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从PP材料到口罩

2020年春节大家最为关心的还是肺炎疫情的发展。对于高分子行业的粉丝来说,我们今天来谈谈口罩的材料,怎么从PP到口罩的?

                       

图:口罩在日常生活中越来越多见


  1. 什么是N95口罩?


可起到病毒防护作用的口罩主要有医用外科口罩和N95口罩。国家YY 0469-2004《医用外科口罩技术要求》标准规定,医用外科口罩须达到的重要技术指标包括过滤效率、细菌过滤效率和呼吸阻力:

1:过滤效率:在空气流量(30±2)L/min条件下,对空气动力学中值直径(0.24±0.06)μm氯化钠气溶胶的过滤效率不低于30%;

2:细菌过滤效率:在规定条件下,对平均颗粒直径为(3±0.3)μm的金黄色葡萄球菌气溶胶的过滤效率不低于95%

3:呼吸阻力:在过滤效率流量条件下,吸气阻力不超过49Pa,呼气阻力不超过29.4Pa。

这其中保证细菌过滤效果的标准就是第二条,金黄色葡萄球菌细菌气溶胶过滤效率不低于95%,这也就是N95概念的由来。因此N95口罩虽然不是医用口罩,但是满足过滤效率满足95%的标准,且能更好地贴合人体面部,所以也能起到很好的病毒预防作用。

而给这两种口罩带来病毒过滤作用的主要材料就是极细密且带静电的内层过滤布——熔喷无纺布


  1. 熔喷无纺布过滤原理

                       



熔喷无纺布主要材质是聚丙烯,是一种超细静电纤维布,可以捕捉粉尘。含有肺炎病毒的飞沫靠近熔喷无纺布后,会被静电吸附在无纺布表面,无法透过。这就是这种材料隔绝病菌的原理。粉尘被超细静电纤维捕捉住后,极不易因清洗而脱离,且水洗亦会被破坏静电的吸尘能力。因此这种口罩只能一次性使用。


适合平面口罩熔喷过滤级别有:普通级、BFE95(滤效95%)、BFE99(滤效99%)、VFE95(滤效99%)、PFE95(滤效99%)、KN90(滤效90%)

医用外科口罩一般是由三层无纺布制成。材料是纺粘无纺布+熔喷无纺布+纺粘无纺布。

                       

也可以一层改用短纤改善皮肤触感,即ES热轧无纺布+熔喷无纺布+纺粘无纺布。口罩外层具有防飞沫设计,中层过滤,内存吸湿。熔喷布一般选用20克重的。


而N95杯型口罩则由针刺棉、熔喷布、及无纺布组成,其熔喷布通常采用40克重甚至更高,再加上针刺棉的厚度,所以外观上看起来比平面口罩更厚一些,其防护效果至少能达到95%。


  1. 熔喷无纺布制备

熔喷法借助高速热气流使刚挤出的高聚物熔体迅速高倍拉伸固化成形的纺丝方法。优点是工艺流程短,可以纺丝直接制成无纺织物。


熔喷无纺布属非织造布的一种。由于熔喷工艺的独特性,使其生产出来的纤维 近乎超细纤维,因而熔喷无纺布具有优异的阻隔过滤性、透气性、吸油性,广泛用于医疗防护、卫生洁材、过滤材料、保暖絮材、吸油材料、电池隔板等领域。熔喷工艺流程短、生产效率高、应用领域广,已经成为国家建设、人类生活所不可缺少的新型工业产品。


熔喷法的工艺原理如图所示。聚合物母粒放入挤出机,并在挤出机内熔融,温度在240℃左右(针对聚丙烯一熔喷法采用的主要树脂)。熔体通过计量泵,到达熔喷模头。计量泵测量输出到喷嘴的熔体流量。喷丝嘴是一-排间距不到1mm,直径在0.2~0.4mm的毛细管。在的两侧就是进气孔,加人250~300℃的压缩空气。在刚刚形成的聚合物挤出喷丝头时,压缩空气的头端作用于聚合物,以高于声速(550m/s)的气流将热长丝牵伸至直径1~10μum,根据其物理特性这种网被称为微纤网。热空气向下流动时与周围空气混合,使纤维冷却并最终固结成短而细的纤维。


                       

熔喷法的主要工艺流程如下:

熔体准备→过滤→计量→熔体从喷丝孔挤出→熔体细流牵伸与冷却→成网


  1. 熔喷无纺布原料PP要求及制备


高端熔喷法无纺布对聚丙烯材料的要求:稳定的流动性、分子量分布窄、灰分低、无其他产物残留、优良的纺丝性能等。下面是山东道恩网站上可熔喷生产口罩的PP主要物性表:


                       

我们从表中看出,该款材料的熔指在1500g/10min,而一般聚烯烃厂商出厂的高熔指PP,需要经过改性,才能做成熔喷材料。制备工艺大致分为两种,一是化学降解法,且分为完全降解法和不完全降解法,目前国内普遍采用不完全降解法。另一种是茂金属催化剂直接聚合而成,该法制得的熔喷料具有极好的加工稳定性,生产出的纤维柔顺性更好,但这种方法的加工成本较高,因此目前不论是进口还是国产料大多采用化学降解法生产。


我们从道恩的一份专利可以看出采用自由基型的引发剂促进降解,同时为了降低VOC,采用了特殊的装置

专利:CN109503935A,一种低气味高透明超高流动性聚丙烯及其制备装置和方法

摘要:本发明公开了一种低气味高透明超高流动性聚丙烯,采用如下质量百分比的各组分:聚丙烯树脂96%~99.89%;自由基型引发剂0.1%~2%;润滑剂0~0.2%;抗氧剂0.01%~0.3%;复配型透明成核剂0~1.5%。本发明通过加入特制的复配型透明成核剂,协同聚丙烯树脂与引发剂、润滑剂、抗氧剂充分反应,获得高透明、低黄色指数、低雾度的超高流动性聚丙烯。并且本发明同时还提供了上述低气味高透明超高流动性聚丙烯的全新制备装置和工艺,可在全新配方的基础上进一步提高产品在制备过程中的透明性、低气味和低挥发性,通过一步法即可制备成功,便于在工厂上大批量推广生产,同时也极大程度地解决了产品中的小分子残留问题,简化了无纺布制造企业的后处理工艺。


                       

图:道恩专利上低气味高透明超高流动性聚丙烯及其制备装置示意图


  1. 熔喷PP材料相关供应商


山东道恩高分子

作为全国最大的医用口罩熔喷聚丙烯材料生产商,道恩股份自主研发生产的熔喷无纺布专用材料,具有稳定的高流动性、低碳、环保、可降解,根据客户需求定制,分子量分布窄、灰分低、无其他产物残留、优良的纺丝性能等优异特性,应用于医用口罩材料和医院手术服材料。

                


“道恩股份不仅荣获了山东省科技进步二等奖,中国石油和化学工业协会技术发明一等奖,还制定了《塑料聚丙烯(PP)熔喷专用料》国家标准

                        

独山子石化

                      独山子石化公司自主研发的聚丙烯S2040具有高熔性、力学强度好和分子量分布窄等特点,产品性能稳定,主要用于制造口罩、尿不湿等,一直受到医用无纺布厂的青睐。独山子石化在聚丙烯S2040生产方面经验成熟,是国内高熔纤维主力生产企业之一,2019年销量达到10.4万吨。

                       

北京伊士通新材料发展有限公司

北京伊士通新材料发展有限公司创建于2005年5月,总资产超亿元。主要从事各种改性塑料的研发、产品设计与生产。2009年6月份一期工程建成投产,目前具有年产30000吨改性塑料的生产能力;其中,高品质熔喷料的年产能20000吨,改性工程塑料产能10000吨。 医用复合无纺布聚丙烯熔专用料: P65系列:目前的主要牌号有P6513,P6515和P6518等三种。另外,还可以根据用户的需求,生产熔体流动速率从200-2000(g/10min)的其他相关系列产品。


巴斯夫-流变改性剂

巴斯夫用于聚丙烯的流变改性剂Irgatec®,是一种新颖的无过氧化物聚丙烯聚合物改性剂。它允许加工过程中聚丙烯的受控降解,从而得到窄分子量分布。它在超过250°C的挤出温度下十分有效,因此特别适用于聚丙烯熔喷应用。

                       

Irgatec®是一种十分有效的基于创新化学的无过氧化物自由基产生剂,用于聚丙烯的受控降解。通过Irgatec®降解的聚丙烯具有非常窄的分子量分布,挥发物的含量很低。通过Irgatec®生产的聚丙烯熔喷无纺布展现出更高的静液高度、更好的透气性以及更高的长期热稳定性。机械特性(如韧性和延伸率)也得到改善。

Irgatec®在室温下不反应,因此不需要特殊的存储条件。通过Irgatec®生产的聚丙烯无纺布对皮肤无刺激,因此适用于许多卫生和医疗应用。新颖的聚丙烯聚合物改性剂Irgatec®可以在挤出挤压加工时让聚丙烯受控降解,极大地增加熔体流动速率。


其他

小编在资料查找时候还有看到韩国大林料,融指做到 900g/10min、1500g/10min,北欧化工的 1200/10min,EXXONMOBIL 有PP3505G (融指 400g/10min)、PP3546G (融指 1200g/10min)、PP3746G (融指 1500g/10min)。国内除了山东龙口道恩,还有扬子化工研究院、、上海伊士通,中科丝普纶有熔喷料。大连有机H39S-2、上海赛科S2040、独山子石化S2040、洛阳石化Y35、济南炼厂Y35、镇海炼化H30S、东华Y381H占据高熔纤维主力供应企业。


随着大家对健康意识加强,以及应对突发情况,恶劣天气,口罩等防护用品的需求将大为增加。咱们高分子人也算为疫情做出应用的贡献。(注部分图片来源:山东道恩、独山子石化公众号,以及网络)


最后祝大家春节快乐,困难即将过去,必将迎来春暖花开!由于知识面有限,以上资料仅供参考,接下来将分享更多的行业动态。如果您有疫情相关的材料介绍,可以添加微信进入群聊。


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