中通常需经过驻极处理。驻极处理利用电晕放电产生的离子束在非织造布纤维间形成多个无源集尘电极，由此增加纤维的带电密度，提高非织造布表面的静电含量。当空气中的带电粒子通过高静电含量的非织造布时，在电场力的作用下，这些带电粒子被有效捕捉，进而提高非织造布的PFE，同时其过滤阻力不变[23-24]。

图8 非织造布试样静电含量与PFE的关系

本文选取来自广西地区5家厂商生产的非织造布试样作为研究对象，其中非织造布试样S1～S4由熔喷工艺制得，试样S5由纺熔工艺制得。对5种试样进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析、形貌表征、静电含量分析及过滤性能测试，得出如下结论。

(1)FTIR分析结果表明，5种非织造布试样的主要成分均为聚丙烯。扫描电子显微镜(SEM)分析结果显示，5种试样均呈明显的纤维网状结构，其中，试样S1～S4为单层网状结构，由纺熔工艺制成的试样S5呈明显的双层纤维网状结构，且表面分布有大量的花纹结块，过滤稳定性更强。

(2)对非织造布滤料而言，颗粒过滤效率(PFE)和气流阻力是重要的性能指标。气体流量、非织造布厚度、溶剂浸泡及静电含量均影响非织造布的PFE。研究结果表明，5种试样的PFE均随着气体流量的增大而降低，其中试样S1的PFE最低，试样S5的PFE随气体流量的变化小，PFE始终保持在95%以上，过滤性能稳定；
在稳定的气体流量下，试样的PFE和气流阻力均随着非织造布厚度的增大而增加；
溶剂浸泡后，所有非织造布试样的PFE均下降，相较于去离子水浸泡，异丙醇和无水乙醇浸泡造成的PFE下降更显著，且经乙醇浸泡30 min后，试样PFE的下降程度基本达到稳定；
非织造布试样所带的静电量越高，PFE越高，且试样S5的静电含量最高。

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