超细纤维结构的聚丙烯熔喷无纺布的制备及其性能研究

郑海明，陆国英，徐建明，赵兴云，包宾王

（杭州科百特过滤器材有限公司，浙江 杭州 311265）

无纺布具有优异的过滤性能、产量高、加工工艺简单，成为一种越来越重要的过滤材料。无纺布过滤材料的纤维细度可调、三维结构杂乱蓬松、孔隙率高、过滤效率好、生产效率高[1-2]，在食品化工、医疗卫生、环境保护、微电子工业等领域发挥着非常大的作用[3]。熔喷法是无纺布一步成型的重要方法之一，目前熔喷法制备无纺布所用的大部分原料是聚丙烯，聚丙烯具有价格低、强度好、耐酸碱性好、耐有机溶剂等优点[4]。

随着半导体工业的迅速发展，对抛光技术提出了更高的要求。化学机械抛光（CMP）技术是目前唯一可以在整个硅圆晶片上实现全面平坦化的工艺技术，CMP 技术中抛光液的研磨颗粒尺寸等级或洁净度直接决定半导体晶片表面的质量。目前降低由于浆液颗粒尺寸过大或者污染物引起表面质量缺陷的方法是对浆液进行过滤，传统的过滤材料对这种纳米级浆液颗粒的过滤效果十分有限。聚丙烯熔喷无纺布的过滤效率较高，可满足半导体制造所需的清洗效果和效率，在半导体领域得到越来越广泛的应用。另外，经驻极化处理后的聚丙烯熔喷无纺布，静电吸附能力显著提升，对病毒及含病毒颗粒的拦截效率也相应提高，而且过滤阻力并不会增加，是应用于医用口罩的最佳滤材。作为制备口罩核心层的过滤材料，聚丙烯熔喷无纺布在新冠肺炎（COVID-19）疫情攻坚战中发挥了重要作用[5]，同时也为其发展带来了机遇和挑战。由于熔喷纺丝工艺对无纺布的性能有较大影响，因此本文对聚丙烯熔喷无纺布的制备工艺参数进行研究。

1 实验部分

1.1 原料

聚丙烯颗粒：熔融指数分别为1500 g/min、1200 g/min 和1000 g/min。

自由基降解剂：外购。

1.2 试验设备

杭州科百特过滤器材有限公司自主设计搭建的熔喷无纺布生产线。幅宽1.2 m，产能800 t/a。

1.3 制备方法

（1）原料准备。使用自动上料机，将PP 颗粒或者PP 颗粒和自由基降解剂的混合物输送至挤出机料斗中。为了验证PP 颗粒的熔体流动性对纤维直径的影响，本实验设计分别使用熔融指数为1500 g/10 min、1200 g/10 min 和1000 g/10 min的三种颗粒。

（2）熔融纺丝。将步骤（1）中的物料置于挤出机中熔融挤出后经计量泵计量和喷丝板熔喷，随后在热风的牵引拉伸作用下，形成纤维结构的无纺布。

（3）接收成网。将步骤（2）中形成的纤维材料经过冷却装置冷却成型，并于卷绕网帘上交织粘合后，形成熔喷无纺布。

1.4 测试

1.4.1 透气量测试

取样：将1.2 m 幅宽的样品在横向方向上（宽幅方向）均分成8 等份，并在每个区域的中心标记好测试点。

测试：将以上样品平整地放在YG(L)461E 全自动透气性能测试仪台面上，轻轻按压仪器把手，再松开，把手不再弹起来，并发出轻微的吹气声音，表明正在测试。待显示屏上显示出测试结果后，表明测试完成，再次轻轻按压仪器把手，把手会自动弹起来，再更换测试位置，如前描述操作步骤，依次按顺序测试其他区域。

1.4.2 克重测试

取样方案同1.4.1 取样方案，用标准裁刀在均分好的每个区域中分别裁下1 张100 cm2的圆片。将裁下的圆片置于电子天平上称量，再将单位换算为g/m2，即为克重值。

1.4.3 过滤效率测试

（1）根据需求，用特定规格的过滤颗粒物以及温度为（20±2）℃的纯水，配制成浊度为a 的标准溶液（浊度范围一般为30±1），并添加0.1%的乳化剂，搅拌均匀，防止颗粒物团聚。

（2）将制备好的试样放置到仪器夹具中，正确安装到过滤效率测试仪器（杭州科百特过滤器材有限公司自主设计）上。

（3）打开仪器阀门，使标准溶液流过试样，流出时开始计时，取流出10 s 时的过滤液。

（4）测试过滤液的浊度，记作b。

（5）试样的过滤效率f=（a-b）/a×100%。

1.4.4 纤维直径测试

将无纺布试样表面喷金处理，采用日立高新技术公司的扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察试样表面的纤维结构形态，扫描电子显微镜的加速电压为20 kV。用软件对试样的SEM 图进行纤维直径的测试，测试每个试样的细纤维直径，并计算平均纤维直径。

2 结果与讨论

2.1 不同物料体系对熔喷无纺布性能的影响

为了便于对照，试验设置产品克重一致，纺丝所用物料体系为单一变量，其他纺丝工艺条件一致。表1 是不同物料体系变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布性能数据。从表1 可以看出，随着PP 颗粒的熔融指数逐渐增大，即流动性增大，产品透气量逐渐降低，即透气性下降，纤维直径逐渐变细。这归结于流动性越好的熔体经过喷丝孔后，更容易被热风牵引拉伸而细化。另外，对比试样1-S3 和1-S4，发现自由基降解剂的添加有助于形成更细的纤维结构。其主要原因是自由基降解剂使聚丙烯局部分子链断裂，分子链活动性提高，熔体流动性增加，从而更容易被热风牵引拉伸而细化。不同物料体系变化对应的聚丙烯熔喷无纺布的SEM 图见图1。

图1 不同物料体系变化对应的聚丙烯熔喷无纺布的SEM 图

表1 不同物料体系变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布性能数据

2.2 PP 计量泵泵供量对熔喷无纺布性能的影响

为了便于对照，纺丝所用计量泵的泵供量为单一变量，同时卷绕网帘的速度也相应地变化，以保证产品克重一致，其他纺丝工艺条件一致。泵供量指计量泵在一定的转速下向喷丝板输出的熔体量，本试验以转速（r/min）为泵供量单位，熔体输出量与转速成线性关系，转速越大，熔体输出量越大。表2 是泵供量变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布性能数据。由表2 可以看出，随着泵供量的增加，产品透气量逐渐提高，纤维直径逐渐变粗。这是因为泵供量增加，即单位时间形成的熔体纤维细流增加，在热气流不变的条件下，相当于单位质量的熔体受到的拉伸力降低，故纤维直径变大；另一方面，随着泵供量增加，熔体压力提高，熔体在喷丝孔出口处的挤出胀大也越明显，这也是导致并丝的重要原因之一，导致纤维直径变大，其冷却固化变慢，纤维之间粘连、并丝现象加剧（如图2（b）所示），这些因素都使得纤维平均直径和网孔孔径增加，产品透气量提高。泵供量变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布的SEM 见图2。

表2 泵供量变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布性能数据

图2 泵供量变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布的SEM

2.3 热风风压对熔喷无纺布性能的影响

试验选择熔融指数为1500 g/10 min 的PP 颗粒，并添加0.5 wt%的自由基降解剂，制备具有更细纤维结构的熔喷无纺布。通过调节热风风压大小，以研究热风风压对所制备的超细纤维结构的无纺布性能的影响。为了便于对照，试验设置产品克重一致，热风风压为单一变量。

表3 是热风风压工艺参数变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布性能数据。由表3 可以看出，随着热风风压的逐渐增大，产品透气量逐渐降低，即透气性下降。当纤维从喷丝孔喷出后，纤维在热风的牵引作用下进一步细化，较高的热风风压更有利于纤维的细化，因此随着热风风压的逐渐增大纤维直径逐渐变小，达到纳米级别。然而，若风压过大，超过40 kPa 将导致纤维丝在拉伸过程中更容易断裂，因而产生很多游离的飞花，使产品克重降低，透气量反而会变大。热风风压工艺参数变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布的SEM 见图3。

图3 热风风压工艺参数变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布的SEM 图

表3 热风风压工艺参数变化以及对应的聚丙烯熔喷无纺布性能数据

3 总结

选取高流动性的PP 颗粒，并添加自由基降解剂，在较大的热风压力下，有利于制备具有超细纤维结构的聚丙烯熔喷无纺布。PP 颗粒熔体流动性好、计量泵流量低、热风风压增大有利于纤维在成型过程中牵引拉伸细化，因而能够形成超细纤维结构的无纺布，为制备高精度的过滤器材提供理论依据。一般地，熔喷无纺布的性能受多种工艺参数及物料体系的影响，因此通过多种工艺参数的调节，发挥协同作用，更有利于制备精度更高的超细纤维结构的滤材，后续将作进一步的研究。