新冠肺炎疫情导致了全球范围内巨量的口罩和个人防护材料的消耗，并加剧了业已十分严峻的白色污染问题。聚丙烯纤维是目前应用于口罩等空气过滤领域的核心材料。每个一次性医用口罩消耗约0.7g熔喷聚丙烯纤维；而在全球疫情背景下，每年仅口罩就消耗了超过115万吨聚丙烯，并产生相等质量的白色垃圾。降低聚丙烯纤维直径可显著提升过滤性能并降低材料的消耗量。但是，现有的熔喷技术难以制备直径1μm以下的超细纤维，而基于溶液纺丝的纳米纤维制备方法（如静电纺丝、气纺丝等）难以获得难溶性的聚丙烯纳米纤维。
面向这一问题，清华大学材料学院伍晖副教授与清华大学航空航天学院赵立豪副教授团队合作，提出了一种新型熔喷技术，用于制备聚丙烯纳米纤维。该方法在传统熔喷的基础上，通过CO2激光快速加热喷丝孔处聚丙烯熔体，使之处于过热状态以极大地降低其粘度，进一步获得了熔喷聚丙烯纳米纤维材料。基于此技术，性能达到国家标准的一次性医用外科手术口罩所消耗的聚丙烯纤维质量从~0.7g/片下降到~0.13g/片，过滤空气阻力也有明显下降。该研究以题为“Saving 80% polypropylene in facemasks by laser-assisted melt-blown nanofibers”的论文发表在《Nano Letters》上。
文章要点:
1. 激光辅助熔喷技术采用CO2激光快速辅热喷丝孔处熔体锥可高效制备纳米纤维。纳米纤维的直径与激光功率的大小密切相关：在同等熔喷条件下，激光功率由0W增加到1.75W，聚丙烯纤维的平均直径由3.4μm降低至0.33μm。
2. 聚丙烯熔体可稳定存在的温度与加热速率相关，加热速率越快，则其能到达的最高温度越高。计算模拟分析表明激光可以173℃/s的加热速度瞬热聚丙烯熔体，使其最高温度可达448℃。在如此高温下，聚丙烯熔体粘度急剧下降，在气流场作用下便可获得更高的牵伸倍率从而形成纳米纤维。
3. 激光辅助熔喷聚丙烯纳米纤维膜具有良好的空气过滤性能。面密度为3.9g/m2的聚丙烯纳米纤维膜的PM0.3过滤效率达到95%以上；而实现相同过滤效率，传统口罩中聚丙烯纤维的面密度需达到20 g/m2以上。就综合过滤性能而言，聚丙烯纳米纤维的品质因子高于0.12 Pa-1，最高值可达0.19 Pa-1，而市售口罩过滤材料的品质因子约为0.07~0.12 Pa-1。以满足YY0469-2011国家标准的医用外科手术口罩为例，市售口罩消耗的聚丙烯滤材质量约为0.7g/片，而聚丙烯纳米纤维口罩使用滤材的质量仅为0.13g/片。
4. 激光辅助熔喷与传统熔喷兼容性良好，可实现激光辅助熔喷聚丙烯纳米纤维的连续制造。因此，激光辅助熔喷技术成功应用将有望缓解新冠疫情引起的巨大资源消耗。
图1. 口罩的生命周期：从不可再生资源到白色垃圾
图2. 激光辅助熔喷聚丙烯纳米纤维的制备
图3. 基于新型熔喷的纳米纤维空气过滤材料和口罩应用。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c02693