复合滤材的结构设计及其对PM2.5的防护性能

娄辉清 王利娜 闫新 陈增斌 邵丕健 李海伟 胡颖荷

摘要： 为获得具有过滤效率高、防护性能好且制备成本低的PM2.5复合滤材，采用环保型黏合剂如明胶和羧甲基纤维素钠（CMC）的复配溶液，对纺黏非织造布（S）和熔喷非织造布（M）进行层间点黏合复合。实验结果表明，层间黏合方式和黏结点间距对复合滤材的过滤性能和透气性有较大的影响；采用间隔3cm的点黏合方式制备的SMS型复合滤材，对NaCl气溶胶的过滤效率可到达98%以上且阻力压降在120Pa以下；所制备的SMS型复合滤材在不同污染天气条件下对PM2.5的过滤效率均在95%以上，且容尘量随污染程度增加而增大。

关键词： 复合滤材；化学黏合；点黏合；PM2.5；过滤防护性能

中图分类号： TS176.5 文献标志码： A 文章编号： 10017003（2018）07002807引用页码： 071105

Structural design of composite filter material and its protective performance to PM2.5

LOU Huiqing1a， 2， WANG Lina1b， YAN Xin1a， CHEN Zengbin1a， SHAO Pijian1a， LI Haiwei1a， HU Yinghe1a

（1a.School of Textiles； 1b. Department of Material and Chemical Engineering， Henan University of Engineering，

Zhengzhou 450007， China； 2.Collaborative Innovation Center of Textile and Garment Industry in Henan Province，

Zhengzhou 450007， China）

Abstract： In order to prepare PM2.5 composite filter material with high filtration efficiency， good protection performance and low preparation cost， the spunbonded nonwovens （S） and meltblown nonwovens （M） were bonded between layers by using compound solution of environmentally friendly adhesives such as gelatin and sodium carboxymethyl cellulose （CMC）. The experimental results show that interlayer bonding method and the space between bonding points greatly influence filtration performance and permeability of composite filter materials. The filtration efficiency of SMS composite materials prepared by point bonding method with the interval of 3cm for NaCl aerosol is above 98%， and the resistance pressure drop is below 120Pa. Moreover， the filtration efficiency of the SMS composite filter material to PM2.5 is above 95% under different polluted weather， and the dust holding capacity increases with the increase of pollution degree.

Key words： composite filter material； chemical bonding process； point bonding method； Particulate Matter 2.5； filtration and protection performance

收稿日期： 20180109； 修回日期： 20180510

基金項目： 河南省科技攻关计划项目（162102310401）；河南工程学院博士基金项目（D2017004）

作者简介： 娄辉清（1985），女，讲师，博士，主要从事产业用和功能服装用纤维及纺织品的研究。随着中国工业化和城市化进程的加快，空气污染问题日益突出，尤其是近年来中国持续发生的大面积雾霾事件，对环境安全和人体健康造成了严重的威胁。目前，细颗粒物已成为中国许多大中城市的首要污染物。细颗粒物是指悬浮在环境空气中空气动力学直径≤2.5μm的颗粒物，又称PM2.5，其中PM是“Particulate Matter”的英文缩写，中文称“颗粒物”。由于这个范围内的颗粒具有粒径小、面积大、活性强、易附带有毒有害物质、在大气中的停留时间长、输送距离远等特性，更容易被吸入人体内，所以也称为可入肺颗粒物。已有研究表明，PM2.5对人体呼吸系统及心血管系统有较大的影响，会诱发急性呼吸系统感染、哮喘、支气管炎、心血管疾病，以及生殖系统疾病和癌症等多种疾病[13]。

随着雾霾天气在中国日益频繁出现，PM2.5防护口罩已经逐渐成为人们日常生活的必需品，PM2.5防护口罩市场规模由2014年的9.9亿元发展到2015年的13.2亿元，增长了33.3%[45]。目前市场上各种材质和结构的PM2.5防护口罩种类繁多，防护水平参差不齐。据国家权威检测机构分析结果显示，市售的PM2.5防护口罩整体防护水平较低，过滤效率超过90%的产品仅占50%，16.7%的产品过滤效率低于40%；中国消费者协会公布的比较试验结果表明，市售PM2.5防护口罩防护水平合格率仅为24.3%，无法让使用者在雾霾天气下得到有效防护[67]。因此，发展具有过滤效率高、防护性能好且制备成本低的PM2.5过滤材料是提高PM2.5防护口罩防护效果的关键。

非织造材料具有较高的容尘量和过滤精度，是目前主要的过滤材料之一。这是由于其内部纤维集合体结构中纤维错综排列，形成三维空间通道，增加了含尘气流的过滤路径，有助于提高过滤效率；同时，纤维无序堆积形成了大量的微小孔隙，为气流提供了输运通道，有利于降低压阻。目前对过滤材料种类和附加功能方面的研究取得了重要进展，如将纳米纤维材料、抗菌材料等引入到传统非织造布过滤材料体系中[810]；在不同过滤材料的复合方面，如层合结构、黏合方式等对复合滤材过滤性能影响也有一定的研究成果[1114]，但对如何将同质或不同质的过滤材料进行有效复合，使其在厚度方向形成多层不同孔隙度的结构，构造具有容尘梯度的过滤材料，达到协同增效目的等方面的研究较少[15]。目前，将两种或两种以上的材料叠层复合在一起的方法很多，常用的有化学黏合法、热黏合法、机械复合法等。在热黏合法中，点黏合法是通过对纤网局部黏合而达到加固纤网的目的，由于纤网是局部加热黏合，未黏合部分的透气性和孔径不会被破坏，对提高过滤材料的透气性有很大帮助。但是采用热黏合时通常需要纤网中含有热熔材料，限制了其在过滤行业更广泛领域的应用。若能将热黏合法中的点黏合方式与化学黏合方法相结合，将化学黏合剂通过点黏合的方式施加到非织造布上，即可构造化学黏合剂点黏合非织造布，以获得过滤性能和透气性能良好的非织造复合滤材。

在常用的非织造过滤材料中，熔喷非织造布和纺黏非织造布因具有各自不同的物理力学性能特点，而被广泛用于构造复合滤材。本文通过采用环保型黏合剂将熔喷非织造布和纺黏非织造布进行层间点黏合复合，构造具有良好容尘梯度、过滤效率高、防护性能好且制备成本低的PM2.5复合滤材。

1材料与方法

1.1材料和仪器

PP纺黏非织造布（直径15～25μm，平方米质量41.14g/m2，厚度0.363mm，孔隙率83.5%）、PP熔喷非织造布（直径2～5μm，平方米质量18.23g/m2，厚度0.196mm，孔隙率72.4%）（浙江某无纺布有限公司），明胶（化学纯，黏度≥15.0mm2/s，相对分子质量15000～250000Da，国药集团化学试剂有限公司），羧甲基纤维素（CMC）（含量≥99.0%，相对分子质量240.2078，任丘市鑫光化工产品有限公司）。

TSI8130自动滤料测试仪（美国TSI集团中国公司），2030型崂应中流量智能TSP采样器（青岛崂山应用技术研究所），YG461L织物透气性能测试仪（莱州市电子仪器有限公司），YG026HB电子织物强力机（常州市天祥纺织仪器有限公司），HJ3恒温磁力搅拌机（上海龙跃仪器设备有限公司），DGF30022B电热鼓风干燥箱（重庆银河实验仪器公司），XPF550C偏光显微镜（上海蔡康光学仪器有限公司）。

1.2方法

1.2.1黏合剂种类及复配液的配置

取一定质量的明胶加入到100mL蒸馏水中，在70～80℃水浴条件下加热搅拌，待明胶完全溶解后再加入一定质量的CMC，溶解后得到一定浓度的黏合剂复配液。

1.2.2过滤材料的层间复合

将单一种类黏合剂及其复配液分别采用面黏合和不同黏结点间距（1、3、5cm）黏合的方式，对裁剪好的一系列20cm×20cm的纺黏非织造布（S）和熔喷非织造布（M）的不同组合形式（SS、SM、SMS）进行层间黏合复合，并将其放在50℃的烘箱内干燥1h后取出。

1.2.3复合滤材对NaCl溶胶的过滤性能

依据GB2626—2006《呼吸防护用品——自吸过滤式防颗粒物呼吸器》中过滤效率的测定方法，采用TSI8130型自动滤料测试仪测试叠层复合非织造布的过滤性能，其中NaCl气溶胶颗粒的质量中值直径和数量中值直径分别为0.26μm和0.075μm，气体流速采用0～100L/min。考察不同气体流量下复合滤材的过滤效率、阻力压降等，每个试样测试5次，取平均值。

1.2.4复合滤材的性能测试

依据GB/T5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用YG461L织物透气性能测试仪测试试样的透气率；依据GB/T3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分 断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》，采用YG026HB型电子织物强力机测定试样的断裂强力、断裂伸长率。

1.2.5复合滤材对空气中PM2.5的过滤性能

分别在轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染天气条件下，实测不同类型的复合滤材对空气中PM2.5的防护效果。用TSP采样器采集一定量的空气（流量100mL/min，采样时间60min），以玻璃纤维滤膜全量收集PM2.5，测定空气中PM2.5的质量分数；将待测过滤材料主体部分剪裁成直径为90mm的圆形直接覆盖在滤膜上，并在相同条件下同步测定经所制备过滤材料过滤后空气中PM2.5的质量分数，并计算过滤材料对PM2.5的过滤效率及容尘量。

空气中PM2.5的质量分数（P，μg/m3）、过滤材料对空气中PM2.5的过滤效率（η，%）、过滤材料的容尘量（M，μg）分别按下式计算：

P=W2-W1V×1000（1）

η/%=P0-P1P0×100（2）

M=（P0-P1）×V（3）

式中：W1和W2分别为空白和采样后滤膜的质量，mg；P0和P1分别为过滤前后空气中PM2.5的质量分数，μg/m3；V为标准状态（101.325kPa，273K）下的采样体积，m3。

2结果与分析

2.1黏合剂配比的影响

前期预实验结果表明，单独使用明胶作为黏合剂，所制备复合滤材的层间黏合强度较高，但黏合后滤材质地较硬；单独使用CMC作为黏合剂时，滤材黏合后柔软性较好，但层间黏结作用力较小，黏结效果较差；而将CMC和明胶复配后既能够达到所需的黏结强度，又能改善复合滤材的柔軟性。因此，实验着重考察明胶和CMC的复配比例对非织造复合滤材层间黏结强度、柔软性和透气性等性能的影响。

研究发现，当固定明胶质量分数为6%时，随着CMC质量分数从1%升高到3%，复合滤材的柔软性能较好；但当CMC质量分数大于3%时，其层间结合牢固程度变差；且复合滤材的透气性能随着黏合剂中CMC质量分数的升高呈现先升高后降低的趋势（图1）。实验结果表明，当黏合剂配比为3%的CMC和6%的明胶时，黏合后的效果最好。

单层纺黏非织造布和单层熔喷非织造布过滤效率较差，而四层及以上纺黏非织造布、熔喷非织造布及二者的组合形式尽管具有较高的过滤效率，但透气性能较差，限制了其实际应用[1112，15]。本实验选择纺黏非织造布和熔喷非织造布的三种组合形式（SS、SM、SMS），并将优选出的明胶/CMC复配黏合剂分别采用面黏合和点黏合的方式对上述三种复合材料进行层间黏合，实验及测试过程中保持滤材的形状及面积均一致，考察不同层间黏合复合方式下过滤材料的过滤效率、阻力压降和透气性，结果如图2所示。

根据GB/T32610—2016《日常防护型口罩技术规范》、TAJ1001—2015《PM2.5防护口罩》等相关标准，防护效果为A级的过滤材料过滤性能应满足过滤效率≥95%、阻力压降≤125Pa、透气性≥150mm/s的要求。从图2可以看出，对于不同组合形式的复合滤材，虽然SS型阻力压降最小和透气性能最好，但两种黏合方式下SS型滤材的过滤效率均在85%以下；SM型在点黏合方式下过滤效率达不到95%的图2不同层间黏合方式下过滤材料的性能

Fig.2The performance of filter materials under different bonding methods要求，面黏合方式下阻力压降和透气性不能满足要求；SMS型在两种黏合方式下的过滤效率均在98%以上，且在点黏合方式下的阻力压降和透气性能也均能满足相关标准的要求。

从图2还可以看出，在不同复合方式下，点黏合材料的过滤效率均低于相应面黏合的材料，但阻力压降和透气性等方面优于面黏合方式。这是因为点黏合方式下，除黏结点外，复合滤材其他部分未被黏合剂覆盖，仍存在较多的空隙（图3（a））；而面黏合方式下复合滤材表面均被黏结剂覆盖，纤维与纤维之间的空隙充满黏结剂（图3（b）），导致其阻力压降较大，透气性较差。综合考虑各方面的因素，后续实验采用点黏合层间复合的SMS复合滤材作为研究对象。图3不同黏合方式下复合滤材的表面形貌

Fig.3The morphology of filter materials under different bonding methods2.3黏结点间距对滤材综合性能的影响

为了进一步优化层间黏合方式，分别按照纵横向间隔1、3、5cm在非织造布上均匀撒点涂布明胶/CMC复配黏合剂，考察黏结点间距对SMS型复合滤材性能的影响，实验结果如表1所示。

从表1可以看出，在实验条件范围内，随黏结点间距的减小，复合滤材的过滤效率增加，但阻力压降升高，透气性能变差。这是由于黏结点间距减小，相当于单位面积上的黏合点数增加，即黏合剂的用量和黏合面积增加，复合滤材黏结性能越强，整体致密性越大；黏合剂用量增多时，在层间黏合过程中，黏合剂越容易进入非织造布内部，造成纤维之间原有孔径的堵塞，导致复合滤材的平均孔径减小，进而使复合滤材的透气性能变差、阻力压降升高，同时过滤效率也相应增加[11]。从表1还可以看出，当黏结点间距由5cm减小至3cm时，阻力压降和透气性能变化不明显，但过滤效率由89.75%增加至98.61%；当黏结点间距进一步由3cm减小至1cm时，过滤效率仅增加了0.91%，但阻力压降增加了22%，透气性能降低了62.7%。

在此基础上，对上述采用黏结点间隔3cm的SMS的复合滤材的力学性能进行了测试，发现其断裂强力为213N、断裂伸长率为63.3%，可以满足作为个体防护用途的要求。

综合上述分析可知，当黏结点间隔为3cm时，SMS复合滤材的过滤效率、透气性和力学性能均可满足使用要求。

2.4气体流量对过滤性能的影响

调整气体流量在0～100L/min时，分别对应平静状态（0～30L/min）、轻度活动状态（35～65L/min）和平缓跑步状态（75～100L/min）三個呼吸量等级，考察不同气体流量下SMS型复合滤材的过滤性能，实验结果如图4所示。

从图4可以看出，在实验范围内，随着气体流量的增加，过滤效率呈现降低的趋势，而阻力压降逐渐增加。这是因为当气流量较小时，粉尘颗粒的扩散运动占优势，其在过滤介质中滞留的时间相对较长，导致其碰撞纤维的机会增多，被纤维拦截捕捉的机会也增多；且较小的气流量导致推动颗粒脱离捕捉纤维的能力降低，所以此时过滤效率较高。随着气流量增大，颗粒跟随气流运动的惯性作用明显，且气溶胶粒子在滤料内停留时间较短，拦截效应减弱，从而导致过滤效率减低[16]。另外，随气体流量增加，其通过滤材时与纤维的摩擦力也越大，压力损失越大，而阻力压降与压力损失成正比，导致阻力压降呈增大趋势[17]。此外，从图4还可以看出，在0～100L/min的流量内，SMS型复合滤材的过滤效率均在98%以上，阻力压降也在120Pa以下。上述实验结果表明，在不同等级人体呼吸量条件下，采用复配黏合剂通过点黏合加固的SMS型复合滤材均能满足个体防护的要求。

2.5的防护效果

对2017年河南省郑州市金水区分别在轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染天气条件下，测试不同类型的复合滤材对空气中PM2.5的过滤效率，考察SMS型复合滤材对空气中PM2.5的防护效果，结果如表2和图5所示。

从表2可以看出，所制备的SMS型复合滤材在不同污染天气条件下对PM2.5的过滤效率均在95%以上，且容尘量随污染程度增大而大幅增加；从图5可以直观地看出，过滤后的SMS型复合滤材（a）颜色较过滤前明显加深（b），且经复合滤材防护的滤膜过滤后的（d）颜色与洁净滤膜（e）基本一致，而未经防护的滤膜（c）过滤后颜色较深，这说明SMS型复合滤材对空气中PM2.5具有较好的防护效果。

2.5的防护效果

2.5于纺黏非织造布纤维直径和孔径都较大，而熔喷非织造布具有纤维细、孔隙多且孔径尺寸小的特点，过滤材料在厚度方向形成多层不同的孔隙度的结构，构造一个良好的容尘梯度[15]，因此具有较高的过滤效率和容尘量，在各种污染天气条件下均可达到理想的防护效果。

随着污染程度的增加，复合滤材对空气中PM2.5的过滤效率有所降低，这主要是因为当空气中PM2.5浓度较低时，颗粒物较容易深入到滤材内部，与滤材纤维表面结合较为牢固，不易发生穿透和二次飞散现象；当空气中PM2.5浓度较高时，颗粒物之间的凝聚作用加强，平均粒径增大，动能增加，颗粒物与滤材纤维碰撞后容易发生反弹，进而导致穿透或反弹后飞散的几率增加，因此过滤效率呈下降趋势[18]。

3结论

1）层间黏合方式对纺黏非织造布和熔喷非织造布复合滤材的过滤性能有较大的影响，采用点黏合方式制备SMS型复合滤材是较为理想的过滤材料，对质量中值直径为0.26μm（数量中值直径为0.075μm）的NaCl气溶胶的过滤效率可到达98%以上。

2）SMS型复合滤材的过滤效率随黏结点间距的增加而降低，当黏结点间距为3cm时，复合滤材的过滤效率、透气性和力学性能均可满足使用要求。

3）在不同等级人体呼吸量条件下（0～100L/min），SMS型复合滤材的过滤效率均在98%以上，阻力压降在120Pa以下，可满足个体防护及透气性等方面的要求。

4）SMS型复合滤材在各种污染天气条件下对PM2.5的过滤效率均在95%以上，且容尘量随污染程度增大而增加，对空气中的PM2.5可以起到良好的防护作用。

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