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  新冠肺炎疫情導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)巨量的口罩和個(gè)人防護(hù)材料的消耗，并加劇了業(yè)已十分嚴(yán)峻的白色污染問題。聚丙烯纖維是目前應(yīng)用于口罩等空氣過濾領(lǐng)域的核心材料。每個(gè)一次性醫(yī)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(chǎn)生相等質(zhì)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(xiàn)有的熔噴技術(shù)難以制備直徑1μm以下的超細(xì)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。

  面向這一問題，清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉副教授與清華大學(xué)航空航天學(xué)院趙立豪副教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種新型熔噴技術(shù)，用于制備聚丙烯納米纖維。該方法在傳統(tǒng)熔噴的基礎(chǔ)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(tài)以極大地降低其粘度，進(jìn)一步獲得了熔噴聚丙烯納米纖維材料�；诖思夹g(shù)，性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的一次性醫(yī)用外科手術(shù)口罩所消耗的聚丙烯纖維質(zhì)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(fā)表在《Nano Letters》上。

文章要點(diǎn):

  1. 激光輔助熔噴技術(shù)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(guān)：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(wěn)定存在的溫度與加熱速率相關(guān)，加熱速率越快，則其能到達(dá)的最高溫度越高。計(jì)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(dá)448℃。在如此高溫下，聚丙烯熔體粘度急劇下降，在氣流場(chǎng)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(dá)到95%以上；而實(shí)現(xiàn)相同過濾效率，傳統(tǒng)口罩中聚丙烯纖維的面密度需達(dá)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(zhì)因子高于0.12 Pa^-1，最高值可達(dá)0.19 Pa^-1，而市售口罩過濾材料的品質(zhì)因子約為0.07~0.12 Pa^-1。以滿足YY0469-2011國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用外科手術(shù)口罩為例，市售口罩消耗的聚丙烯濾材質(zhì)量約為0.7g/片，而聚丙烯納米纖維口罩使用濾材的質(zhì)量?jī)H為0.13g/片。

 圖1. 口罩的生命周期：從不可再生資源到白色垃圾

 圖2. 激光輔助熔噴聚丙烯納米纖維的制備

圖3. 基于新型熔噴的納米纖維空氣過濾材料和口罩應(yīng)用。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c02693