一种替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材及制备方法
阅读说明：本技术 一种替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材及制备方法 (Biomass filter membrane material for replacing medical mask melt-blown cloth and preparation method thereof ) 是由 曾军堂 陈庆 司文彬 白涛 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材及制备方法,所述生物质过滤膜材是将淀粉、聚乙烯醇、硼酸、纳米电气石、水、氢氧化钠先后加入高速混合机中,然后通过升温和开关排气孔进行混合搅拌得到混合物料,接着将物料密封保存后与EVA、N,N’-乙撑双硬脂酰胺、聚四氟乙烯微粉混合挤出发泡成片,再经拉伸、风冷、卷取而制得。本发明提供的生物质过滤膜材,过滤效率高,对微细微尘、病毒的过滤吸附聚集性强,可完全替代目前熔喷布用于医用口罩,同时工艺易控简单,微孔可控,设备投资极低,具有广阔应用前景。(The invention provides a biomass filter membrane material for replacing medical mask melt-blown cloth and a preparation method thereof, wherein the biomass filter membrane material is prepared by sequentially adding starch, polyvinyl alcohol, boric acid, nano tourmaline, water and sodium hydroxide into a high-speed mixer, then mixing and stirring the materials by heating and opening and closing an exhaust hole to obtain a mixed material, then mixing and extruding the mixed material, after the sealed storage of the material, EVA, N' -ethylene bis stearamide and polytetrafluoroethylene micro powder to form a foam sheet, and then stretching, air cooling and coiling the foam sheet. The biomass filtering membrane material provided by the invention has high filtering efficiency, strong filtering, adsorbing and gathering properties on micro-fine dust and viruses, can completely replace the prior melt-blown cloth to be used for medical masks, and has the advantages of easily controllable and simple process, controllable micropores, extremely low equipment investment and wide application prospect.)
技术领域
本发明涉及医用材料的技术领域，特别是涉及一种替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材及制备方法。
背景技术
熔喷布是一种具有优异过滤性能的无纺布，是口罩最核心的材料，熔喷布主要以聚丙烯为主要原料，纤维直径可以达到1-5微米。空隙多、结构蓬松、抗褶皱能力好，具有独特的毛细结构的超细纤维增加单位面积纤维的数量和表面积，从而使熔喷布具有很好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性。可用于空气、液体过滤材料、隔离材料、吸纳材料、口罩材料、保暖材料、吸油材料及擦拭布等领域。
熔喷布的过滤性能使其在医疗防护、环保过滤等领域具有巨大的潜力，是目前医用口罩、防护服中最重要的过滤材料。尽管熔喷布过滤效果优异，但制备过程中纤维未经较长牵伸，熔喷布强度和耐磨性较低，无法单独承受强外力，使其制备的口罩易被外力破坏而失去防护能力，容易拉伸变形，因此常作为一次性防护用品，造成了极大的浪费。
目前，大部分口罩都采用以熔喷布为夹层的纺粘-熔喷-纺粘（SMS）的复合产品。而且为了提升熔喷布的过滤性，还采用驻极处理。这使得医用口罩的生产工艺变得复杂。另外，在制作熔喷布时，使用的原料有较高的要求，对生产工艺要求苛刻，不但要求熔喷纤维均匀喷丝，而且要求纤维直径细，这样才能够得到满足医用过滤的材料。长期以来，该领域基本使用熔指超过1000g/10min的PP进行熔喷制备熔喷布，原料的供应也成为瓶颈。根据熔喷布的过滤特性，主要作用是阻隔外界异物如颗粒、粉尘、细菌、病毒等通过呼吸道进入人体，只要满足高过滤性，熔喷布可以被替代，因此，对熔喷布替代材料的研究受到关注。
中国发明专利申请号202010374866.4公开了复合短纤驻极热风无纺布制备工艺，包括以下步骤：S1、混料；S2、初开松；S3、精开松；S4、梳理铺网；S5、热风穿刺；S6、将热压后的纤维经高压静电驻极处理后压成指定厚度，切边、收卷，即得复合短纤驻极热风无纺布，该复合短纤驻极热风无纺布可替代熔喷布，解决市场需求。中国发明专利申请号202010193998.7公开了一种空气过滤介质及制备方法，空气过滤介质包括基布和阻挡层，阻挡层包括至少一层的泡孔结构，泡孔结构是通过在水性聚氨酯体系中添加驻极母粒发泡经湿法凝固后形成的，泡孔之间至少部分相连通；发泡层经凝聚液凝固，水性聚氨酯破乳凝固，泡孔被固定下来，通过加热将水分蒸发，留下致密的泡孔与所述基布复合形成一种空气过滤介质；这种空气过滤介质颗粒阻隔率高，制备方法简单，替代熔喷布应用在口罩领域，解决了口罩供应不足的问题。
为了解决熔喷布制备原料工艺要求较高、难度较大的问题，有必要提出一种新型替代熔喷布的材料，进而得到了可替代医用口罩熔喷布的优异生物质过滤材料。
发明内容
针对目前熔喷布的制备对原料工艺要求较高，对熔喷纤维的细度、均匀度控制难度大，而且应用医疗口罩防护材料时容易拉伸变形的问题，本发明提出一种替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材及制备方法，从而得到了具有优异过滤性能的熔喷布替代材料。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材，所述生物质过滤膜材是将淀粉、聚乙烯醇、硼酸、纳米电气石、水、氢氧化钠先后加入高速混合机中，然后通过升温和开关排气孔进行混合搅拌得到混合物料，接着将物料密封保存后与EVA、N，N’-乙撑双硬脂酰胺、聚四氟乙烯微粉混合挤出发泡成片，再经拉伸、风冷、卷取而制得。
优选的，所述聚乙烯醇的牌号为PVA 1788。
优选的，所述纳米电气石的细度为60-100nm。
进一步优选的，所述纳米电气石选用石家庄文德矿产品有限公司提供的细度为80nm的电气石粉。
本发明还提供了一种替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材的制备方法，具体制备方法如下：
（1）将淀粉、聚乙烯醇、硼酸、纳米电气石加入高速混合机中，在温度为80-90℃下搅拌均匀，然后在水中加入氢氧化钠配制为碱液，接着将碱液加入高速混合机中，关闭排气孔继续搅拌15-25min，使碱液充分渗透淀粉、聚乙烯醇，再将高速混合机升温至100-110℃，同时打开排气孔进行排气，降低物料的水分含量，接着放料，得到混合物料；
（2）将得到的混合物料密封保存处理，然后将密封保存的物料与EVA、N，N’-乙撑双硬脂酰胺、聚四氟乙烯微粉加入搅拌釜中混合均匀，接着经单螺杆挤出机挤出发泡，再将发泡的薄片趁热纵向拉伸，接着风冷、卷取，得到替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材。
优选的，步骤（1）中所述降低物料的水分含量至10-12%。
优选的，步骤（1）中所述混合物料制备中，淀粉、聚乙烯醇、硼酸、纳米电气石、水、氢氧化钠的质量比例为20-30:3-5:0.02-0.05:0.1-0.2:10-15:0.05-0.1。
优选的，步骤（2）中所述密封保存的方法是利用纸密封保存24-36h。
优选的，步骤（2）中所述单螺杆挤出机为短长径比的单螺杆挤出机，长径比控制10:1，挤出模头为缝隙1mm、宽度200mm的模头。
进一步优选的，所述短长径比的单螺杆挤出机的螺杆直径为4cm，长度为40cm。
优选的，步骤（2）中所述纵向拉伸的拉伸倍率为3-5倍。
优选的，步骤（2）中所述生物质过滤膜材制备中，密封保存的物料、EVA、N，N’-乙撑双硬脂酰胺、聚四氟乙烯微粉的质量比例为80-90:3-5:1-2:0.1-0.3。
公知的，目前SMS复合无纺布作为优异过滤功能的功能无纺布，在医用口罩、空气净化等领域被广泛应用。然而，熔喷布的制备对原料工艺要求较高，对熔喷纤维的细度、均匀度控制难度大，而且应用医疗口罩防护材料时，容易拉伸变形。通过对熔喷布的作用机理分析，主要作用是阻隔外界异物如颗粒、粉尘、细菌、病毒等通过呼吸道进入人体。因此，只要设计合理的满足高过滤性和对微尘的收集聚集性，熔喷布是可以被替代的。
本发明通过将生物质材料淀粉、聚乙烯醇、硼酸和纳米电气石加入高速混合机中，加热进行搅拌，再加入氢氧化钠和水配制的碱液进行渗透塑化处理，并利用硼酸交联，使得物料具有一定的热塑性，可提升后续挤出发泡材料。发泡聚乙烯醇分子中含有大量的羟基和材料本身具有开孔结构，干态下机械强度高，湿态下柔软性好，手感和弹性佳，变干再湿后仍能恢复柔软性，并且具有一定的耐磨性、耐候性、化学稳定性和生物相容性等优点，是良好医用过滤材料。淀粉即是淀粉聚乙烯醇的主要原料，而且具有成孔作用，通过控制淀粉的加入量，得到吸水性好、孔结构良好、柔性好的发泡聚乙烯醇材料。纳米级电气石粉属于天然矿物，是由晶体电气石颗粒粉碎，本身自带静电吸附功能的良好的驻极剂，加入后使发泡过滤膜材具有持久的驻极，可以吸附微细颗粒，提高过滤效率，而纳米级的电气石作为成核剂，可使得淀粉聚乙烯醇的发泡形成均匀微细的微孔。
进一步的，使用纸将混合物料密封保存24h以上，使含有的水充分均匀渗入淀粉、聚乙烯醇中，然后与EVA、N，N’-乙撑双硬脂酰胺和聚四氟乙烯微粉混合挤出发泡。EVA加入的目的是辅助物料的塑性，使制品拉伸性能更好，而加入的N，N’-乙撑双硬脂酰胺、聚四氟乙烯微粉不但使得到的过滤膜材具备疏水性、耐水性，而且具有驻极效果，对过滤中的微细颗粒具有吸附效应。膜材的挤出发泡过程在短长径比单螺杆挤出机中进行，螺杆的长径比控制在10:1，典型的选择为螺杆直径为4cm，长度为40cm的短长径比螺杆，加入的物料依靠螺杆自摩擦快速生热并发泡，如果长径比过大，物料会被过度的剪切烧焦，造成堵料；如果长径比过低，则会影响混炼均匀度，得到的发泡过滤膜微孔均匀度差。最后将挤出发泡的薄片纵向拉伸，使得微孔结构性和均匀性更好，而且便于制作医用口罩。
现有的熔喷布的制备对原料工艺要求较高，对熔喷纤维的细度、均匀度控制难度大，而且应用医疗口罩防护材料时，容易拉伸变形，限制了其应用。鉴于此，本发明提出一种替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材及制备方法，将淀粉、聚乙烯醇、硼酸、纳米电气石加入高速混合机搅拌均匀高速混合机升温搅拌；在水中加入氢氧化钠配制为碱液，将碱液加入高速混合机，关闭排气孔，继续搅拌，使碱液充分渗透淀粉、聚乙烯醇；然后将高速混合机升温，打开排气孔，进行排气，降低至物料水分含量，然后放料，密封保存物料；将得到的物料密封保存，然后与EVA、N,N’-乙撑双硬脂酰胺、聚四氟乙烯微粉加入搅拌釜中混合均匀，经短长经比单螺杆挤出机挤出发泡，发泡的薄片趁热纵向拉伸，然后风冷、卷取，得到替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材。本发明提供的生物质过滤膜材，过滤效率高，对微细微尘、病毒的过滤吸附聚集性强，可完全替代目前熔喷布用于医用口罩，同时工艺易控简单，微孔可控，设备投资极低，具有广阔应用前景。
本发明提出一种替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明制备生物质过滤膜材，工艺易控简单，微孔可控，设备投资极低，克服了目前熔喷布对原料要求高、生产工艺复杂、质量难以控制的问题。
2、本发明得到的生物质过滤膜材过滤效率高，对微细微尘、病毒的过滤吸附聚集性强，可完全替代目前熔喷布用于医用口罩。
附图说明
图1：实施例1得到的生物质过滤膜材的高倍放大图。
图2：对比例1得到的生物质过滤膜材的高倍放大图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）将25kg淀粉、4kg聚乙烯醇、0.04kg硼酸、0.15kg细度为80nm的纳米电气石加入高速混合机中，在温度为85℃下搅拌均匀，然后在12.5kg水中加入0.08kg氢氧化钠配制为碱液，接着将碱液加入高速混合机中，关闭排气孔继续搅拌20min，使碱液充分渗透淀粉、聚乙烯醇，再将高速混合机升温至105℃，同时打开排气孔进行排气，降低物料的水分含量至11%，接着放料，得到混合物料；
（2）将得到的混合物料密封保存处理30h，然后将85kg密封保存的物料与4kgEVA、1.5kgN，N’-乙撑双硬脂酰胺、0.2kg聚四氟乙烯微粉加入搅拌釜中混合均匀，接着经单螺杆挤出机挤出发泡，单螺杆挤出机为短长径比的单螺杆挤出机，挤出模头为缝隙1mm、宽度200mm的模头，螺杆直径为4cm，长度为40cm，再将发泡的薄片趁热纵向拉伸，拉伸倍率为4倍，接着风冷、卷取，得到替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材。
实施例2
（1）将28kg淀粉、3.5kg聚乙烯醇、0.03kg硼酸、0.12kg细度为70nm的纳米电气石加入高速混合机中，在温度为82℃下搅拌均匀，然后在11kg水中加入0.06kg氢氧化钠配制为碱液，接着将碱液加入高速混合机中，关闭排气孔继续搅拌18min，使碱液充分渗透淀粉、聚乙烯醇，再将高速混合机升温至102℃，同时打开排气孔进行排气，降低物料的水分含量至11.5%，接着放料，得到混合物料；
（2）将得到的混合物料密封保存处理28h，然后将88kg密封保存的物料与3.5kgEVA、1.2kgN，N’-乙撑双硬脂酰胺、0.15kg聚四氟乙烯微粉加入搅拌釜中混合均匀，接着经单螺杆挤出机挤出发泡，单螺杆挤出机为短长径比的单螺杆挤出机，挤出模头为缝隙1mm、宽度200mm的模头，螺杆直径为4cm，长度为40cm，再将发泡的薄片趁热纵向拉伸，拉伸倍率为3倍，接着风冷、卷取，得到替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材。
实施例3
（1）将22kg淀粉、4.5kg聚乙烯醇、0.04kg硼酸、0.18kg细度为90nm的纳米电气石加入高速混合机中，在温度为88℃下搅拌均匀，然后在14kg水中加入0.08kg氢氧化钠配制为碱液，接着将碱液加入高速混合机中，关闭排气孔继续搅拌22min，使碱液充分渗透淀粉、聚乙烯醇，再将高速混合机升温至108℃，同时打开排气孔进行排气，降低物料的水分含量至11%，接着放料，得到混合物料；
（2）将得到的混合物料密封保存处理33h，然后将82kg密封保存的物料与4.5kgEVA、1.8kgN，N’-乙撑双硬脂酰胺、0.25kg聚四氟乙烯微粉加入搅拌釜中混合均匀，接着经单螺杆挤出机挤出发泡，单螺杆挤出机为短长径比的单螺杆挤出机，挤出模头为缝隙1mm、宽度200mm的模头，螺杆直径为4cm，长度为40cm，再将发泡的薄片趁热纵向拉伸，拉伸倍率为5倍，接着风冷、卷取，得到替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材。
实施例4
（1）将30kg淀粉、3kg聚乙烯醇、0.02kg硼酸、0.1kg细度为60nm的纳米电气石加入高速混合机中，在温度为80℃下搅拌均匀，然后在10kg水中加入0.05kg氢氧化钠配制为碱液，接着将碱液加入高速混合机中，关闭排气孔继续搅拌15min，使碱液充分渗透淀粉、聚乙烯醇，再将高速混合机升温至100℃，同时打开排气孔进行排气，降低物料的水分含量至10%，接着放料，得到混合物料；
（2）将得到的混合物料密封保存处理24h，然后将90kg密封保存的物料与3kgEVA、1kgN，N’-乙撑双硬脂酰胺、0.1kg聚四氟乙烯微粉加入搅拌釜中混合均匀，接着经单螺杆挤出机挤出发泡，单螺杆挤出机为短长径比的单螺杆挤出机，挤出模头为缝隙1mm、宽度200mm的模头，螺杆直径为4cm，长度为40cm，再将发泡的薄片趁热纵向拉伸，拉伸倍率为3倍，接着风冷、卷取，得到替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材。
实施例5
（1）将20kg淀粉、5kg聚乙烯醇、0.05kg硼酸、0.2kg细度为100nm的纳米电气石加入高速混合机中，在温度为90℃下搅拌均匀，然后在15kg水中加入0.1kg氢氧化钠配制为碱液，接着将碱液加入高速混合机中，关闭排气孔继续搅拌25min，使碱液充分渗透淀粉、聚乙烯醇，再将高速混合机升温至110℃，同时打开排气孔进行排气，降低物料的水分含量至12%，接着放料，得到混合物料；
（2）将得到的混合物料密封保存处理36h，然后将80kg密封保存的物料与5kgEVA、2kgN，N’-乙撑双硬脂酰胺、0.3kg聚四氟乙烯微粉加入搅拌釜中混合均匀，接着经单螺杆挤出机挤出发泡，单螺杆挤出机为短长径比的单螺杆挤出机，挤出模头为缝隙1mm、宽度200mm的模头，螺杆直径为4cm，长度为40cm，再将发泡的薄片趁热纵向拉伸，拉伸倍率为5倍，接着风冷、卷取，得到替代医用口罩熔喷布的生物质过滤膜材。
对比例1
对比例1与实施例1相比，没有加入纳米电气石粉，其他与实施例1完全一致。
对比例2
对比例2与实施例1相比，物料排水处理后的含水量为15%，其他与实施例1完全一致。
对比例3
对比例3为市售纤维直径约为3μm、克重为30g/m2的熔喷布。
测试方法：
克重测试：参照《纺织品 非织造布试验方法》（GB/T24218.1-2009），测试并计算本发明实施例和对比例的过滤材料的克重。测试结果如表1所示；
过滤性能测试：将本发明实施例、对比例的过滤材料经过10kV电压驻极处理，驻极间隔30mm，驻极时间5s，然后用于测试样。参照《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》（GB2626-2006），利用TSI8130过滤测试测试。采用中值粒径0.075μm的NaCl为微细颗粒，气流量30L/min，测试过滤效率及阻力。测试结果如表1所示；
表1：
由表1可见，通过测试，本发明实施例制得的生物质过滤膜材具有良好的过滤效率，而且气流阻力较低，可以完全替换熔喷布用于医用口罩。其中，对比例1由于缺少纳米电气石粉的成核作用，使得微发泡孔径均匀度变差，尤其是粗微孔变多，影响过滤性能；对比例2由于含水量较高，挤出发泡剧烈，微孔较大，影响过滤效果；对比例3为常规熔喷布，相较实施例制得的生物质过滤膜材，过滤效率较差。
由附图1可见，本发明实施例1制得的生物质过滤膜材的微孔细而均匀；由附图2可见，对比例1的生物质过滤膜材的微孔均匀度差、粗孔较多。