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东华大学曾泳春Chem. Eng. J.:PE/PA非织造布的制备

公司新闻    2021-09-22 16:08

DOI: 10.1016/j.cej.2021.130175

 

COVID-19大流行和空气颗粒物(PM)污染对人类健康构成了巨大威胁。个人防护口罩已成为人们日常生活中必不可少的防护装备。然而,长时间佩戴传统面罩会导致面部闷热与不适,因此,实现个人防护面罩的热舒适性是极具吸引力的。本文通过将尼龙6(PA)纳米纤维静电纺丝到聚乙烯(PE)熔喷非织造布上,成功设计并制备了具有优异过滤性能和辐射散热效果的面罩。所得PE/PA非织造布具有较高的PM过滤效率(>99%)和较低的压降(<100Pa)。此外,结合PE的特性,本研究所设计的面罩显示出较高的中红外(mid-IR)透射率,较强的辐射冷却功率,从而具备良好的散热性能。该设计为个人防护用热舒适性材料的开发提供了新的见解。

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图1.用于口罩的PE/PA无纺布的结构设计和形态。(a)两层结构的PE/PA非织造布的制备过程示意图。(b)PE/PA无纺布的中红外透射率和颗粒物(PM)过滤过程的示意图,其中红色纤维和蓝色纤维分别代表PE熔喷无纺布和PA电纺膜。(c)PE/PA无纺布的横截面FE-SEM图像。插图显示放大的界面区域。PE/PA非织造布(d)内层(PA纳米纤维)和(e)外层(PE超细纤维)的FE-SEM图像。(d)和(e)中的插图分别是PA电纺膜和PE熔喷无纺布的纤维直径分布。(f)厚度为800μm的PE熔喷非织造布和厚度为3μm的PA电纺膜的孔径分布。

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图2.两层结构的PE/PA非织造布的过滤性能。(a)PE熔喷非织造布和(b)PA电纺膜过滤PM后的FE-SEM图像。(a)和(b)中的插图是过滤PM后PE熔喷无纺布和PA电纺膜的高放大倍率图像。(c)PA膜厚度不同的PE/PA无纺布的过滤性能(过滤效率和压降)和(d)品质因数(同时PE无纺布厚度保持为800μm)。

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图3.PE无纺布和PA膜内部的气流场模拟。3D模型显示了气流穿过(a)厚度为800μm的PE无纺布以及厚度为(b)3μm和(c)6μm的PA膜期间的气流场分布。沿(d)厚度为800μm的PE无纺布以及(e)厚度为3μm和6μm的PA纳米纤维膜的z轴的压力变化。

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图4.用于面罩的PE/PA无纺布的热测量。(a)PE/PA无纺布(由800μm厚的PE熔喷无纺布和3μm厚的PA电纺膜组成)和两个商用面罩的中红外透射率。阴影区域是人体辐射。(b)裸露皮肤的温度以及用不同的PE/PA无纺布和两个商用口罩覆盖的皮肤的温度。PE-800μm/PA、PE-1126μm/PA、PE-1351μm/PA、PE-1570μm/PA无纺布的PE层厚度分别为800μm、1126μm、1351μm和1570μm,而PA层的厚度保持为4.5μm。(c)不同PE/PA无纺布和两个商用面罩的红外热像图。

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图5.用于面罩的PE/PA无纺布的散热性能。(a)不同样品的储热能力:具有4.5μm厚的PA层和不同厚度的PE层的PE/PA无纺布,以及两个商用面罩。(b)覆盖有PE/PA面膜(PE层厚度为800μm,PA层厚度为4.5μm)样品和两个商用面罩的人脸的红外热图像。

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图6.用于面罩的不同PE/PA无纺布的耐磨性试验。(a)机械强度试验显示PE/PA非织造布和两种市售口罩的拉伸力与伸长率之间的关系。(b)透气性试验测定了PE/PA无纺布和两个商用口罩的透气程度。(c)水蒸气透过率试验显示水分从人脸穿过口罩的速度。(d)水接触角(WCA)试验显示PE/PA无纺布PA侧和PE侧的润湿性。作为PE/PA无纺布的内层,PA电纺膜具有亲水性,WCA为33°,而PE熔喷无纺布作为PE/PA无纺布的外层具有超疏水性,WCA为151°。上述PE/PA无纺布由800μm厚的PE熔喷无纺布和4.5μm厚的PA电纺膜组成。