聚四氟乙烯复合过滤材料的覆膜工艺及其性能

聂孙建 梁燕 周冠辰 杨东

摘 要：为了探索聚四氟乙烯（PTFE）复合过滤材料的制备工艺及性能，以不同种类PTFE膜为主要原料，无纺布作为基材，采用不同的覆膜方式制备PTFE复合过滤材料。研究PTFE膜的种类、覆膜方式对PTFE/无纺布复合过滤材料性能的影响，以及熔喷布与PTFE/无纺布复合过滤材料两者性能之间的不同。结果表明：以PTFE-A膜为原料，采用胶覆方式所制备的PTFE/无纺布复合过滤材料的通气阻力要比热覆的低，且过滤效率能达到99%，该材料的过滤效率和通气阻力能符合口罩标准要求。

关键词：聚四氟乙烯（PTFE）膜;熔喷布;复合过滤材料;覆膜工艺;过滤性能

中图分类号：TS174

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2022）02-0085-08

The film laminating technology and properties ofPTFE composite filter materials

NIE Sunjian， LIANG Yan， ZHOU Guanchen， YANG Dong

（Anhui Yuanchen Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Hefei 230012， China）

Abstract： In order to explore the preparation process and properties of polytetrafluoroe-thylene （PTFE） composite filter materials， by taking different types of PTFE membranes as the main raw materials， and non-woven fabrics as the substrate， PTFE composite filter materials are prepared with different film laminating methods. The effect of the types of PTFE membrane and film laminating methods on the properties of PTFE/non-woven composite filter materials， as well as difference between the properties of melt-blown cloth and PTFE/non-woven composite filter materials are studied. The results indicate that the PTFE/non-woven composite filter material prepared with PTFE-A membrane as the raw material has lower ventilation resistance than heat-cladded material and the filtration efficiency is up to reach 99%. The filtration efficiency and ventilation resistance of this material can satisfy the standard requirements for masks.

Key words： polytetrafluoroethylene （PTFE） membrane; melt-blown cloth; composite filter material; film laminating; filter properties

收稿日期：20201210 網络出版日期：20210708

作者简介：聂孙建（1992-），男，安徽安庆人，硕士，主要从事高分子材料及其改性处理方面的研究。

口罩是一种医疗防护用品，可以过滤进入肺部的空气，降低环境中的微小污染物（如PM2.5、飞沫等）对呼吸系统的侵害[1-2]。而中间过滤层作为口罩的核心组成部分，在防护过程中起着至关重要的作用。当前，口罩实现细菌、PM2.5颗粒物隔离主要通过两种方式[3-5]：a） 静电吸附，通过口罩中间过滤层中带有静电荷的纤维对细菌、微小颗粒物的静电吸附作用来实现隔离与防护。b） 物理过滤隔离，通过口罩中间过滤层自身的孔隙大小及分布来阻隔细菌和微小颗粒物的进入。

目前，常规的口罩是由SMS三层构成，其中S层代表纺黏层，M层代表熔喷无纺布层。M层是使口罩具备阻隔病毒等微小污染物的核心组成部分，其材质通常是聚丙烯，由极细密的纤维交织而成，纤维的平均直径约为1～5 μm[4]。由于聚丙烯是优质的有机驻极体材料，在经过表面驻极处理后，表面会储存一定量的电荷，通过静电作用可对微细粉尘和病毒进行吸附。但此类口罩有缺陷：聚丙烯熔喷无纺布密度不均匀，空隙大，需靠表面驻极处理负载荷电，通过静电来吸附颗粒物;而静电容易受生产、运输环境中的湿度影响，尤其是使用过程中，呼吸使口罩受潮，其含量会不断的减弱，防护能力下降。

PTFE膜可作为口罩中间过滤层，它是由亿万条连续不断的互连纤丝非同心交叉排列结构而组成，其孔径在1μm以下。PTFE膜主要利用物理过滤原理，来隔绝空气中的气溶胶等微小颗粒物无需静电驻极[6-8]。通过将PTFE膜以不同覆膜方式粘附在基材无纺布或热风棉上，作为口罩的中间过滤层[8-9]，能够阻隔微小污染物对人体的侵入。朱怀球等[10]对聚四氟乙烯覆膜过滤材料的应用现状进行综述，并对比了覆PTFE膜口罩与普通熔喷布口罩之间的差异，发现覆PTFE膜口罩更耐久、过滤效率更高;俞锦伟[11]采用热覆方式将PTFE膜覆在无纺布上，经检测这种复合过滤材料要比普通熔喷布口罩更舒适、防护性能更好;翟福强[12]同样采用连续热压的工艺将PTFE膜覆着于聚丙烯过滤纤维上，结果表明该复合材料能够重复利用、增加了佩戴舒适感。

然而在诸如新冠肺炎疫情此类突发性公共卫生事件下，口罩需求突增，虽也有用PTFE膜制备而成的纳米膜口罩，但由于当时存在抢占市场、抢商机的因素，使得关于PTFE膜的覆膜工艺只停留在热覆工艺阶段，且较少有与熔喷布性能对比的相关研究。

本文先研究不同种类的PTFE膜覆膜后的效果，进而探讨胶覆和热覆两种覆膜方式对PTFE复合过滤材料性能的影响，最后对比PTFE/无纺布复合过滤材料与熔喷布之间性能的差异，研究结果可促进PTFE膜更好地应用在口罩中。

1 实 验

1.1 主要原料与仪器

实验原料：无纺布（常州市盈翰无纺布有限公司，平方米质量：25 g/m2）、PTFE膜（浙江格尔泰斯环保特材股份有限公司生产的4种PTFE膜：PTFE-A、PTFE-B、PTFE-C、PTFE-D（孔径大小依次增大））、PUR热熔胶、自制的熔喷布。

实验仪器：覆膜贴合机（TH-PUR，无锡市先河自动化设备有限公司）、滤料综合性能测试平台（LZC-K1，安徽华方计量科技有限公司）、织物透气量仪（YG461E-Ⅱ，温州方圆仪器有限公司）、电子天平（JM-A3002，诸暨市超泽衡器设备有限公司）、飞钠扫描电镜（YQ009，复纳科学仪器有限公司），医用口罩气体交换压力差测试仪仪器（BLD-709，东莞博莱德仪器设备有限公司）、孔径分布仪（PSM-165，德国Topas公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 胶覆方式

将覆膜贴合机升温至所需温度，并将所需要的PTFE膜与无纺布放至在覆膜机上;开机，将温度升温至95℃，设置贴合辊间隙为（-0.13±0.01）mm，上胶辊间隙为（-0.08±0.02）mm，然后进行覆膜工艺。待将胶覆后的样品的PUR热熔胶在室温下自然干凝后，查看两者之间的粘结牢度。

1.2.2 热覆方式

将机器温度调整至110～140℃，贴合辊间隙调整为-0.3～0.1mm;开机，將所需PTFE膜与无纺布置于适当位置后进行覆膜工序。

1.3 测试及表征

1.3.1 PTFE/无纺布复合材料的形貌表征

采用扫描电镜对经过不同覆膜方式制备的PTFE/无纺布复合材料的形貌结构进行表征。随机裁取符合检测要求的试样进行检测，得到所需SEM图。

1.3.2 PTFE/无纺布复合材料的透气率测试

采用织物透气量仪对不同的PTFE膜进行检测，设置检测要求为：127Pa、单位为mm/s，依据标准T/ZZB 0067-2016《聚四氟乙烯微孔薄膜》。

1.3.3 PTFE/无纺布复合材料的过滤效率测试

采用LZC-K1滤料综合性能测试平台，介质为NaCl和DEHS，粒径范围0.33～0.36 μm，依据标准GB/T 32610-2016《日常防护型口罩技术规范》。

1.3.4 PTFE/无纺布复合材料的通气阻力测试

采用医用口罩气体交换压力差测试仪测试样品的通气阻力，测试面积4.9cm2，依据标准YY/T 0969-2013《一次性使用医用口罩》。

1.3.5 PTFE/无纺布复合材料的孔径分布测试

采用PSM-165孔径测试仪对样品PTFE膜进

行孔径分布检测，依据标准ASTM-F316-03《通过起泡点和平均流动孔试验描述膜过滤器的孔大小特征的试验方法》。

2 结果与分析

2.1 不同种类PTFE膜的性能

不同种类的PTFE膜自身性能如表1所示。从表1可以看出，不同种类的PTFE膜的透气性均有不同，通气阻力与透气率呈负相关关系;PTFE-D膜的通气阻力最低，PTFE-A膜最高;而各自的透气率同样有不同，PTFE-D膜最高，PTFE-A膜最低。这与PTFE膜自身孔径大小分布有关。

4种类型的PTFE膜的孔径分布如图1所示。从图1中可以看出，PTFE-A的PTFE膜，孔径分布范围在5.95～9.09 μm之间，而其他3种PTFE膜孔径在5.95～16.27 μm，其中PTFE-C和PTFE-D膜孔径在5.95～14.6 μm;这说明PTFE-A膜的孔径要比其他3种的要小，进而导致自身通气阻力最高、透气性最低，而PTFE-D膜的孔径在8.11～13.52 μm，占据75.24%;PTFE-C膜的孔径在8.11～13.52 μm，占据74.01%;PTFE-B膜的孔径在8.53～14.98 μm，占据73.98 %;这些表明PTFE-D膜的孔径要比其他的大，PTFE-C膜次之，PTFE-B膜较低。

2.2 PTFE膜的种类对PTFE/无纺布复合过滤材料性能的影响

图2为不同种类的PTFE膜通过胶覆方式所制备的PTFE/无纺布复合过滤材料的过滤效率。从图2中可以看出，若以过滤效率为95%为界限，以PTFE-A类型的PTFE膜通过胶覆所制备而成的复合材料的过滤效率在95%以上的居多，而其他3种类型的PTFE膜覆膜后的复合材料在95%以下居多。

图3为不同种类的PTFE膜通过胶覆方式所制备的PTFE/无纺布复合型过滤材料的通气阻力。从图3中可以看出，若以35Pa为界限，种类A的PTFE膜覆膜后的复合型材料的通气阻力，在35Pa以下占据约70%，而另3种的PTFE膜覆膜后的在35Pa以上占据90%以上。种类A的PTFE膜通气阻力为30.9Pa，胶覆后通气阻力检测结果显示的是在35Pa以下的居多，但也未低于30Pa，检测点不一样，并且PTFE膜自身原料的性质也会使检测结果有波动，但均在范围内。胶覆后的复合材料的通气阻力，就上面检测数据而言，并未出现通气阻力减小的趋势，基本都在30～35Pa。

从过滤效率和通气阻力的测试结果来看，其中以种类A的PTFE膜所制备的PTFE/无纺布复合过滤材料性能更符合口罩标准的要求。

2.3 不同覆膜方式对PTFE/无纺布复合材料的影响

根据上面所制备的不同类型膜的过滤效率（见图2）和通气阻力（见图3）的检测结果显示，PTFE-A类的膜的过滤效率整体在98%居多、通气阻力在35Pa以下居多，综合性能要比其他类型的PTFE膜好，所以采用PTFE-A类的膜来进行不同覆膜方式对PTFE/无纺布复合材料性能的研究。

图4为不同覆膜工艺对PTFE/无纺布复合过滤材料的通气阻力的影响，图5为经过热覆后的基材无纺布的SEM图。从图4可以看出，采用胶覆和热覆方式制备的过滤材料测试的通气阻力有所不同。通过胶覆后所检测的通气阻力均在29Pa上下波动，最高值为30.9Pa;而热覆后的通气阻力要比胶覆的高，平均值在33.6Pa，最高值达到36.9Pa。原因在于热覆和胶覆的原理不同，热覆是通过将温度升到基材无纺布的熔点附近，再通过压辊的压力将PTFE膜与无纺布粘结在一起，这个过程会使原来无纺布中的孔隙由于达到熔点压合而导致孔隙缩小或粘合在一起（如图5热压方式后的无纺布SEM图），使得自身整体通气阻力上升，所以导致热覆后的通气阻力要比胶覆的高。

图6为不同覆膜方式所制备的过滤材料的过滤效率（测试流量：95 L/min）。从图6可以看出，胶覆和热覆的方式对PTFE/无纺布复合材料的过滤效率的影响不大，因为这种复合过滤材料的过滤原理是物理过滤，即主要依靠表层PTFE膜的性能（孔隙大小决定）。

从PTFE/无纺布复合材料的过滤效率和通气阻力的检测结果来看，通气阻力均在49Pa/cm2以下、过滤效率均在90%以上，能够符合口罩标准

GB/T32610-2016和YY/T 0969-2013，可以满足口罩使用。

2.4 PTFE/无纺布复合过滤材料与熔喷布过滤材料性能对比

图7为PTFE/无纺布复合过滤材料与熔喷布的过滤效率。由图7可得，熔喷布的过滤效率要比PTFE/无纺布复合过滤材料的效率低很多。这是由于熔喷布的孔径较大且纤维直径较PTFE膜的直径大。

图8为PTFE膜与熔喷布的孔径分布图。由图8可知，PTFE膜的孔径在5.59～9.09 μm，其中5.95～6.34 μm占比6.05%，6.34～6.74 μm占比10.24%，6.74～7.13 μm占比11.68%，7.13～7.52 μm占比14.61%;而熔喷布的孔径在12.44～13.23 μm，其中12.44～12.54 μm占比24.31%，12.73～12.83 μm占比23.93%。可以明显看出，PTFE膜的孔径要比熔喷布的小，在相同测试条件下，熔喷布的阻隔效果要比PTFE膜的差，这进一步可以佐证PTFE/无纺布复合型过滤材料的过滤效率要比熔喷布的过滤效率高。

图9为两种过滤材料的过滤效率与时间的关系图。从图9可以看出，过滤效率与时间呈负相关关系。PTFE/无纺布复合过滤材料的过滤效率在经过30 d后依旧保持在95%以上，而熔喷布在同样时间内效率下降至86%，且下降速度比复合过滤材料的快。PTFE/无纺布材料与熔喷布两者过滤效率差距较大，这主要是由于它们过滤微小颗粒物的原理不一样：熔喷布的过滤原理主要是依靠在制备过程中添加的驻极体，采用电晕发电方式，使运动中的熔喷纤维带上电荷，积极捕获微小颗粒物。但这种过滤方式的过滤效果，很大程度上取决于电荷留存时间，随着时间的延长，电荷会衰减，使得静电吸附效果减弱，进而导致过滤效率下降;而PTFE/无纺布复合过滤材料的过滤机理主要是物理过滤，即依据PTFE膜的孔径大小及分布。

3 结 论

以不同种类的PTFE膜为原料、无纺布为基材，利用不同覆膜方式制备复合过滤材料，对比了不同种类的PTFE膜制备的过滤材料性能，得出如下结论：

a） 不同类型的PTFE膜所制备的PTFE/无纺布复合过滤材料的通气阻力和过滤效率跟PTFE膜的性能有一定关系：PTFE膜自身透气性大，其所制备的PTFE/无纺布复合过滤材料的过滤效率低，通气阻力小;而自身透气性小的膜，其制备的复合过滤材料的通气阻力会增大，无法满足口罩标准要求。

b） 不同覆膜方式所制备的PTFE/无纺布复合过滤材料的过滤效率基本无差别，但胶覆方式所制备的复合过滤材料的通气阻力要比热覆的低。

c） PTFE/无纺布复合过滤材料的过滤效率、通气阻力符合口罩标准GB/T32610-2016和YY/T 0969-2013。

参考文献：

[1]王雷瑶.日常防护口罩颗粒物净化效果研究[D].北京：北京建筑大学，2019.

WANG Leiyao. Study on the Purification Effect of Particulate Matter in Daily Protective Mask[D]. Beijing： Beijing University of Civil Engineering and Architecture， 2019.

[2]郝丽梅，林松，吴金辉，等.生物防护口罩材料与防护性能研究进展[J].中国公共卫生，2011，27（5）：634-637.

HAO Limei， LIN Song， WU Jinhui， et al. Research progress of biological protective mask materials and protective performance[J]. Chinese Journal of Public Health， 2011， 27（5）： 635-637.

[3]何俊美，魏秋华，任哲，等.在新型冠状病毒肺炎防控中口罩的選择与使用[J].中国消毒学杂志，2020，37（2）：137-141.

HE Junmei， WEI Qiuhua， REN Zhe， et al. Selection and use of masks in the prevention and control of new coronavirus pneumonia[J]. Chinese Journal of Disinfection， 2020， 37（2）： 137-141.

[4]张建春，郝新敏，周国泰，等.驻极超微细纤维高效滤材SARS防护口罩的研究[J].西安工程科技学院学报，2003，17（3）：212-217.

ZHANG Jianchun， HAO Xinmei， ZHOU Guotai， et al. Research on SARS protective masks with electret ultrafine fiber high-efficiency filter material[J]. Journal of Xi'an Polytechnic University， 2003， 17（3）： 212-217.

[5]蒋莉，吴海波，靳向煜.热轧复合工艺对PTFE膜和PET纺粘非织造布复合材料性能的影响[J].非织造布，2007，15（6）：39-41.

JIANG Li， WU Haibo， JIN Xiangyu. The effect of hot-rolling composite process on the properties of PTFE film and PET spunbonded nonwoven composite material[J]. Nonwovens， 2007， 15（6）： 39-41.

[6]郑建威，张维祥，徐瑞等.医用口罩过滤材料产业发展研究[J].工程科技与技术发展，2020，28（14）：54-54.

ZHENG Jianwei， ZHANG Weixiang， XU Rui， et al. Research on the development of medical mask filter material industry[J]. Engineering Technology and Technology Development， 2020， 28（14）： 54-54.

[7]郝瑞莉，丁志荣，张琰卿，等.聚四氟乙烯层压复合织物的制备与工艺优化[J].南通大学学报（自然科学版），2015，14（1）：60-64.

HAO Ruili， DING Zhirong， ZHANG Yanqing， et al. Preparation and process optimization of polytetrafluoroe-thylene laminated composite fabric[J]. Journal of Nantong University （Natural Science Edition）， 2015， 14（1）： 60-64.

[8]魏海眉.过滤用复合膜的制备及其性能研究[D].杭州：浙江理工大学，2018.

WEI Haimei. Study on Preparation and Performance of Composite Membrane for Filtration[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2018.

[9]李猛.PTFE微孔膜/熔噴材料复合空气滤材的制备与性能研究[D].上海：东华大学，2017.

LI Meng. Study on Preparation and Performance of PTFE Microporous Membrane/Meltblown Composite Air Filter Material[D]. Shanghai： Donghua University， 2017.

[10]朱怀球，叶翔宇，刘芙蓉.聚四氟乙烯覆膜材料用于口罩过滤材料的可行性研究[J].现代纺织技术，2020，28（6）：1-4.

ZHU Huiqiu， YE Xiangyu， LIU Furong. Feasibility study of using PTFE membrane material as mask filter material[J]. Advanced Textile Technology， 2020， 28（6）： 1-4.

[11]俞锦伟.一种用于口罩的PTFE复合过滤材料及制备工艺：CN111760380A[P].2020-10-13.

YU Jinwei. A PTFE composite filter material for masks and preparation process： CN111760380A[P]. 2020-10-13.

[12]翟福强，李璐，罗永以.一种口罩用低阻高效复合过滤材料及其制备方法：CN111905452A[P].2020-11-10.

ZHAI Fuqiang， LI Lu， LUO Yongyi. Low-resistance high-efficiency composite filter material for masks and preparation method thereof： CN111905452A[P]. 2020-11-10.