鄭海明，陸國(guó)英，徐建明，趙興云，包賓王

（杭州科百特過濾器材有限公司，浙江 杭州 311265）

無紡布具有優(yōu)異的過濾性能、產(chǎn)量高、加工工藝簡(jiǎn)單，成為一種越來越重要的過濾材料。無紡布過濾材料的纖維細(xì)度可調(diào)、三維結(jié)構(gòu)雜亂蓬松、孔隙率高、過濾效率好、生產(chǎn)效率高[1-2]，在食品化工、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、微電子工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著非常大的作用[3]。熔噴法是無紡布一步成型的重要方法之一，目前熔噴法制備無紡布所用的大部分原料是聚丙烯，聚丙烯具有價(jià)格低、強(qiáng)度好、耐酸堿性好、耐有機(jī)溶劑等優(yōu)點(diǎn)[4]。

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)拋光技術(shù)提出了更高的要求?；瘜W(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)是目前唯一可以在整個(gè)硅圓晶片上實(shí)現(xiàn)全面平坦化的工藝技術(shù)，CMP 技術(shù)中拋光液的研磨顆粒尺寸等級(jí)或潔凈度直接決定半導(dǎo)體晶片表面的質(zhì)量。目前降低由于漿液顆粒尺寸過大或者污染物引起表面質(zhì)量缺陷的方法是對(duì)漿液進(jìn)行過濾，傳統(tǒng)的過濾材料對(duì)這種納米級(jí)漿液顆粒的過濾效果十分有限。聚丙烯熔噴無紡布的過濾效率較高，可滿足半導(dǎo)體制造所需的清洗效果和效率，在半導(dǎo)體領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。另外，經(jīng)駐極化處理后的聚丙烯熔噴無紡布，靜電吸附能力顯著提升，對(duì)病毒及含病毒顆粒的攔截效率也相應(yīng)提高，而且過濾阻力并不會(huì)增加，是應(yīng)用于醫(yī)用口罩的最佳濾材。作為制備口罩核心層的過濾材料，聚丙烯熔噴無紡布在新冠肺炎（COVID-19）疫情攻堅(jiān)戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用[5]，同時(shí)也為其發(fā)展帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。由于熔噴紡絲工藝對(duì)無紡布的性能有較大影響，因此本文對(duì)聚丙烯熔噴無紡布的制備工藝參數(shù)進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

聚丙烯顆粒：熔融指數(shù)分別為1500 g/min、1200 g/min 和1000 g/min。

自由基降解劑：外購。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

杭州科百特過濾器材有限公司自主設(shè)計(jì)搭建的熔噴無紡布生產(chǎn)線。幅寬1.2 m，產(chǎn)能800 t/a。

1.3 制備方法

（1）原料準(zhǔn)備。使用自動(dòng)上料機(jī)，將PP 顆?；蛘逷P 顆粒和自由基降解劑的混合物輸送至擠出機(jī)料斗中。為了驗(yàn)證PP 顆粒的熔體流動(dòng)性對(duì)纖維直徑的影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分別使用熔融指數(shù)為1500 g/10 min、1200 g/10 min 和1000 g/10 min的三種顆粒。

（2）熔融紡絲。將步驟（1）中的物料置于擠出機(jī)中熔融擠出后經(jīng)計(jì)量泵計(jì)量和噴絲板熔噴，隨后在熱風(fēng)的牽引拉伸作用下，形成纖維結(jié)構(gòu)的無紡布。

（3）接收成網(wǎng)。將步驟（2）中形成的纖維材料經(jīng)過冷卻裝置冷卻成型，并于卷繞網(wǎng)簾上交織粘合后，形成熔噴無紡布。

1.4 測(cè)試

1.4.1 透氣量測(cè)試

取樣：將1.2 m 幅寬的樣品在橫向方向上（寬幅方向）均分成8 等份，并在每個(gè)區(qū)域的中心標(biāo)記好測(cè)試點(diǎn)。

測(cè)試：將以上樣品平整地放在YG(L)461E 全自動(dòng)透氣性能測(cè)試儀臺(tái)面上，輕輕按壓儀器把手，再松開，把手不再彈起來，并發(fā)出輕微的吹氣聲音，表明正在測(cè)試。待顯示屏上顯示出測(cè)試結(jié)果后，表明測(cè)試完成，再次輕輕按壓儀器把手，把手會(huì)自動(dòng)彈起來，再更換測(cè)試位置，如前描述操作步驟，依次按順序測(cè)試其他區(qū)域。

1.4.2 克重測(cè)試

取樣方案同1.4.1 取樣方案，用標(biāo)準(zhǔn)裁刀在均分好的每個(gè)區(qū)域中分別裁下1 張100 cm2的圓片。將裁下的圓片置于電子天平上稱量，再將單位換算為g/m2，即為克重值。

1.4.3 過濾效率測(cè)試

（1）根據(jù)需求，用特定規(guī)格的過濾顆粒物以及溫度為（20±2）℃的純水，配制成濁度為a 的標(biāo)準(zhǔn)溶液（濁度范圍一般為30±1），并添加0.1%的乳化劑，攪拌均勻，防止顆粒物團(tuán)聚。

（2）將制備好的試樣放置到儀器夾具中，正確安裝到過濾效率測(cè)試儀器（杭州科百特過濾器材有限公司自主設(shè)計(jì)）上。

（3）打開儀器閥門，使標(biāo)準(zhǔn)溶液流過試樣，流出時(shí)開始計(jì)時(shí)，取流出10 s 時(shí)的過濾液。

（4）測(cè)試過濾液的濁度，記作b。

（5）試樣的過濾效率f=（a-b）/a×100%。

1.4.4 纖維直徑測(cè)試

將無紡布試樣表面噴金處理，采用日立高新技術(shù)公司的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察試樣表面的纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)，掃描電子顯微鏡的加速電壓為20 kV。用軟件對(duì)試樣的SEM 圖進(jìn)行纖維直徑的測(cè)試，測(cè)試每個(gè)試樣的細(xì)纖維直徑，并計(jì)算平均纖維直徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同物料體系對(duì)熔噴無紡布性能的影響

為了便于對(duì)照，試驗(yàn)設(shè)置產(chǎn)品克重一致，紡絲所用物料體系為單一變量，其他紡絲工藝條件一致。表1 是不同物料體系變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布性能數(shù)據(jù)。從表1 可以看出，隨著PP 顆粒的熔融指數(shù)逐漸增大，即流動(dòng)性增大，產(chǎn)品透氣量逐漸降低，即透氣性下降，纖維直徑逐漸變細(xì)。這歸結(jié)于流動(dòng)性越好的熔體經(jīng)過噴絲孔后，更容易被熱風(fēng)牽引拉伸而細(xì)化。另外，對(duì)比試樣1-S3 和1-S4，發(fā)現(xiàn)自由基降解劑的添加有助于形成更細(xì)的纖維結(jié)構(gòu)。其主要原因是自由基降解劑使聚丙烯局部分子鏈斷裂，分子鏈活動(dòng)性提高，熔體流動(dòng)性增加，從而更容易被熱風(fēng)牽引拉伸而細(xì)化。不同物料體系變化對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 圖見圖1。

圖1 不同物料體系變化對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 圖

表1 不同物料體系變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布性能數(shù)據(jù)

2.2 PP 計(jì)量泵泵供量對(duì)熔噴無紡布性能的影響

為了便于對(duì)照，紡絲所用計(jì)量泵的泵供量為單一變量，同時(shí)卷繞網(wǎng)簾的速度也相應(yīng)地變化，以保證產(chǎn)品克重一致，其他紡絲工藝條件一致。泵供量指計(jì)量泵在一定的轉(zhuǎn)速下向噴絲板輸出的熔體量，本試驗(yàn)以轉(zhuǎn)速（r/min）為泵供量單位，熔體輸出量與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速越大，熔體輸出量越大。表2 是泵供量變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布性能數(shù)據(jù)。由表2 可以看出，隨著泵供量的增加，產(chǎn)品透氣量逐漸提高，纖維直徑逐漸變粗。這是因?yàn)楸霉┝吭黾?，即單位時(shí)間形成的熔體纖維細(xì)流增加，在熱氣流不變的條件下，相當(dāng)于單位質(zhì)量的熔體受到的拉伸力降低，故纖維直徑變大；另一方面，隨著泵供量增加，熔體壓力提高，熔體在噴絲孔出口處的擠出脹大也越明顯，這也是導(dǎo)致并絲的重要原因之一，導(dǎo)致纖維直徑變大，其冷卻固化變慢，纖維之間粘連、并絲現(xiàn)象加?。ㄈ鐖D2（b）所示），這些因素都使得纖維平均直徑和網(wǎng)孔孔徑增加，產(chǎn)品透氣量提高。泵供量變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 見圖2。

表2 泵供量變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布性能數(shù)據(jù)

圖2 泵供量變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布的SEM

2.3 熱風(fēng)風(fēng)壓對(duì)熔噴無紡布性能的影響

試驗(yàn)選擇熔融指數(shù)為1500 g/10 min 的PP 顆粒，并添加0.5 wt%的自由基降解劑，制備具有更細(xì)纖維結(jié)構(gòu)的熔噴無紡布。通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)風(fēng)壓大小，以研究熱風(fēng)風(fēng)壓對(duì)所制備的超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)的無紡布性能的影響。為了便于對(duì)照，試驗(yàn)設(shè)置產(chǎn)品克重一致，熱風(fēng)風(fēng)壓為單一變量。

表3 是熱風(fēng)風(fēng)壓工藝參數(shù)變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布性能數(shù)據(jù)。由表3 可以看出，隨著熱風(fēng)風(fēng)壓的逐漸增大，產(chǎn)品透氣量逐漸降低，即透氣性下降。當(dāng)纖維從噴絲孔噴出后，纖維在熱風(fēng)的牽引作用下進(jìn)一步細(xì)化，較高的熱風(fēng)風(fēng)壓更有利于纖維的細(xì)化，因此隨著熱風(fēng)風(fēng)壓的逐漸增大纖維直徑逐漸變小，達(dá)到納米級(jí)別。然而，若風(fēng)壓過大，超過40 kPa 將導(dǎo)致纖維絲在拉伸過程中更容易斷裂，因而產(chǎn)生很多游離的飛花，使產(chǎn)品克重降低，透氣量反而會(huì)變大。熱風(fēng)風(fēng)壓工藝參數(shù)變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 見圖3。

圖3 熱風(fēng)風(fēng)壓工藝參數(shù)變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布的SEM 圖

表3 熱風(fēng)風(fēng)壓工藝參數(shù)變化以及對(duì)應(yīng)的聚丙烯熔噴無紡布性能數(shù)據(jù)

3 總結(jié)

選取高流動(dòng)性的PP 顆粒，并添加自由基降解劑，在較大的熱風(fēng)壓力下，有利于制備具有超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)的聚丙烯熔噴無紡布。PP 顆粒熔體流動(dòng)性好、計(jì)量泵流量低、熱風(fēng)風(fēng)壓增大有利于纖維在成型過程中牽引拉伸細(xì)化，因而能夠形成超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)的無紡布，為制備高精度的過濾器材提供理論依據(jù)。一般地，熔噴無紡布的性能受多種工藝參數(shù)及物料體系的影響，因此通過多種工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，發(fā)揮協(xié)同作用，更有利于制備精度更高的超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)的濾材，后續(xù)將作進(jìn)一步的研究。