高性能聚丙烯熔喷布驻极母粒的制备与应用研究

张翼翔，陈志钊，李玲玉

（广东聚石化学股份有限公司，广东 清远 511500）

自2019年末爆发了新冠疫情，至今疫情反复，对全世界各国人民的生命健康造成了极大危害。口罩成为了日常的必备物资，正确佩戴口罩能降低病毒感染的风险。医护级别的N95口罩，对非油性颗粒物（如酸雾、粉尘、微生物、漆雾等）的过滤效率达到95%。

医用外壳口罩由内外两层为无纺布，中间层为熔喷布，熔喷布作为过滤层，是口罩的核心组成部分，对过滤病毒起到关键作用[1-2]。

聚丙烯熔喷布原料易得、生产成本低，具有非极性、高电阻率、疏水性等特点，可以作为性能优异的过滤层，但其在高湿、高温环境下，电荷会快速衰减甚至消失，因此，加入驻极材料且经过驻极处理，过滤层对颗粒的捕获吸附能力更好，因此，在聚丙烯熔喷布的喷丝成布过程加入驻极母粒，熔喷布的能容纳更多的电荷，能有效的提升电荷捕集能阱的深度与密度。从而对固体颗粒、细菌、病毒等杂物的过滤有显著效果，可实现防护病毒的目的[3-6]。

1 驻极母粒现有的制备方法

目前，驻极母粒的制备方法有：

专利CN202210212996.7[7]选用有机复配物为驻极剂，以聚丙烯树脂、驻极剂、抗静电剂、润滑剂、抗热氧老化剂为原料按照一定比例混合均匀，挤出造粒获得驻极母粒。

专利CN202011579660.1[8]采用有机与无机复合驻极材料，采用ECTFE和C36H70MgO4提升聚丙烯与驻极剂之间的相容性。

专利CN202111546485.0[9]以MPP、气相SiO2、C36H70MgO4、抗氧剂和光稳定剂为原料，经过混合均匀，挤出切粒获得驻极母料。

专利CN202010871250.8[10]采用纳米电气石粉与C36H70MgO4作为驻极助剂，以熔喷级聚丙烯基料、驻极助剂、润滑剂、POE-8880等为原料，混合，熔融造粒即可获得目标产品。

专利CN202111499895.4[11]利用了气相SiO2和高温硅油的协同效应，实现驻极效果，并采用现有技术制备获得目标产品。陈英林[12]等提出在驻极母粒中加入抗菌剂，抗菌剂在一定比例下与驻极剂有良好的协同效应，使产品增加了抗菌功效。田辉[13]采用有机氟碳为驻极剂，以高熔指聚丙烯、驻极剂、EBS、粘着剂等为原料，按照一定配比搅拌熔融造粒获得目标产品。

专利CN202010405931.5[14]利用TiO2的空穴-电子迁移的特性，有效提高了驻极母粒的抗菌效果。

2 驻极母粒制备的研究

本文针对现有技术制备的驻极母粒产品由于使用无机驻极剂，或驻极剂材料无法均匀分散，导致喷丝时容易堵塞膜孔，或添加驻极母粒导致熔喷布柔韧性低，或制备工艺复杂等缺陷展开了驻极母粒制备的研究。

2.1 主要原料与主要仪器设备

实验用到的主要原料见表1。

表1 实验用到的主要原料

实验用到的主要仪器设备见表2。

表2 实验用到的主要原料

2.2 驻极母粒的制备

1）分别称取熔喷聚丙烯、柔顺剂、主驻极剂、辅驻极剂、成核剂、抗氧剂，质量份比为：39.5～69.8；20～40∶5～10∶5～10∶0.1～0.25∶0.1～0.25，其中熔喷PP要求其熔体质量流动速率在（1 300±100 g）/10 min～（1 500±100 g）/min[GB/T 30923]。本实验采用不同原料配比制备驻极母粒样品，其配比如表3。

表3 驻极母粒样品原料配比

2）以样品1为例，加热称量好的辅驻极剂EBS，使其从固体熔化至液体状态，加入纳米气相SiO2，EBS将SiO2包裹，使纳米级的主驻极剂有效分散，同时加入C24H30O6与抗氧剂1010，搅拌加热，获得均匀的半熔化状态混合结块。

3）研磨机中加入步骤2获得的结块，经过研磨获得混合中间体A。

4）混合机中加入熔喷PP、步骤3混合中间体A、MPP，低速搅拌2 min，此时物料已均匀混合获得中间体B。

（5）将步骤4获得的中间体B加入双螺杆挤出机，在240 ℃，转速220 r·min-1下熔融挤出造粒，颗粒过筛，除去小颗粒与粉尘后进入成品贮罐，罐内保持90℃热风搅拌、鼓动4 h均匀脱除小分子聚合物，经过均化、脱挥操作后即可得到高性能驻极母粒。

2.3 驻极母粒的对比样品的制备

为了考察各种主驻极剂、辅驻极剂发挥的性能及其之间具有协同作用，同时考察制备工艺的效果，根据样品2调整了原料配比及生产工艺，制备了对比样品，制备方法与3.3一致，表4为对比样品的原料配比。

表4 对比样品的原料配比

其中对比样品5，其原料配比与样品2是一致的，区别在于制备工艺，对比样品5不优先进行主驻极剂与辅驻极剂的混合，直接将所有原料进行2.2中步骤4的操作。

对比样品7，直接采用PPH Y1500喷布。

3 驻极母粒的应用及性能评价

在聚丙烯熔喷布喷丝过程，加入1%～5%的驻极母粒，可以有效提高熔喷布表面电荷，使熔喷布的过滤效果、使用有效期得以提高与延长。

在Y1500聚丙烯熔喷料树脂中分别加入1%上述制备的样品2与对比样品1-6驻极母粒，混合加热熔化为液体状态，纺丝喷布。对比样品7采用Y1500不加入驻极母粒熔融喷布。

上述的熔喷布分别进行驻极处理，电压为20 kV，获得8个熔喷布样品。对熔喷布样品进行过滤效率与气流阻力试验。每个熔喷布的试验质量为26 g，流量32 L·min-1，在阻力相同的条件下，进行细菌过滤效率（BFE）测试，结果如表5所示。

表5 熔喷布过滤效率对比

通过表5数据可以看过，（1）通过本文制备的驻极母粒（样品2）具有优异的电荷捕获能力，能有效的提高熔喷布的细菌过滤效率，其BFE最高。对比样品7仅采用PPH Y1500制备，未加入驻极母粒，其BFE最低，且过滤效果远低于其他样品。（2）通过对比样品2及对比样品1-4，作为主驻极剂，纳米电气石的效果最佳，明显优于其它单一或复合主驻极剂材料，复合主驻极剂材料之间并未有产生提高性能的协同效应。（3）根据样品2与对比样品5的BFE值，可以得知若主驻极剂未能预先有效分散，其效果有明显下降，且有可能堵塞喷丝孔，影响生产效率。（4）通过样品2与对比样品6比较，主驻极剂作为关键原料，与辅驻极剂之间的产生良好的协同效应，对比样品6未加入主驻极剂，其过滤效果虽然比未添加任何成分的样品7有一定的提高，但距离加入主驻极剂的样品仍存在较大差距。

4 结论

本文以熔喷聚丙烯、柔顺剂、主驻极剂、辅驻极剂、成核剂、抗氧剂为原料，此工艺关键步骤要求主驻极剂均匀分散于辅驻极剂中，主驻极剂与辅驻极剂之间产生协同效应，获得性能良好的驻极母粒产品。在聚丙烯熔喷布喷丝过程，加入的驻极母粒产品，可以有效提高熔喷布表面电荷，通过测试熔喷布过滤效率，通过加入本方法制备的驻极母粒，细菌过滤效率（BFE）大于95%，聚丙烯熔喷布的综合过滤效率、抗热衰的性能、柔韧性得到大幅度提升。