二氧化硅气凝胶/聚丙烯熔喷非织造材料的制备及性能研究

欧璐 韩建 朱斐超 于斌 赵亮亮

的二氧化硅（SiO2）气凝胶/聚丙烯（PP）熔喷非织造材料，采用扫描电镜、X射线衍射仪、万能材料试验机、透气量仪及滤料试验系统测试分析该非织造材料的结构形貌、结晶性能、晶型结构、力学性能、透气性、过滤性能等性能，结果表明：通过SiO2气凝胶改性的熔喷非织造材料的纤维直径增大，纤维网结构疏松；其熔喷材料结晶度提高，但晶型较改性前并未改变；其透气率增高，SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的过滤效率相比单一PP熔喷非织造材料提高了约50%，但随着SiO2气凝胶添加量增加，其拉伸力学性能有所下降。

关键词：SiO2气凝胶；聚丙烯；熔喷；非织造；过滤

中图分类号：TB332文献标志码：A文章编号：1009-265X（2018）03-0008-05Study on Preparation and Properties of SiO2 Aerogel/PP Meltblown Nonwovens

OU Lu a， HAN Jiana，b， ZHU Feichaoa， YU Bina，b， ZHAO Lianglianga

（Zhejiang SciTech University a.College of Materials and Textiles，

b.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Industrial Textile Materials， Hangzhou 310018， China）Abstract：The SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens with certain mass ratio of 0/100， 1/100， 2/100 and 3/100 were prepared by meltblown nonwoven technology， and the surface morphology， crystallization properties， crystal structure， mechanical properties， air permeability and filtering property of SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens with different SiO2 aerogel content were studied respectively with SEM， XRD， universal material testing machine， air permeability instrument and filter material test bench. The experimental results show that the fiber diameter of SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens increases and the fibernetwork is loose. The crystallinity of SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens increases with the increase of the SiO2 aerogel content， and the crystal form is not changed. The filtering property of SiO2 aerogel/PP meltblown nonwovens increases by 1.5 times of pure PP nonwoven material， and the air permeability also increases. But the tensile mechanical property decreases with the increase of SiO2 aerogel content.

Key words：SiO2 aerogel； PP； meltblown； nonwoven； air filtration

通信作者：韩建，Email：hanjian8@zstu.edu.cn在空气过滤领域，熔喷非织造材料对空气中的微细粉尘和细菌等微细颗粒具有优良的捕获能力[1]，是一种优异的纤维过滤材料[2]，已广泛应用于医用防菌口罩、室内空调机过滤、汽水分离过滤、净化室过滤等方面[3]。聚丙烯（PP）熔喷非织造材料具有纤维超细、比表面积大、孔隙小、空隙率高等特点，是目前市场中主要的空气过滤材料，在一般性过滤中能够发挥高效、低阻、节能的优势，达到良好的滤除粉尘和细菌等有害颗粒的目的[4]。纳米气凝胶是目前节能和环保应用领域新材料中的宠儿[5]，其中SiO2气凝胶又被称为“蓝烟”，其组成中96%以上都是气体，是最轻的固体，有着开放式泡沫结构，比表面积高达800～1 000 m2/g[6]。这些特殊结构使得气凝胶在声学、电学、光学、热学等方面表现出特殊性质[7]。

目前，有研究将马来酸酐/纳米SiO2与PP复合对PP进行增强增韧，以达到提升强度的效果[8]；也有研究将纳米SiO2与PP进行复合改性，发现纳米SiO2对PP中β晶型的产生有诱导作用[910]。SiO2气凝胶除了具有纳米SiO2所含的性能外，還具有高比表面积，高孔隙率等特点，同时，关于采用熔喷纺丝的方法将SiO2气凝胶与PP复合的研究还未发现，因此，本文通过熔喷法制备了SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料，并对其结构形貌、结晶性能、力学性能、透气性及过滤性能进行了研究和表征，以期为SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料在今后空气过滤方面的应用提供参考。

1实验

1.1原料

聚丙烯（PP）（湖南盛锦新材料有限公司），熔喷级，牌号PF800，熔融指数约800 g/10 min；SiO2气凝胶（成都艾瑞杰科技有限公司），工业级，平均粒径约20 nm。

1.2纳米SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料

的制备原料经干燥后，采用熔融共混法制备质量比分别为1/100、2/100、3/100的SiO2气凝胶/PP复合母粒，样品编号分别记为1#、2#、3#，对照组纯PP标记为0#。将SiO2气凝胶/PP复合母粒通过纺粘熔喷一体中型设备（HDF100SM，烟台华大塑料机械有限公司），经螺杆挤出机加热熔融、剪切输送，再经计量泵计量后，从模头喷丝孔挤出，通过狭缝式喷丝孔两侧高温高速的空气牵伸后，自粘合成网得到SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料。经调试，优化后的熔喷加工工艺如表1所示。

将SiO2气凝胶分散于环己烷中，并超声分散15 min，采用英国马尔文公司的ZetasizerNano S型纳米粒度及分子量分析仪对其进行粒径测试，测试温度为25 ℃。

采用德国TOPAS公司的PSM165孔径仪对熔喷非织造材料的孔径进行测试，测试采用冒泡法，材料测试时用TOPAS液浸润。

采用美国铂金埃尔默公司DSC 8000型差示扫描量热仪（DSC）对熔喷非织造材料的热结晶行为进行分析。测试程序为：称取约5 mg试样，N2保护，以10 ℃/min的速度由25 ℃升温至200 ℃，记录一次升温曲线。结晶度采用热焓法进行计算，如式（1）所示[11]。

X/%=ΔHmΔHo×Wf×100（1）

式中：ΔHm为样品的升温熔融热焓，ΔHo为化学结构相同、100%结晶的同类聚合物的熔融热焓值，纯PP百分百结晶时的熔融热焓值为209 J/g，Wf为PP的质量分数。

采用D8 DISCOVERY型X射线衍射仪（德国布鲁克AXS公司）对熔喷非织造材料的晶体结构进行观察分析，扫描速度为3°/min，扫描范围10°～35°。

采用Instron3369型万能材料试验机（英国英斯特朗公司）对熔喷非织造材料的力学性能进行测试，样品尺寸为200 mm×50 mm，拉伸速率为100 mm/min，每组试样做5次，取平均值。

采用YG461E111全自动透气量仪（宁波纺织仪器厂）对熔喷非织造材料的透气性能进行测试。测试压差100 Pa，测试面积20 cm2，每个试样测3次，取平均值。

采用SXL1050型滤料试验台（苏州苏信净化设备有限公司）测试熔喷非织造材料的过滤性能，气溶胶粒子0.3 μm，流速32 L/min，样品有效过滤面积为100 cm2，每个试样检测3次，取平均值。

2结果与讨论

2.1熔喷非织造材料的结构和形貌分析

图1为SiO2气凝胶粒子的粒径分布图，由图1可知SiO2气凝胶的粒径介于150～450 nm，平均粒径约为320 nm，相比完全分散的SiO2气凝胶粒子（粒径约20 nm）存在部分团聚。图2、图3为不同质量比的SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的表面形貌和孔径分布图，可见纯PP熔喷纤网中的纤维平均直径约2～5 μm，纤维网较密，纤维网的平均孔径最小。而添加SiO2气凝胶的PP熔喷非织造材料的纤维平均直径较纯PP要大，且随着SiO2气凝胶添加量的增加，纤维的平均直径和熔喷纤网的平均孔径也逐渐变大，纤维网结构变疏松。这是由于添加了SiO2气凝胶粒子后，PP熔体的流变性能发生改变，影响了其在气流牵伸过程中的牵伸，致使熔体牵伸不充分[12]，故而纤维直径和孔径变大；但加入SiO2气凝胶后的非织造材料的纤维表面变得粗糙，部分SiO2气凝胶粒子暴露于熔喷纤维的表面，而部分SiO2气凝胶粒子被PP纤维包埋，较高含量的SiO2气凝胶在PP中易发生再次团聚，从而对PP的熔喷成纤可纺性产生影响。需要指出的是，暴露于熔喷纤维表面的SiO2气凝胶对整个材料的过滤和吸附方面的性能具有积极作用。

2.2熔喷非织造材料的结晶性能

图4、表2为不同质量比的SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的DSC升温曲线和热性能参数，可见纯PP熔喷材料的升温曲线中，仅有PP的熔融峰，熔点约为164.5 ℃，而SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的熔融峰向高温处逐渐偏移，且随着SiO2气凝胶添加量的增大而偏移更明显，熔点升高了约1～2 ℃；熔融热焓值也相应有所提高，SiO2气凝胶/PP熔喷材料的结晶度相比单一PP熔喷材料提高了约5%。这可能是由于SiO2气凝胶粒子尺寸小、比表面积大，在熔喷非织造挤出纺丝加工过程中，SiO2气凝胶可吸附分散在其周围的PP大分子链而充当PP熔体的结晶成核剂，从而促进PP的结晶生成，提高了结晶度。

图5为不同质量比的SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的XRD曲线，可见经SiO2气凝胶粒子填充改性后的非织造材料分别在2θ约等于14.0°、168°、18.5°和21.6°的位置出现明显的衍射峰，与纯PP非织造材料衍射峰的位置一致，即添加SiO2气凝胶后，XRD曲线没有出现新的衍射峰，PP的晶型结构并未改变；但衍射峰的强度，特别是2θ约为14.0°处，随着SiO2气凝胶添加量的增大而略有减小，说明其晶粒尺寸有所减小[12]。由此可得，SiO2气凝胶的添加仅改变了PP熔喷纤维的晶粒尺寸，而并没有改变其晶型。

2.3熔喷非织造材料的拉伸力学性能

图6为不同质量比的SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的应力应变曲线。由图6可见，相比单一PP熔喷非织造材料，SiO2气凝胶/PP（1/100）熔噴非织造材料断裂强力和断裂伸长率均有所提高，这是由于相对含量较低的无机粒子在纤维中易于分散，起到了增强的效果[11]，但当SiO2气凝胶无机粒子逐渐增加时，由于SiO2气凝胶的比表面积大、表面能高、易团聚，故纤维中的无机粒子团聚现象严重，导致与聚合物的相容性变差，其在纤维拉伸过程中易形成孔洞缝隙和强度弱点，增强效果难以体现，从而会降低非织造材料的拉伸力学性能。同时，加入相对过量的SiO2气凝胶粒子后，从喷丝孔喷出来的熔体黏度增大，纤维直径增大，纤维的结晶固化速度加快且部分SiO2气凝胶粒子附着于纤维表面，导致纤维间的粘结力降低，且粘结点减少，从而拉伸力学性能下降。

2.4熔喷非织造材料的透气性能和过滤效率

图7为不同质量比的SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的透气率曲线，由图7可知，加入SiO2气凝胶的熔喷非织造材料的透气性能较纯PP有所提高，且随着SiO2气凝胶的添加量的增加透气性提高的更加显著，这主要是由于添加了SiO2气凝胶后，PP熔体的流动速率减小，熔体黏度增大，经喷丝孔喷出的PP纤维难以得到充分牵伸，纤维直径增大，纤维间粘结点减少，材料总体蓬松度有所改善，纤网的孔径增大，故而透气率增高。

图8为不同质量比的SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的过滤效率及过滤阻力曲线，由图8可知，SiO2气凝胶改性后的熔喷非织造材料的过滤效率均提高至1.5倍，但过滤阻力变化不大。这是由于加入SiO2气凝胶后纤维网结构变得疏松，空气中的颗粒在进行无规则的布朗运动时被撞击到的概率增大；且部分暴露于熔喷纤维表面的SiO2气凝胶比表面积较大，表面能高，孔隙率也比较高，对粒子有很好的吸附能力，因此SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的过滤性能更佳。但同时发现，由于SiO2气凝胶添加过量后，纤维网的直径更粗且孔隙率更大，因而粒子受到的拦截阻力较小，过滤效率反而有下降趋势。因此，依循高效低阻的原则，当SiO2气凝胶/PP的质量比为2/100时，熔喷非织造材料的性能比较好。

3结论

SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料的直径较纯PP熔喷材料略有增大，且纤维网结构变得更疏松，孔径增大；SiO2气凝胶的添加不改变PP熔喷纤维的晶型，但提高了PP熔喷纤维的结晶度；SiO2气凝胶/PP熔喷非织造材料相比纯PP熔喷非织造材料的过滤阻力变化不大，但过滤效率均提高了50%，添加过量的SiO2气凝胶粒子导致熔喷纤维的可纺性下降，且过滤效率提高并不明显，甚至有降低趋势，拉伸力学性能也有所下降。综上所述，SiO2气凝胶/PP（2/100）熔喷非织造材料的综合性能较佳。

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