熔喷非织造布生产工艺决定了其纤维细（2～5μm）、孔隙多、结构蓬松、抗折皱能力好，是一种优秀的空气过滤材料。特别是驻极体熔喷非织造布，由于静电作用，大大提高了对亚微米级粉尘粒子的捕集效率，与传统的纤维过滤材料相比具有效率高、阻力低、容尘量大等特点，越来越受到人们的关注。
驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料，已被广泛应用于高效低阻空气过滤材料领域。驻极体材料带电量的多少和电荷衰减快慢将很大程度上影响产品的性能和使用寿命。资料表明：将无机或有机添加剂加入驻极体过滤材料中能改善驻极体的带电能力，提高驻极体过滤材料的过滤性能。为了提高驻极体熔喷聚丙烯非织造布驻极效果及电荷耐持久性，本文作者研制了一种电气石改性驻极体熔喷聚丙烯非织造布母粒，即采用特种电气石微粒作为添加剂，加入聚丙烯熔喷非织造布中，并对该非织造布电晕放电，制得了一种新型的复合驻极体熔喷非织造布。通过对其各项性能测试的结果表明：添加特种电气石微粒能明显改善聚丙烯熔喷驻极体非织造布的驻极效果。
2、实验部分
2.1 实验仪器与原料
2.2 改性母粒制备
先把电气石微粒放入高速混合器中，加入低密度聚乙烯蜡、少量的抗氧剂以及偶联剂，充分搅拌后取出，在烘箱恒温105℃，烘干2h。然后将表面处理好的电气石微粒与聚丙烯切片以1∶4比例加入SJSH-30双螺杆配混挤出机熔融挤出，经水浴冷却，切割成粒。
2.3 聚丙烯熔喷非织造布制备
分别将母粒以质量百分比0、15%、30%和40%（对应特种电气石微粒质量分数分别为0、3%、6%和8%）与聚丙烯切片均匀混合，用美国产熔喷非织造布成型设备制成熔喷非织造布，再经过电晕放电装置对纤网进行驻极（驻极电压：-25kV），制得以下几种聚丙烯驻极熔喷非织造布(克重：30g/m2)，如表1所示。
2.4 测试与表征
3、结果与讨论
3.1 改性母粒流变性能分析
从图1可知：聚丙烯与电气石无机粉体的共混熔体属于假塑性流体，其黏度随剪切速率的增大而降低。比较纯聚丙烯与加入2.5%电气石的聚丙烯可知：在相同温度和剪切速率下，共混体系表观黏度比纯聚丙烯总体要低些，且随着剪切速率的增加，各样品的黏度开始均急剧下降，最后趋于相同。这可能是因为由于电气石微粒的加入，起到了润滑剂的作用，从而导致共混体系表观黏度的降低。另外，随着温度的升高，在相同剪切速率下，纯聚丙烯和含2.5%电气石聚丙烯体系的表观黏度都降低。分析其原因是当温度升高时链段活动能力增加，体积膨胀，分子间相互作用力减小，流动性增大，所以表观黏度降低。
图1 纯PP和含2.5%电气石PP,在不同温度下剪切速率与表观黏度关系曲线
3.2 电气石在聚丙烯树脂中的分散状况
为了使电气石微粒能较好地分散在聚丙烯树脂中，增进粉体与有机基体的界面相容性，进而提高共混纤维的力学性能，我们采用钛酸酯偶联剂对电气石进行表面化学改性。图2是改性母粒的横截面示意图。从图可以明显地看到：电气石已经基本上较均匀地分散于聚丙烯中，但仍有少数小团颗粒存在。
图2 改性聚丙烯母粒SEM截面图
3.3 特种电气石对非织造布力学性能的影响
由图3和图4可看出样品的断裂强度和断裂伸长率随着纤维中特种电气石质量分数的增加而下降。由于特种电气石的加入，相当于在纤维内部形成“疵点”，在外部作用力的拉伸下，纤维易在疵点处形成应力集中而断裂，纤维容易断裂并产生毛丝，使纤维的物理机械性能下降。
图3 断裂强度与特种电气石质量分数变化曲线
图4 断裂伸长率与特种电气石质量分数变化曲线
3.4 特种电气石对熔喷非织造布表面电荷密度的影响
图5 非织造布表面电荷密度在室温下衰减曲线图
从图5可知：加入特种电气石微粒之后，非织造布表面电荷密度都有较大的提高，特别是含6%特种电气石微粒时（4#），熔喷非织造布的起始表面电荷密度最大。其原因除了特种电气石本身有偶极电荷外，还可能是因为极性特种电气石容易吸附电晕放电时产生的自由电荷以及使聚丙烯大分子极化更容易进行。驻极体电荷衰减有两条途径：一是空气中的离子被驻极体电荷吸至驻极体，与驻极体的电荷中和；二是驻极体内的传导电流的载流子与驻极体电荷的中和。从图我们可以看到：3#的表面电荷密度衰减要比4#和5#缓慢些，这说明加入特种电气石微粒太多，可能不利于驻极体熔喷非织造布电荷的贮存。
3.5 特种电气石对熔喷非织造布过滤性能的影响
由表2、3中1#和2#样品过滤效率比较可以看出：材料经过电晕放电驻极处理后，样品过滤效率有了很大的提高。这是因为这些驻极材料由于驻极而产生的静电效应，大大提高了材料的静电吸附能力，粒子在经过驻极体纤维附近时，就会被强烈地吸附。加入特种电气石微粒后，驻极体熔喷非织造布的过滤性能又进一步提高，而且过滤阻力也有所下降；非织造布样品随着特种电气石质量分数的增加，其过滤效率先增加后减小（6%效果最佳）。这可能是因为加入特种电气石质量分数太高，在纤维中分散不均，对纤网结构和电荷贮存影响较大的缘故。
4、结论
1）电气石微粒改善了聚丙烯熔体的流动性能，电气石/聚丙烯共混体系属于非牛顿流体，表观黏度随着剪切应力增加而下降，随着电气石含量和熔融温度的升高而下降，电气石在熔体中起到增塑和润滑剂作用；
2）经过偶联剂钛酸酯和分散剂低分子聚乙烯蜡表面处理过的无机电气石微粒在聚丙烯基体中分散均匀，在改性母粒和纤维中均无明显团聚现象，界面相容性较好；
3）随着电气石含量的增加，驻极熔喷非织造布机械性能有所下降；
4）电晕放电能大大提高聚丙烯熔喷非织造布的过滤性能。加入特种电气石微粒能有效地改善驻极体聚丙烯熔喷非织造布的过滤性能，而且过滤阻力也有所下降，纤网表面电荷密度增加明显，纤网电荷贮存能力也有所增强。其中加入6%电气石的驻极综合效果最佳。
【作者团队】
1、天津工业大学改性与功能纤维天津市重点实验室 康卫民、程博闻、焦晓宁、庄旭品
2、天津工业大学纺织学院非织造材料与工程系 康卫民、焦晓宁、庄旭品
3、欣龙控股(集团)股份有限公司 陈军
