[0001]
本发明属于口罩防护用空气精密过滤材料及其装备领域，也可以用于具备透气、防水、阻隔等高要求的防护服、户外服装、空调滤材等空气过滤或液体过滤领域。
背景技术：
[0002]
随着大气污染和医疗用空气防护的要求提高，口罩防护等空气过滤材料的过滤效率、过滤稳定性、过滤阻力、成本均受到空前关注。
[0003]
目前主流的高效空气过滤材料及其生产工艺主要包括以下三种：1、静电驻极处理的熔喷法pp非织造布(行业简称熔喷布)、2、静电纺丝法制造的纳米纤维微多孔膜和无纺布的复合材料、3、ptfe纳米微多孔膜和无纺布的复合材料，后面2、3两种复合材料利用了静电纺丝法制造的纳米纤维微多孔膜或者ptfe纳米微多孔膜层的平均孔径均小于2微米的精细机械阻隔作用，可以提高无纺布的滤效、提高过滤精度；但是静电纺丝生产效率低、喷丝孔处胶液中的溶剂挥发后容易在端口部粘附固化、影响出纤均匀度，产品一致性和生产稳定控制困难，批量生产难度大；ptfe纳米微多孔膜制造能耗高、从配料溶胀、推挤、纵拉、除油、二次横拉等生产线复杂精密、生产成本高。为了满足口罩防护等空气过滤材料高滤效、低阻力的双重矛盾要求，一般要把ptfe纳米微多孔膜的厚度控制在2-4微米、孔隙率高达75-85％，平均孔径控制小于1微米，这种ptfe纳米微多孔膜的强度很低、生产容易破膜，产品一致性的控制具有很多工程难题。适合口罩用的低阻力、高滤效的ptfe纳米微多孔膜及其与无纺布的复合材料并不容易实现，目前行业内是采用较厚的5-10微米厚度的ptfe纳米微多孔膜与低阻力的纺粘pp无纺布复合，鉴于纺粘pp无纺布中的pp微纤直径一般介于10-30微米、平面方向的平均孔径一般介于10-30微米之间，而ptfe纳米微多孔膜的微纤直径在亚微米级、孔径小于2微米，复合材料中的ptfe纳米微多孔膜容易被空气中粒径在2.5微米以下的粉尘堵塞，而纺粘pp无纺布由于平均孔径略大、对于2.5微米以下细粒径颗粒物的容污能力不够，这种ptfe纳米微多孔膜与纺粘pp无纺布的复合材料虽然初始过滤效率较高，但是在实际使用时阻力上升较快，憋闷感强烈，效果不佳。而ptfe纳米微多孔膜和常规熔喷布复合后阻力较高，满足不了要求。
[0004]
目前口罩防护、医用防护服等空气精密过滤材料主要还是应用熔喷法pp非织造布，市场主流生产工艺是采用sms(纺粘/熔喷/纺粘)或smms(纺粘/两层熔喷/纺粘)的一步法或两步法的非织造布材料复合结构，其中的熔喷层(m)的pp纤维直径一般介于2-15微米之间、排列杂乱无序、形成的三维多孔材料，熔喷布平面方向的孔径相对纺粘无纺布的较小，平均孔径基本介于5-20微米之间，且孔径分布相对均匀、孔隙率高达80-90％；为了达到高滤效，尤其是对0.3微米粒径的颗粒物或油滴的过滤效率希望稳定在96％以上，阻力希望降低到210pa以下，目前一般是采用熔指1500的pp熔喷原料组合驻极原料进行精细熔喷，利用静电作用提升滤效，由于人员呼吸及其空气湿度等对静电衰减的不可控因素较多，现有熔喷产品质量稳定性控制和实际使用时的持久有效防护效果还需要进一步提升。
[0005]
为克服现有技术和产品过滤精度低、过滤效率和阻力不好兼顾、滤效持久性不足
的缺点，本发明提出新的创造性技术方案。
技术实现要素：
[0006]
具有三明治结构的高滤效低阻力复合熔喷布及在线熔喷复合装置，其特征在于，采用a/b/c型三层聚丙烯pp为主材的熔喷布通过在线顺序熔喷直接自然复合在一起，首先在网帘或多孔辊筒的表面喷淋形成a层熔喷布，然后将中间的精细纤维熔喷层b层的熔喷布直接喷淋在a层熔喷布的表面，继而在b层熔喷布的表面继续喷淋形成c层熔喷布，形成具有功能互补的三明治结构，上下两侧的a层、c层的熔喷布主要起到粗过滤功能，对于空气动力学质量中位径(以下简称粒径)1微米以上的粗颗粒物和油滴具有有效截留和阻隔功能及高容污纳污功能，具有97％以上的过滤效率；中间的精细纤维熔喷层b层主要起到精细过滤功能，与两侧的a层和c层组合在一起后，对于粒径0.3-1微米的细颗粒物或细小油滴均具有97％以上的过滤效率；a层、c层的熔喷布的pp纤维直径的平均值介于2-12微米，a层和c层的熔喷布单层的克重介于10-50克每平米，a层、c层的熔喷布其原料组成为：均聚pp作为主原料，添加2-4％重量百分比的静电驻极母粒，添加0-5％重量百分比的熔点介于90-125℃的共聚pp，如无规分布的乙烯和全同立构丙烯的共聚物或其他辛烯同丙烯的共聚物；a层、c层的熔喷布所采用的原料经混炼均匀后的改性料(ac层原料)的熔融指数mfr(iso 1133，230℃-2.16kg-10min)介于1200-1800；中间的精细纤维熔喷层b层的熔喷布其pp纤维直径平均值介于0.20-1.50微米，克重介于0.5-5克每平米，b层的熔喷布采用纯净熔喷料pp-1500或双峰改性pp熔喷料，如果采用纯净pp熔喷料其熔融指数选择介于1200-1600；或采用双峰改性的pp熔喷原料，构成包括熔点介于163-169℃的均聚pp和熔点介于90-125℃的共聚pp，其中均聚pp的重量百分比介于90％～99.5％、熔点介于90-125℃的共聚pp的重量百分比介于0.5-10％；b层的熔喷布所采用的原料经混炼均匀后的改性料(b层原料)熔融指数mfr((iso 1133，230℃-2.16kg-10min)介于800-1600；本发明的中间的精细纤维熔喷层b层的原料特殊设计采用低熔点的共聚pp对均聚pp熔喷料进行改性形成双峰改性料，技术目的是达成调控从喷丝板喷出的熔体在冷却结晶过程的塑性变形温区的宽度，高速热风对其的热拉伸作用更加充分、持久，与传统的均聚pp-1500熔喷料相比，本发明的中间的精细纤维熔喷层b层更容易得到超细的亚微米级pp熔喷纤维并能够形成更加细密微多孔组织形态的熔喷布，从而对细小颗粒物或油滴具有更加有效的机械阻隔作用；另外本发明的中间的精细纤维熔喷层b层的原料中采用的低熔点的共聚pp具有较高的弹性，改性pp在熔喷后形成的微纤的缠结区的非晶含量高于传统的均聚pp熔喷布微纤中的非晶含量，b层的微纤具有一定的弹塑性变形能力，在受到细小颗粒物的冲击时能够衰减并吸收颗粒物的碰撞动能，相比而言传统的均聚pp熔喷布的微纤具有较高的结晶度和刚性，对细小颗粒物的碰撞动能吸收能力略逊，不容易形成截留效应；本发明的b层熔喷布的微观组织机构设计具有更好的截留亚微米颗粒物或细小油滴的功能，与两侧的a层和c层组合在一起后，可以实现对于粒径0.3-1微米的细颗粒物或细小油滴均具有97％以上的高的过滤效率。
[0007]
b层的熔喷布所采用的纯净pp-1500熔喷料或经混炼均匀后的改性料(b层原料)的熔融指数mfr((iso 1133，230℃-2.16kg-10min)控制介于800-1600，如果熔融指数低于800，从喷丝头喷出的熔体的粘度过大，热风对其牵引热拉伸作用不理想，得到的微纤的直径会大于3微米，形成的熔喷布的微孔尺寸及分布不理想，起不到精细过滤功能；如果熔融
指数大于1600，在超高倍率的热风牵引热拉伸作用下，熔体容易被吹断，生产过程中容易形成大滴颗粒物缺陷。综合而言，更优选b层的熔喷布所采用的原料经混炼均匀后的改性料(b层原料)的熔融指数mfr((iso 1133，230℃-2.16kg-10min)控制介于1200-1600。
[0008]
a层、c层的熔喷布所采用的原料经混炼均匀后的改性料(ac层原料)的熔融指数mfr(iso 1133，230℃-2.16kg-10min)控制介于1200-1800，主要是考虑如果熔融指数低于1200，从喷丝头喷出的熔体的粘度过大，另外a层c层模头的热风速度/熔体从喷丝孔出口的速度之比远小于中间b层的二者之间的速比，热风对熔体的牵引热拉伸作用不够理想，得到的微纤的直径会大于12微米，粗滤性能下降；如果熔融指数大于1800，在高速热风牵伸作用下，熔体容易被吹断，形成大滴颗粒物缺陷。
[0009]
a/b/c型三层在线熔喷复合在一起的熔喷布按照gb2626-2019标准，采用95升每分钟流量测试，三层复合熔喷布在经过70℃/24小时老化前后，对粒径0.3-1微米的细小盐性粒子或细小油滴的滤效均保持大于97％、阻力小于210pa；生产上述三明治结构的高滤效低阻力熔喷布的在线熔喷复合装置，其特征在于，熔喷布的三层a/b/c至少分别采用三排平行排列的喷丝板及其三套独立的模具及三套独立的熔体泵供料系统，中间的精细纤维熔喷层b层的熔体齿轮泵的供料量控制为a层或c层的熔体齿轮泵的供料量的1/15至1/3，a/b/c对应的喷丝板的喷丝孔的孔径均介于0.20-0.30毫米，孔中心距介于0.65-0.80毫米，本发明通过控制中间的精细纤维熔喷层b层的熔体泵供料量至常规的1/3以下、1/15以上，达到控制b层所对应的喷丝孔出口处的熔体出料的初始速度v0具有较低的数值(小于0.08m/s，常规的熔喷工艺喷丝孔熔体出料的初始速度一般在0.12-0.24m/s)，这样特殊控制后，热风速度v1(常规热风速度介于180-380m/s)和熔体在喷丝孔出口处的初始速度v0二者之间会形成非常大的速比和高速强力牵引热拉伸效应，从而能够得到比a层和c层更加精细的亚微米级直径的纤维以及更加细密的孔径分布组织形态，采用本发明的技术方案，中间的精细纤维熔喷层b层对于0.3至1微米粒径的细小颗粒物或细小油滴均会起到比两侧的a层和c层更加有效的精密截留和阻隔性能；中间的精细纤维熔喷层b层的克重如果低于0.5克每平米，则对粒径1微米以下的细小颗粒物或油滴的容污纳污能力不足，复合熔喷布在实际使用时细小颗粒物或油滴堵塞微孔后阻力上升较快；如果克重大于5克每平米，则中间的精细纤维熔喷层由于纤维缠结和分布更加细密、平均孔径接近亚微米，初始阻力会较高，因此本发明需要控制中间的精细纤维熔喷层的克重介于0.5-5克每平米，更优选控制介于1.5-3.5克每平米；两侧的a层和c层的熔喷布的pp纤维直径的平均值控制介于2-12微米，主要是考虑这样形成的熔喷布在平面方向的平均孔径一般介于5-20微米，通过复合叠加静电驻极作用后对于粒径大于1微米的颗粒物或油滴具有较好的吸附、截留、阻隔以及容污纳污能力，从而降低了对中间精密过滤层b层的过滤负荷，提高了三层复合熔喷布的使用寿命，作为口罩过滤材料8小时以上长期配戴不憋闷。
[0010]
本发明的三层复合熔喷布以精细互补的微观组织结构和在线顺序喷淋复合工艺、精心搭配的原料配方及精密制造工艺系统设计，通过功能互补，在保证阻力满足要求的前提下，三层复合熔喷布对于粒径0.3微米及以上的粗/细颗粒物或油滴均具备高的过滤效率并延长了三层复合熔喷布的整体使用寿命。
实施例
[0011]
实施例1：
[0012]
采用a/b/c型三层聚丙烯pp为主材的熔喷布通过在线熔喷复合在一起，具有功能互补的三明治结构，a层、c层的熔喷布的pp纤维直径的平均值介于3-8微米，a层和c层的熔喷布单层的克重介于18-20克每平米，a层、c层的熔喷布其原料组成为：均聚pp-1500作为主原料，在原材料中的重量百分比为95％，3％重量份的纳米电气石静电驻极母粒，2％重量份的熔点96℃的乙烯-丙烯共聚pp(埃克森-美孚vistamaxx 8780)；a层、c层的熔喷布所采用的原料经混炼均匀后的改性料(ac层原料)的熔融指数mfr(iso 1133，230℃-2.16kg-10min)介于1400-1600；中间的精细纤维熔喷层b层的熔喷布其pp纤维直径平均值介于0.40-0.80微米，克重介于1.8-2.3克每平米，b层的熔喷布采用双峰改性pp，双峰改性pp由熔点166℃的均聚pp-1500和熔点96℃的乙烯-丙烯共聚pp(埃克森-美孚vistamaxx 8780)混炼改性后组成，其中均聚pp的含量97％、共聚pp的含量3％；b层的熔喷布所采用的原料经混炼均匀后的改性料(b层原料)熔融指数mfr((iso 1133，230℃-2.16kg-10min)介于1200-1500。
[0013]
a/b/c型三层在线熔喷复合在一起的熔喷布的克重为38-42克/平米，按照gb2626-2019标准，采用95升每分钟流量测试，三层复合熔喷布在经过70℃/24小时老化前后，对粒径0.3-3微米的盐性粒子或油滴的过滤效率均保持大于98％、阻力介于175-199pa。
[0014]
生产上述三明治结构的高滤效低阻力熔喷布的在线熔喷复合装置，熔喷布的三层a/b/c分别采用三排平行排列的喷丝板及其三套独立的模具及三套独立的熔体泵供料系统，中间的精细纤维熔喷层b层的熔体齿轮泵的供料量控制为a层或c层的熔体齿轮泵的供料量的1/10，a/b/c对应的喷丝板的喷丝孔的孔径均为0.30毫米，孔中心距0.70毫米，中间的精细纤维熔喷层b层的热风温度205-215℃，风道出口处热风速度v1介于260-360m/s，熔喷层a/c层的热风温度205-215℃、热风速度介于260-330m/s。
[0015]
实施例2
[0016]
采用a/b/c型三层聚丙烯pp为主材的熔喷布通过在线熔喷复合在一起，具有功能互补的三明治结构，a层、c层的熔喷布的pp纤维直径的平均值介于3-8微米，a层和c层的熔喷布单层的克重介于18-20克每平米，a层、c层的熔喷布其原料组成为：均聚pp-1500(熔融指数名义值1500)作为主原料，在原材料中的重量百分比为97％，3％重量份的纳米电气石静电驻极母粒；a层、c层的熔喷布所采用的原料经混炼均匀后的改性料(ac层原料)的熔融指数mfr(iso 1133，230℃-2.16kg-10min)介于1400-1600；中间的精细纤维熔喷层b层的熔喷布其pp纤维直径平均值介于0.40-0.80微米，克重介于1.8-2.3克每平米，b层的熔喷布采用纯净的均聚pp-1500，熔融指数mfr((iso 1133，230℃-2.16kg-10min)介于1400-1600。
[0017]
a/b/c型三层在线熔喷复合在一起的熔喷布的克重为38-42克/平米，按照gb2626-2019标准、采用95升每分钟流量测试，三层复合熔喷布在经过70℃/24小时老化前后，对粒径0.3-3微米的盐性粒子或油滴的过滤效率均保持大于97％、阻力介于165-189pa。
[0018]
生产上述三明治结构的高滤效低阻力熔喷布的在线熔喷复合装置，熔喷布的三层a/b/c分别采用三排平行排列的喷丝板及其三套独立的模具及三套独立的熔体泵供料系统，中间的精细纤维熔喷层b层的熔体齿轮泵的供料量控制为a层或c层的熔体齿轮泵的供料量的1/10，a/b/c对应的喷丝板的喷丝孔的孔径均为0.30毫米，孔中心距0.70毫米，中间
的精细纤维熔喷层b层的热风温度205-215℃，风道出口处热风速度v1介于260-360m/s，熔喷层a/c层的热风温度205-215℃、热风速度介于260-330m/s。
[0019]
对比例
[0020]
其他同实施例1，但是取消中间的精细纤维熔喷层，采用a/c两层聚丙烯pp为主材的熔喷布通过在线熔喷复合在一起，a层、c层的熔喷布的pp纤维直径的平均值介于3-8微米，a层和c层的熔喷布单层的克重介于18-20克每平米，a层、c层的熔喷布其原料组成为：均聚pp作为主原料，在原材料中的重量百分比为95％，3％重量份的纳米电气石静电驻极母粒，2％重量份的熔点96℃的乙烯-丙烯共聚pp(埃克森-美孚vistamaxx 8780)；a层、c层的熔喷布所采用的原料经混炼均匀后的改性料(ac层原料)的熔融指数mfr(iso 1133，230℃-2.16kg-10min)介于1400-1600；a/c两层在线熔喷复合在一起的熔喷布的克重为38-42克/平米，按照gb2626-2019标准，采用95升每分钟流量测试，两层复合熔喷布在经过70℃/24小时老化前，对粒径0.3微米的盐性粒子或油滴的滤效均保持大于91％、小于96％，对粒径1-3微米的盐性粒子或油滴的滤效均保持大于99％、阻力为130-158pa；两层复合熔喷布在经过70℃/24小时老化后，对粒径0.3微米的盐性粒子或油滴的滤效均保持大于91％、小于96％，对粒径1-3微米的盐性粒子或油滴的滤效均保持大于99％、阻力为135-168pa。生产上述双层熔喷布的在线熔喷复合装置，熔喷布的两层a/c分别采用两套平行排列的喷丝板及其独立的模具及两套独立的熔体泵供料系统，a/c对应的喷丝板的喷丝孔的孔径均为0.30毫米，孔中心距0.70毫米，热风温度205-210℃，热风速度介于300-330m/s。