激光輔助熔噴技術(shù)可減少一次性醫(yī)用口罩80%的聚丙烯消耗

聚丙烯纖維是目前應(yīng)用于口罩等空氣過(guò)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，每年僅口罩就消耗超過(guò)115萬(wàn)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(guò)濾性能并降低材料的消耗量。

基于此，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(guò)CO2激光快速加熱噴絲孔處聚丙烯熔體，使之處于過(guò)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。基于此技術(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)量從每片約需0.7g 下降到每片約需0.13g，降低了80%。

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。

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，激光能夠以173℃/s 的加熱速度瞬時(shí)加熱聚丙烯熔體，使其最高溫度達(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。

激光輔助熔噴聚丙烯納米纖維膜具有良好的空氣過(guò)濾性能。面密度為3.9g/m2的聚丙烯納米纖維膜的PM0.3過(guò)濾效率達(dá)到95%以上；而實(shí)現(xiàn)相同過(guò)濾效率，傳統(tǒng)口罩中聚丙烯纖維的面密度需達(dá)到20g/m2以上。此外，激光輔助熔噴與傳統(tǒng)熔噴兼容性良好，可實(shí)現(xiàn)激光輔助熔噴聚丙烯納米纖維的連續(xù)制造。

（摘編自中國(guó)高分子學(xué)術(shù)平臺(tái)）