阅读说明：本技术 一种水刺静电棉材料及其制备方法和应用 (Spunlaced electrostatic cotton material and preparation method and application thereof ) 是由 贾耀芳 曹万宏 蒙国慧 吴育师 杨晓伟 欧超普 姚艳辉 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种水刺静电棉材料及其制备方法和应用,所述制备方法包括如下步骤：1)将纤维进行喂入、开松、混合、梳理成网；2)水刺成型；3)风力驻电；4)电晕驻电；5)卷绕、分切、包装。本发明所制备的水刺静电棉材料,其具有过滤阻力小,过滤效率高的特点；作为口罩过滤层其阻力小,佩戴舒适,耐光照老化性好,具有较好的过滤性能。(The invention relates to a spunlace electrostatic cotton material and a preparation method and application thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: 1) feeding, opening, mixing and carding the fibers to form a web; 2) carrying out spunlace molding; 3) wind power standing; 4) corona charging; 5) and (6) winding, slitting and packaging. The spunlace electrostatic cotton material prepared by the invention has the characteristics of small filtration resistance and high filtration efficiency; the mask filter layer has small resistance, is comfortable to wear, has good light aging resistance and has better filtering performance.)

一种水刺静电棉材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于新型水刺滤材技术领域，涉及一种水刺静电棉材料及其制备方法和应用。

背景技术

市面上的普通棉布口罩材质的紧密性很低，基本无过滤效率，而采用普通熔喷布制备的民用口罩，所达到的PFE颗粒过滤效率(32L/min的非油性质量中值直径是0.25微米、数量中值直径是0.075微米的颗粒气溶胶)也仅仅为30-40％。同时普通熔喷无纺布具有厚度薄、容尘量低等不足，使得其无法应用于工业滤材方面，这大大影响了其应用领域。

传统的熔喷过滤材料为聚丙烯材料，由于聚丙烯容易受紫外光降解为粉体，因此熔喷过滤材料的保存、使用寿命受到较大的限制，一定程度上限制了其应用。

在非织造领域中，目前应用于口罩过滤材料的产品基本以熔喷无纺布为核心滤芯层，水刺无纺布没有用来做芯体过滤层的应用。熔喷无纺布基本是采用PP聚丙烯材料制成，其具有制备速度慢、产品横纵向强力低、容尘量小、产量低、呼吸阻力大、容易老化碎解、不耐光照、难于长时间储存等缺点。而水刺法非织造布利用水刺工艺是将高压微细水流喷射到一层或多层纤维网上，使纤维相互缠结在一起，从而使得纤网得以加固成具备一定强力的水刺无纺布，其具有柔软、贴肤、无刺激、耐紫外照射等性能，使得其主要应用于卫生、医疗、洁净、革基布、装饰等领域。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种水刺静电棉材料及其制备方法和应用，该水刺静电棉材料是在水刺法非织造布制备工艺中利用风力驻电、或风力驻电和电晕驻电相结合，使得纤维具有很好的带电性，能很好地通过静电吸附粒子，从而使得水刺静电棉材料具有机械过滤和静电吸附过滤的作用，且其具有一定的空间结构，具有良好的过滤性和容尘性，可很好地应用于过滤材料方面。所制备的水刺静电棉材料具有过滤效率高、通气阻力极低、高厚度、梯度过滤、大容尘量、强力高、耐紫外老化及储存性能好等特点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种水刺静电棉材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将纤维进行喂入、开松、混合、梳理成网；

2)水刺成型；

3)风力驻电；

4)电晕驻电；

5)卷绕、检测、分切、包装。

在本发明的一个具体方案中，其中步骤1)中，所述纤维选自选自黏胶纤维、涤纶纤维、丙纶纤维、PE/PP复合纤维、PE/PET复合纤维、聚四氟乙烯纤维、天丝纤维、莫代尔纤维、竹纤维、聚乳酸纤维、棉纤维、聚乙烯纤维和芳纶纤维中的至少一种；优选为黏胶纤维、涤纶纤维、丙纶纤维、PE/PP复合纤维、PE/PET复合纤维和聚四氟乙烯纤维中的一种，这样可以获得更好的驻电效果。

在本发明的一个具体方案中，其中步骤1)中，所述梳理成网选自交叉铺网、交铺直铺复合网或直梳网复合铺网中的一种；步骤2)的水刺成型具体包括：将复合后的纤维网经预刺后利用水刺工艺进行加固定型，可根据产品类型选择不同的水刺工艺进行加固定型。

在本发明的一个具体方案中，其中步骤3)的风力驻电具体包括：

在控制热风风压的电机频率为20～50Hz，烘干温度为70～150℃，烘干速度为15-60m/min的条件下，风力驻电10-90秒，使得水刺材料的纤维得到充分烘干和摩擦起电；所述热风烘干起静电为两圆网以上的烘干方式，圆网直径大于1米。在风力的作用下，纤维相互摩擦同时在输送烘干的过程中与风产生摩擦，使得具有一定纤维组织结构的水刺材料得到静电，所述水刺材料的表面静电压达到10-300V。

在本发明的一个具体方案中，其中步骤4)的电晕驻电具体包括：将风力驻电的水刺材料进行电晕静电施加，在电场的作用下，静电植入水刺材料的纤维表面及纤维结构空间，同时极化纤维内部的电子电荷，使得水刺材料的表面静电压达到10-500V；所述电晕驻电的电压为10-60kv，驻电距离为2-15cm，电晕驻电时间为2-15秒。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种通过上述的制备方法制得的水刺静电棉材料，其克重为40-200g/m²；40g-60g/m²所述水刺静电棉材料的过滤效率大于30％，细菌过滤效率≥60％，通气阻力小于0.7mmH₂O；60-80g/m²所述水刺静电棉材料的过滤效率大于40％，细菌过滤效率≥70％，通气阻力小于1mmH₂O；80-200g/m²所述水刺静电棉材料的过滤效率大于50％，细菌过滤效率≥80％，通气阻力小于2mmH₂O；所述水刺静电棉材料的过滤效率的测试条件如下：气体流量为32L/min，过滤介质为NACL气溶胶，细菌过滤效率测试方法参考YY 0469-2011标准中细菌过滤效率方法，测试条件如下：气体流量为28.3L/min，过滤介质为细菌气溶胶。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种医用口罩，所述医用口罩包括依次相互叠合并缝接的内层、过滤芯体层及外层，所述过滤芯体层为上述的水刺静电棉材料。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种工业滤材，所述工业滤材为上述的水刺静电棉材料。

在本发明的一个具体方案中，其中所述工业滤材为滤网。

本发明的有益效果如下：

本发明所制备的水刺静电棉材料，其采用黏胶纤维、涤纶纤维、丙纶纤维、和ES纤维中的至少一种等常用纤维通过纤维梳理摩擦起电技术、水刺成型技术、风力烘干起电技术、静电驻极处理等工艺技术而得到。相比较现有的熔喷静电技术，本发明更加灵活，适用于范围更广。相比现有的熔喷静电技术，本发明的水刺静电棉材料的空气阻力更小，在同等定量下，该水刺静电棉材料的空气阻力大幅下降。本发明用于口罩滤材时，其具有非常好的透气性、柔软度和缓冲厚度；加工为口罩后，柔软性非常好，佩戴舒适性大大改善，同时由于其具有良好的透气性，呼吸气不易从脸颊、鼻梁处泄露，安全性大大提高，是非常好的口罩滤材。

本发明所制备的水刺静电棉材料，其具有过滤阻力小，过滤效率高的特点，作为口罩过滤层其阻力小，佩戴舒适，过滤性能较好；作为工业滤材，其符合中效过滤，具有阻力小、容尘量大、强度高等特点，可大量应用于空气净化、汽车过滤等工业过滤滤材方面。

本发明所制备的水刺静电棉材料，其应用于口罩过滤芯体材料，将传统纱布口罩、针织口罩的舒适性、柔软性、密闭性同高效过滤技术相结合，将极大地改善当前熔喷材料作为口罩芯体材料因阻力大造成的呼吸不畅等缺陷，同时也将大大改善熔喷材料因阻力大、材料板实而造成的呼吸气时四处漏风的缺陷；同时又弥补了传统纱布、针织口罩过滤性能不足的缺陷，从而进一步提高了口罩材料的安全性、舒适性。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

以下材料或试剂若非特别说明，均为购买。

实施例1：

本实施例提供了一种水刺静电棉的制备方法，包括如下步骤：

原料：选用1.5D黏胶纤维，质量百分比为60％；选用1.4D涤纶纤维，质量百分比为40％。

喂入、开松、混合：由开包机抓取涤纶纤维、黏胶纤维喂入到开松机进行粗开松，使纤维块和大棉团散离、混合、充分开松。经过粗开松后的混合纤维经气流输送到混棉箱，利用风机的风力作用将两种纤维进行精开松，使原料中的各种纤维成分获得均匀的混合，以便使进入梳理环节的纤维量和纤网均匀度达到最佳值(CV值为7％以下)。将混合好的纤维输送至高密度锡林针布梳理机进行梳理成网。

梳理成网：将上述混棉箱中的混合纤维经气流输送到高速杂乱梳理机，对开松后的纤维进行梳理和打乱纤维排列，主锡林转动速度为1076m/min，胸锡林转动速度为389.9m/min。然后通过道夫凝聚成网，并输送出纤维网，工作辊为81.3m/min，剥棉辊为191.9m/min，纤维网克重为28-30g/m²。在此工艺参数下，两种纤维混合相互摩擦产生静电，纤维能更好的进行梳理成网，成网均匀，克重稳定，以便后序水刺工艺更好的进行，水刺出来的布面效果才会更好。梳理出来的纤维网进入交叉铺网机进行六层铺网，接着六层交叉铺叠的纤维网在牵伸机进行3.2倍牵伸，牵伸后形成克重为50g/㎡的交铺网，再与另一台梳理机梳理出来的克重为30g/㎡的直梳网进行混合。在这样的半交铺工艺下，两种纤维得到有效地摩擦，纤维带有静电，使得纤维排列更加密集杂乱。产品经6层交叉铺叠以及直梳网复合后，纤维网具有多层梯度排列，使得内层纤维具有一定的蓬松度，和一定的紧密度，具有更好的容尘量。

水刺成型：将复合后的纤维网进行预刺，预刺压力为20bar，然后第一道转鼓进行背面水刺加固，下一步再进行第二道转鼓正面水刺定型。第一道转鼓水刺为两道水刺，水刺压力分别为80bar和115bar。第二道转鼓水刺道数为三道，水刺压力分别为120bar、120bar、120bar。在这样的水刺工艺下，梯度排列的纤维网能很好的缠结且会呈现梯度排列，水刺外表面的纤维缠结更密实，内层会相对蓬松些，使得产品在过滤过程中具有较好的吸附粉尘，容层量更大。

风力驻电：在控制热风风压的电机频率为27Hz，烘干温度为90℃，烘干速度为39.8m/min的条件下，风力驻电时间为20秒，使得水刺材料的两种纤维得到充分烘干和摩擦起电，所述热风烘干起静电为五圆网的烘干方式，圆网直径为2米。在风力的作用下，带有一定静电的纤维继续相互摩擦，使得产品内部的纤维得到更多的静电携带，以便在后序进行电晕驻电时纤维具有很好的梯度排列，增强纤维充电，所述水刺材料的表面静电压达到157V。

电晕驻电：将烘干定型后的水刺材料进行电晕静电施加，在电场的作用下，静电植入水刺材料的纤维表面及纤维结构空间，以极化纤维内部的电子电荷，使得其表面静电压达到340V；所用电晕驻电的电压为27KV，驻电极化距离为5cm，驻电时间为3秒。通过电晕静电施加，将静电植入水刺材料的纤维内，以借助电力吸引过滤粒子，可获得更大的过滤效率。充电后水刺材料的纤维表面电荷增大到243v，使得过滤效率明显提高。

卷绕、分切、包装：静电处理后对静电棉进行卷取，卷取速度为42m/min。最后对卷取好的静电棉根据需求进行分切和包装。

实施例2：

本实施例提供了一种水刺静电棉材料的制备方法，包括如下步骤：

原料：选用2.0D ES纤维，质量百分比为80％；选用1.4D涤纶纤维，质量百分比为20％。

喂入、开松、混合：由开包机抓取两种纤维喂入到开松机进行粗开松，使纤维块和大棉团散离、混合、充分开松。经过粗开松后的混合纤维经气流输送到混棉箱，利用风机的风力作用将两种纤维进行精开松，使原料中的各种纤维成分获得均匀的混合，以便使进入梳理环节的纤维量和纤网均匀度达到最佳值(CV值为7％以下)。将混合好的纤维输送至高密度锡林针布梳理机进行梳理成网。

梳理成网：将上述混棉箱中的两种纤维经气流输送到高速杂乱梳理机，对开松后的纤维进行梳理和打乱纤维排列，主锡林转动速度为1055m/min，胸锡林转动速度为380.5m/min。然后通过道夫凝聚成网，并输送出纤维网，工作辊为80.3m/min，剥棉辊为189.5m/min，纤维网克重为29g/m²。在此工艺参数下，ES纤维与涤纶纤维经梳理过程使得两种纤维相互摩擦产生静电，加上ES纤维具有很好的带电性，纤维经梳理出来具有更好的静电性。梳理出来的纤维网进入交叉铺网机进行6层铺网，接着6层交叉铺叠的纤维网在牵伸机进行3.2倍牵伸，牵伸后形成克重为50g/㎡交铺网，再与另一台梳理机梳理出来的克重为30g/㎡的直梳网进行混合。在这样的半交铺工艺下，ES纤维带有静电，使得纤维排列更加密集杂乱。产品经六层交叉铺叠以及直梳网复合后，纤维网具有梯度排列，使得内层纤维具有一定的蓬松度，具有更好的容尘量。

水刺：将复合后的纤维网预刺之后进行第一道转鼓背面水刺加固，再进行第二道转鼓水刺定型。第一道转鼓水刺为两道水刺，水刺压力分别为78bar和113bar。第二道转鼓水刺道数为三道，水刺压力分别为116bar、118bar、120bar。在这样的水刺工艺下，纤维梯度排列能很好地缠结，水刺外表面的纤维缠结更密实，内层会相对蓬松些，使得产品在过滤过程中具有较好的吸附粉尘，容层量更大。加之ES纤维具有很好的拒水性，涤纶几乎不吸水，所以水刺成型后，产品具有很好的不吸水性，能让产品在应用于滤材方面发挥更大作用。

风力驻电：在控制热风风压的电机频率为28Hz，烘干温度为90℃，烘干速度为40.1m/min的条件下，风力驻电25秒，使得水刺材料的两种纤维得到充分烘干和摩擦起电，所述热风烘干起静电为五圆网的烘干方式，圆网直径为2米。在风力的作用下，纤维继续相互摩擦同时在输送过程中与风产生摩擦，使得一定纤维组织结构的水刺材料得到更多的静电，所述水刺材料的表面静电压达到160V。

电晕驻电：将烘干定型后的水刺材料进行电晕静电施加，在电场的作用下，静电植入水刺材料的纤维表面及纤维结构空间，以极化纤维内部的电子电荷，使得其表面静电压达到262V，得到静电棉材料；所用电晕驻电的电压为27KV，驻电极化距离为5cm，驻电时间为3秒。通过电晕静电施加，将静电植入水刺材料的纤维内，以借助电力吸引过滤粒子，可获得更大的过滤效率。具有一定组织结构的水刺材料在充电后表面电荷增大到262v，使得过滤效率有效提高且能保存更久。

卷绕、分切、包装：静电处理后对得到的静电棉材料进行卷取，卷取速度为41m/min。最后对卷取好的静电棉根据需求进行分切和包装。

实施例3：

本实施例提供了一种水刺静电棉材料的制备方法，包括如下步骤：

原料：选用1.5D黏胶纤维，质量百分比为60％；选用1.4D涤纶纤维，质量百分比为40％。

喂入、开松、混合：由开包机抓取涤纶纤维、黏胶纤维喂入到开松机进行粗开松，使纤维块和大棉团散离、混合、充分开松。经过粗开松后的混合纤维经气流输送到混棉箱，利用风机的风力作用将两种纤维进行精开松，使原料中的各种纤维成分获得均匀的混合，以便使进入梳理环节的纤维量和纤网均匀度达到最佳值(CV值为7％以下)。将混合好的纤维输送至高密度锡林针布梳理机进行梳理成网。

梳理成网：将上述混棉箱中的混合纤维经气流输送到高速杂乱梳理机，对开松后的纤维进行梳理和打乱纤维排列，主锡林转动速度为1076m/min，胸锡林转动速度为389.9m/min。然后通过道夫凝聚成网，并输送出纤维网，工作辊为81.3m/min，剥棉辊为191.9m/min，纤维网克重为29g/m²。在此工艺参数下，两种纤维混合相互摩擦产生静电，纤维能更好的进行梳理成网，成网均匀，克重稳定，以便后序水刺工艺更好的进行，水刺出来的布面效果才会更好。梳理出来的纤维网进入交叉铺网机进行6层铺网，接着6层交叉铺叠的纤维网在牵伸机进行3.2倍牵伸，牵伸后形成克重为48.5g/㎡的交铺网，再与另一台梳理机梳理出来的克重为31.5g/㎡的直梳网进行混合。在这样的半交铺工艺下，两种纤维得到有效的摩擦，纤维带有静电，使得纤维排列更加密集杂乱。产品经六层交叉铺叠以及直梳网复合后，纤维网具有多层梯度排列，使得内层纤维具有一定的蓬松度，和一定的紧密度，具有更好的容尘量。

水刺成型：将复合后的纤维网进行预刺，预刺压力为20bar，然后第一道转鼓进行背面水刺加固，下一步再进行第二道转鼓正面水刺定型。第一道转鼓水刺为两道水刺，水刺压力分别为80bar和115bar。第二道转鼓水刺道数为三道，水刺压力分别为120bar、120bar、120bar。在这样的水刺工艺下，梯度排列的纤维网能很好的缠结且会呈现梯度排列，水刺外表面的纤维缠结更密实，内层会相对蓬松些，使得产品在过滤过程中具有较好的吸附粉尘，容尘量更大。

风力驻电：在控制热风风压的电机频率为27Hz，烘干温度为90℃，烘干速度为39.8m/min条件下，风力驻电时间为20秒，使得水刺材料的两种纤维得到充分烘干和摩擦起电；所述热风烘干起静电为五圆网的烘干方式，圆网直径为2米。在风力的作用下，带有一定静电的纤维继续相互摩擦，使得水刺材料的内部纤维得到更多的静电携带，所述水刺材料的表面静电压达到156v。

卷绕、分切、包装：静电处理后对静电棉进行卷取，卷取速度为42m/min。最后对卷取好的静电棉根据需求进行分切和包装。

测试例：

以下对上述实施例1-3制备的水刺静电棉材料及对比例1(对比例1与上述实施例3的区别仅在于，烘干采用单圆网的烘干方式，圆网直径为2米，烘干温度为120℃，风机频率为24HZ，烘干速度为37m/min，烘干时间为6秒)的水刺材料、对比例2(其为普通市售口罩的过滤芯层，该过滤芯层为熔喷布)进行了产品性能测试。测试条件及结果如下：

(1)定量克重测试：测试仪器为电子天平，测试方法为GB/T24218.1-2009。

(2)厚度测试：测试仪器为YG141织物厚度测试仪，测试方法为GB/T24218.2-2009。

(3)强力及伸长测试：测试仪器为电子强力机，测试方法为GB/T24218.3-2010。

(4)过滤效率测试：采用TSI8130过滤测试仪进行测试，测试前需对仪器进行校准。空气流量稳定至(32±0.5)L/min。在规定试验条件，用NaCl气溶胶颗粒大小分布应为计数中位径在(0.075±0.020)μm，几何标准差不超过1.86。

(5)物体表面静电压测试：采用EFM-022旋叶式静电计测试无纺布表面静电压。

(6)BFE细菌过滤效率测试：通过第三方检测机构GTT(国家纺织品服装服饰产品质量检验中心)进行检测，执行标准YY 0469-2011。

(7)耐老化性能测试：将样品置于日光照射下30天，通过样品的强力衰减率评价样品的耐老化性能。衰减率越低，耐老化性能越好。

表1：本发明实施例1-3所述的水刺静电棉材料及对比例1-2的产品的各项性能测试结果

从表1的测试结果可知，本发明实施例1-3所述的水刺静电棉材料具有较好的过滤效率和较低的呼吸气阻力，是水刺非织造技术领域新的突破。该水刺静电棉材料采用高密度锡林针布梳理机和六层交叉高牵伸铺网和直铺网复合的工艺制得，使得其纤维梳理效果很好，产品的不匀率很低，说明该水刺静电棉材料具有较高的均匀度。本发明的制备方法通过风力烘干驻电和电晕驻电可大大增加该水刺静电棉材料的表面静电压及材料静电荷，使得该水刺静电棉材料具有很强的静电吸附能力，从而大大提高其过滤性能。相比现有的熔喷静电技术，本发明所制备的水刺静电棉材料的空气阻力更小，在同等定量下，该水刺静电棉材料的空气阻力大幅下降。此外，本发明实施例1-3的水刺静电棉材料具有熔喷无纺布无法相比的纵横向强力和伸长率，不仅能够保证产品在裁切时抵抗拉伸力易于分切加工，同时该产品在应用于滤材时不易被拉破或严重变形而影响其使用效果。将实施例1-2与实施例3进行对比，通过电晕驻电以后，静电棉表面电荷增加到260V左右，过滤效率由56％增加到70％以上。将实施例3和对比例1进行对比，在所述热风烘干起静电采用两圆网以上的烘干方式，圆网直径大于1米，热风风压的电机频率为20～50Hz，烘干温度为70～150℃，烘干速度为15-60m/min的条件下，风力驻电10-90秒的烘干方式比常规同等定量的对比例1的滤效提高30％以上。将实施例1-3与对比例2对比，本发明实施例1-3的水刺静电棉材料在厚度、强力、过滤效率，呼吸阻力等性能指标均优于对比例2，更适合用于替代对比例2作为普通民用口罩的滤芯层。综上所述，通过本发明制得的水刺静电棉材料，具有柔软厚实的手感、均匀度高、强力高、不易变形、过滤效率较好、呼吸气阻力低、透气舒适等多个优良性能，该材料非常适合应用于民用口罩滤芯层、工业过滤材料等领域。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。