聚四氟乙烯復(fù)合過濾材料的覆膜工藝及其性能

聶孫建 梁燕 周冠辰 楊東

摘 要：為了探索聚四氟乙烯（PTFE）復(fù)合過濾材料的制備工藝及性能，以不同種類PTFE膜為主要原料，無紡布作為基材，采用不同的覆膜方式制備PTFE復(fù)合過濾材料。研究PTFE膜的種類、覆膜方式對PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料性能的影響，以及熔噴布與PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料兩者性能之間的不同。結(jié)果表明：以PTFE-A膜為原料，采用膠覆方式所制備的PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的通氣阻力要比熱覆的低，且過濾效率能達到99%，該材料的過濾效率和通氣阻力能符合口罩標準要求。

關(guān)鍵詞：聚四氟乙烯（PTFE）膜;熔噴布;復(fù)合過濾材料;覆膜工藝;過濾性能

中圖分類號：TS174

文獻標志碼：A

文章編號：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(wǎng)絡(luò)出版日期：20210708

作者簡介：聶孫建（1992-），男，安徽安慶人，碩士，主要從事高分子材料及其改性處理方面的研究。

口罩是一種醫(yī)療防護用品，可以過濾進入肺部的空氣，降低環(huán)境中的微小污染物（如PM2.5、飛沫等）對呼吸系統(tǒng)的侵害[1-2]。而中間過濾層作為口罩的核心組成部分，在防護過程中起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前，口罩實現(xiàn)細菌、PM2.5顆粒物隔離主要通過兩種方式[3-5]：a） 靜電吸附，通過口罩中間過濾層中帶有靜電荷的纖維對細菌、微小顆粒物的靜電吸附作用來實現(xiàn)隔離與防護。b） 物理過濾隔離，通過口罩中間過濾層自身的孔隙大小及分布來阻隔細菌和微小顆粒物的進入。

目前，常規(guī)的口罩是由SMS三層構(gòu)成，其中S層代表紡黏層，M層代表熔噴無紡布層。M層是使口罩具備阻隔病毒等微小污染物的核心組成部分，其材質(zhì)通常是聚丙烯，由極細密的纖維交織而成，纖維的平均直徑約為1～5 μm[4]。由于聚丙烯是優(yōu)質(zhì)的有機駐極體材料，在經(jīng)過表面駐極處理后，表面會儲存一定量的電荷，通過靜電作用可對微細粉塵和病毒進行吸附。但此類口罩有缺陷：聚丙烯熔噴無紡布密度不均勻，空隙大，需靠表面駐極處理負載荷電，通過靜電來吸附顆粒物;而靜電容易受生產(chǎn)、運輸環(huán)境中的濕度影響，尤其是使用過程中，呼吸使口罩受潮，其含量會不斷的減弱，防護能力下降。

PTFE膜可作為口罩中間過濾層，它是由億萬條連續(xù)不斷的互連纖絲非同心交叉排列結(jié)構(gòu)而組成，其孔徑在1μm以下。PTFE膜主要利用物理過濾原理，來隔絕空氣中的氣溶膠等微小顆粒物無需靜電駐極[6-8]。通過將PTFE膜以不同覆膜方式粘附在基材無紡布或熱風(fēng)棉上，作為口罩的中間過濾層[8-9]，能夠阻隔微小污染物對人體的侵入。朱懷球等[10]對聚四氟乙烯覆膜過濾材料的應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述，并對比了覆PTFE膜口罩與普通熔噴布口罩之間的差異，發(fā)現(xiàn)覆PTFE膜口罩更耐久、過濾效率更高;俞錦偉[11]采用熱覆方式將PTFE膜覆在無紡布上，經(jīng)檢測這種復(fù)合過濾材料要比普通熔噴布口罩更舒適、防護性能更好;翟福強[12]同樣采用連續(xù)熱壓的工藝將PTFE膜覆著于聚丙烯過濾纖維上，結(jié)果表明該復(fù)合材料能夠重復(fù)利用、增加了佩戴舒適感。

然而在諸如新冠肺炎疫情此類突發(fā)性公共衛(wèi)生事件下，口罩需求突增，雖也有用PTFE膜制備而成的納米膜口罩，但由于當(dāng)時存在搶占市場、搶商機的因素，使得關(guān)于PTFE膜的覆膜工藝只停留在熱覆工藝階段，且較少有與熔噴布性能對比的相關(guān)研究。

本文先研究不同種類的PTFE膜覆膜后的效果，進而探討膠覆和熱覆兩種覆膜方式對PTFE復(fù)合過濾材料性能的影響，最后對比PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料與熔噴布之間性能的差異，研究結(jié)果可促進PTFE膜更好地應(yīng)用在口罩中。

1 實 驗

1.1 主要原料與儀器

實驗原料：無紡布（常州市盈翰無紡布有限公司，平方米質(zhì)量：25 g/m2）、PTFE膜（浙江格爾泰斯環(huán)保特材股份有限公司生產(chǎn)的4種PTFE膜：PTFE-A、PTFE-B、PTFE-C、PTFE-D（孔徑大小依次增大））、PUR熱熔膠、自制的熔噴布。

實驗儀器：覆膜貼合機（TH-PUR，無錫市先河自動化設(shè)備有限公司）、濾料綜合性能測試平臺（LZC-K1，安徽華方計量科技有限公司）、織物透氣量儀（YG461E-Ⅱ，溫州方圓儀器有限公司）、電子天平（JM-A3002，諸暨市超澤衡器設(shè)備有限公司）、飛鈉掃描電鏡（YQ009，復(fù)納科學(xué)儀器有限公司），醫(yī)用口罩氣體交換壓力差測試儀儀器（BLD-709，東莞博萊德儀器設(shè)備有限公司）、孔徑分布儀（PSM-165，德國Topas公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 膠覆方式

將覆膜貼合機升溫至所需溫度，并將所需要的PTFE膜與無紡布放至在覆膜機上;開機，將溫度升溫至95℃，設(shè)置貼合輥間隙為（-0.13±0.01）mm，上膠輥間隙為（-0.08±0.02）mm，然后進行覆膜工藝。待將膠覆后的樣品的PUR熱熔膠在室溫下自然干凝后，查看兩者之間的粘結(jié)牢度。

1.2.2 熱覆方式

將機器溫度調(diào)整至110～140℃，貼合輥間隙調(diào)整為-0.3～0.1mm;開機，將所需PTFE膜與無紡布置于適當(dāng)位置后進行覆膜工序。

1.3 測試及表征

1.3.1 PTFE/無紡布復(fù)合材料的形貌表征

采用掃描電鏡對經(jīng)過不同覆膜方式制備的PTFE/無紡布復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)進行表征。隨機裁取符合檢測要求的試樣進行檢測，得到所需SEM圖。

1.3.2 PTFE/無紡布復(fù)合材料的透氣率測試

采用織物透氣量儀對不同的PTFE膜進行檢測，設(shè)置檢測要求為：127Pa、單位為mm/s，依據(jù)標準T/ZZB 0067-2016《聚四氟乙烯微孔薄膜》。

1.3.3 PTFE/無紡布復(fù)合材料的過濾效率測試

采用LZC-K1濾料綜合性能測試平臺，介質(zhì)為NaCl和DEHS，粒徑范圍0.33～0.36 μm，依據(jù)標準GB/T 32610-2016《日常防護型口罩技術(shù)規(guī)范》。

1.3.4 PTFE/無紡布復(fù)合材料的通氣阻力測試

采用醫(yī)用口罩氣體交換壓力差測試儀測試樣品的通氣阻力，測試面積4.9cm2，依據(jù)標準YY/T 0969-2013《一次性使用醫(yī)用口罩》。

1.3.5 PTFE/無紡布復(fù)合材料的孔徑分布測試

采用PSM-165孔徑測試儀對樣品PTFE膜進

行孔徑分布檢測，依據(jù)標準ASTM-F316-03《通過起泡點和平均流動孔試驗描述膜過濾器的孔大小特征的試驗方法》。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類PTFE膜的性能

不同種類的PTFE膜自身性能如表1所示。從表1可以看出，不同種類的PTFE膜的透氣性均有不同，通氣阻力與透氣率呈負相關(guān)關(guān)系;PTFE-D膜的通氣阻力最低，PTFE-A膜最高;而各自的透氣率同樣有不同，PTFE-D膜最高，PTFE-A膜最低。這與PTFE膜自身孔徑大小分布有關(guān)。

4種類型的PTFE膜的孔徑分布如圖1所示。從圖1中可以看出，PTFE-A的PTFE膜，孔徑分布范圍在5.95～9.09 μm之間，而其他3種PTFE膜孔徑在5.95～16.27 μm，其中PTFE-C和PTFE-D膜孔徑在5.95～14.6 μm;這說明PTFE-A膜的孔徑要比其他3種的要小，進而導(dǎo)致自身通氣阻力最高、透氣性最低，而PTFE-D膜的孔徑在8.11～13.52 μm，占據(jù)75.24%;PTFE-C膜的孔徑在8.11～13.52 μm，占據(jù)74.01%;PTFE-B膜的孔徑在8.53～14.98 μm，占據(jù)73.98 %;這些表明PTFE-D膜的孔徑要比其他的大，PTFE-C膜次之，PTFE-B膜較低。

2.2 PTFE膜的種類對PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料性能的影響

圖2為不同種類的PTFE膜通過膠覆方式所制備的PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的過濾效率。從圖2中可以看出，若以過濾效率為95%為界限，以PTFE-A類型的PTFE膜通過膠覆所制備而成的復(fù)合材料的過濾效率在95%以上的居多，而其他3種類型的PTFE膜覆膜后的復(fù)合材料在95%以下居多。

圖3為不同種類的PTFE膜通過膠覆方式所制備的PTFE/無紡布復(fù)合型過濾材料的通氣阻力。從圖3中可以看出，若以35Pa為界限，種類A的PTFE膜覆膜后的復(fù)合型材料的通氣阻力，在35Pa以下占據(jù)約70%，而另3種的PTFE膜覆膜后的在35Pa以上占據(jù)90%以上。種類A的PTFE膜通氣阻力為30.9Pa，膠覆后通氣阻力檢測結(jié)果顯示的是在35Pa以下的居多，但也未低于30Pa，檢測點不一樣，并且PTFE膜自身原料的性質(zhì)也會使檢測結(jié)果有波動，但均在范圍內(nèi)。膠覆后的復(fù)合材料的通氣阻力，就上面檢測數(shù)據(jù)而言，并未出現(xiàn)通氣阻力減小的趨勢，基本都在30～35Pa。

從過濾效率和通氣阻力的測試結(jié)果來看，其中以種類A的PTFE膜所制備的PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料性能更符合口罩標準的要求。

2.3 不同覆膜方式對PTFE/無紡布復(fù)合材料的影響

根據(jù)上面所制備的不同類型膜的過濾效率（見圖2）和通氣阻力（見圖3）的檢測結(jié)果顯示，PTFE-A類的膜的過濾效率整體在98%居多、通氣阻力在35Pa以下居多，綜合性能要比其他類型的PTFE膜好，所以采用PTFE-A類的膜來進行不同覆膜方式對PTFE/無紡布復(fù)合材料性能的研究。

圖4為不同覆膜工藝對PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的通氣阻力的影響，圖5為經(jīng)過熱覆后的基材無紡布的SEM圖。從圖4可以看出，采用膠覆和熱覆方式制備的過濾材料測試的通氣阻力有所不同。通過膠覆后所檢測的通氣阻力均在29Pa上下波動，最高值為30.9Pa;而熱覆后的通氣阻力要比膠覆的高，平均值在33.6Pa，最高值達到36.9Pa。原因在于熱覆和膠覆的原理不同，熱覆是通過將溫度升到基材無紡布的熔點附近，再通過壓輥的壓力將PTFE膜與無紡布粘結(jié)在一起，這個過程會使原來無紡布中的孔隙由于達到熔點壓合而導(dǎo)致孔隙縮小或粘合在一起（如圖5熱壓方式后的無紡布SEM圖），使得自身整體通氣阻力上升，所以導(dǎo)致熱覆后的通氣阻力要比膠覆的高。

圖6為不同覆膜方式所制備的過濾材料的過濾效率（測試流量：95 L/min）。從圖6可以看出，膠覆和熱覆的方式對PTFE/無紡布復(fù)合材料的過濾效率的影響不大，因為這種復(fù)合過濾材料的過濾原理是物理過濾，即主要依靠表層PTFE膜的性能（孔隙大小決定）。

從PTFE/無紡布復(fù)合材料的過濾效率和通氣阻力的檢測結(jié)果來看，通氣阻力均在49Pa/cm2以下、過濾效率均在90%以上，能夠符合口罩標準

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

2.4 PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料與熔噴布過濾材料性能對比

圖7為PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料與熔噴布的過濾效率。由圖7可得，熔噴布的過濾效率要比PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的效率低很多。這是由于熔噴布的孔徑較大且纖維直徑較PTFE膜的直徑大。

圖8為PTFE膜與熔噴布的孔徑分布圖。由圖8可知，PTFE膜的孔徑在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%;而熔噴布的孔徑在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%?？梢悦黠@看出，PTFE膜的孔徑要比熔噴布的小，在相同測試條件下，熔噴布的阻隔效果要比PTFE膜的差，這進一步可以佐證PTFE/無紡布復(fù)合型過濾材料的過濾效率要比熔噴布的過濾效率高。

圖9為兩種過濾材料的過濾效率與時間的關(guān)系圖。從圖9可以看出，過濾效率與時間呈負相關(guān)關(guān)系。PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的過濾效率在經(jīng)過30 d后依舊保持在95%以上，而熔噴布在同樣時間內(nèi)效率下降至86%，且下降速度比復(fù)合過濾材料的快。PTFE/無紡布材料與熔噴布兩者過濾效率差距較大，這主要是由于它們過濾微小顆粒物的原理不一樣：熔噴布的過濾原理主要是依靠在制備過程中添加的駐極體，采用電暈發(fā)電方式，使運動中的熔噴纖維帶上電荷，積極捕獲微小顆粒物。但這種過濾方式的過濾效果，很大程度上取決于電荷留存時間，隨著時間的延長，電荷會衰減，使得靜電吸附效果減弱，進而導(dǎo)致過濾效率下降;而PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的過濾機理主要是物理過濾，即依據(jù)PTFE膜的孔徑大小及分布。

3 結(jié) 論

以不同種類的PTFE膜為原料、無紡布為基材，利用不同覆膜方式制備復(fù)合過濾材料，對比了不同種類的PTFE膜制備的過濾材料性能，得出如下結(jié)論：

a） 不同類型的PTFE膜所制備的PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的通氣阻力和過濾效率跟PTFE膜的性能有一定關(guān)系：PTFE膜自身透氣性大，其所制備的PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的過濾效率低，通氣阻力小;而自身透氣性小的膜，其制備的復(fù)合過濾材料的通氣阻力會增大，無法滿足口罩標準要求。

b） 不同覆膜方式所制備的PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的過濾效率基本無差別，但膠覆方式所制備的復(fù)合過濾材料的通氣阻力要比熱覆的低。

c） PTFE/無紡布復(fù)合過濾材料的過濾效率、通氣阻力符合口罩標準GB/T32610-2016和YY/T 0969-2013。

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