清華大學伍暉、趙立豪《Nano Lett.》：新型熔噴助力抗疫 - 減少口罩中80%的聚丙烯消耗

新冠肺炎疫情導致了全球范圍內巨量的口罩和個人防護材料的消耗，并加劇了業已十分嚴峻的白色污染問題。聚丙烯纖維是目前應用于口罩等空氣過濾領域的核心材料。每個一次性醫用口罩消耗約0.7g熔噴聚丙烯纖維；而在全球疫情背景下，每年僅口罩就消耗了超過115萬噸聚丙烯，并產生相等質量的白色垃圾。降低聚丙烯纖維直徑可顯著提升過濾性能并降低材料的消耗量。但是，現有的熔噴技術難以制備直徑1μm以下的超細纖維，而基于溶液紡絲的納米纖維制備方法（如靜電紡絲、氣紡絲等）難以獲得難溶性的聚丙烯納米纖維。

2022-09-06 08:04:33雷紅梅

面向這一問題，清華大學材料學院伍暉副教授與清華大學航空航天學院趙立豪副教授團隊合作，提出了一種新型熔噴技術，用于制備聚丙烯納米纖維。該方法在傳統熔噴的基礎上，通過CO₂激光快速加熱噴絲孔處聚丙烯熔體，使之處于過熱狀態以極大地降低其粘度，進一步獲得了熔噴聚丙烯納米纖維材料。基于此技術，性能達到國家標準的一次性醫用外科手術口罩所消耗的聚丙烯纖維質量從~0.7g/片下降到~0.13g/片，過濾空氣阻力也有明顯下降。該研究以題為“Saving 80% polypropylene in facemasks by laser-assisted melt-blown nanofibers”的論文發表在《Nano Letters》上。

文章要點:

1. 激光輔助熔噴技術采用CO₂激光快速輔熱噴絲孔處熔體錐可高效制備納米纖維。納米纖維的直徑與激光功率的大小密切相關：在同等熔噴條件下，激光功率由0W增加到1.75W，聚丙烯纖維的平均直徑由3.4μm降低至0.33μm。

2. 聚丙烯熔體可穩定存在的溫度與加熱速率相關，加熱速率越快，則其能到達的最高溫度越高。計算模擬分析表明激光可以173℃/s的加熱速度瞬熱聚丙烯熔體，使其最高溫度可達448℃。在如此高溫下，聚丙烯熔體粘度急劇下降，在氣流場作用下便可獲得更高的牽伸倍率從而形成納米纖維。

3. 激光輔助熔噴聚丙烯納米纖維膜具有良好的空氣過濾性能。面密度為3.9g/m²的聚丙烯納米纖維膜的PM_0.3過濾效率達到95%以上；而實現相同過濾效率，傳統口罩中聚丙烯纖維的面密度需達到20 g/m²以上。就綜合過濾性能而言，聚丙烯納米纖維的品質因子高于0.12 Pa^-1，最高值可達0.19 Pa^-1，而市售口罩過濾材料的品質因子約為0.07~0.12 Pa^-1。以滿足YY0469-2011國家標準的醫用外科手術口罩為例，市售口罩消耗的聚丙烯濾材質量約為0.7g/片，而聚丙烯納米纖維口罩使用濾材的質量僅為0.13g/片。

4. 激光輔助熔噴與傳統熔噴兼容性良好，可實現激光輔助熔噴聚丙烯納米纖維的連續制造。因此，激光輔助熔噴技術成功應用將有望緩解新冠疫情引起的巨大資源消耗。