駐極體非織造材料在空氣過濾方面的應(yīng)用特點(diǎn)

武松梅，袁傳剛

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230011)

1 概述

我國處于高速發(fā)展工業(yè)時(shí)期，生產(chǎn)方式以粗放型為主，能源消耗比較大。其中重工業(yè)、能源工業(yè)及原材料工業(yè)的生產(chǎn)工藝及設(shè)備相對落后，造成嚴(yán)重的空氣污染。這些有害有毒的氣體和粉塵微粒，嚴(yán)重地危及人類的健康。粉塵是六種大氣污染源之一，空氣中99.9%的粉塵粒徑是亞微米級的。隨著人們對空氣質(zhì)量和生活環(huán)境要求越來越高，如何處理有害粉塵，凈化空氣成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。但傳統(tǒng)的空氣過濾材料對粒徑小于1μm的微粒的過濾并不是十分有效[1]，因此，開發(fā)高性能、低成本新型過濾材料是當(dāng)前非常重要的課題。

常用纖維材料過濾的機(jī)理，就是使塵粒與纖維碰撞而將它從氣流中分離出來，塵粒與纖維碰撞的原因，主要依靠布朗擴(kuò)散、截留、慣性碰撞、直接攔截等機(jī)械阻擋作用。塵粒及纖維都有可能因某種原因而帶上靜電。普通的過濾材料沒有帶靜電荷，材料和塵粒之間靜電吸附作用甚弱。如果過濾材料帶有電荷形成荷電纖維(即駐極體)，當(dāng)塵粒經(jīng)過纖維過濾材料時(shí)，過濾中除原有的機(jī)械阻擋作用外，荷電纖維(駐極體)利用電荷的靜電力有效地吸附塵粒，大大提高了對粉塵粒子的捕集效率。駐極體過濾材料因其具有高效、低阻除塵，滅菌功能及對具有致癌作用的亞微米級粒子突出的捕獲能力，在醫(yī)療設(shè)施、制藥工業(yè)和生物制品、高新科技產(chǎn)業(yè)及旅館酒店、家庭和公共場所潔凈等方面的應(yīng)用上，顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢，成為應(yīng)用前景廣泛的新型空氣過濾材料。

2 空氣過濾材料駐極體機(jī)理

駐極體是指具有長期儲存空間(真實(shí))和極化電荷能力的固體電介質(zhì)材料，具有在無外電場的條件下能自身產(chǎn)生靜電作用力的特性[2]。

駐極體用作過濾材料,最初是1976年由J.Van Tum hout 等人制成切割成小條狀的聚丙烯薄膜，將這種帶電小條加工成折皺狀態(tài)即形成駐極體纖維。鑒于駐極體空氣過濾器具有低流阻、高效率及長壽命，高集塵能力及節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)，使得這類空氣過濾材料的研究發(fā)展十分迅速。

3 駐極體非織造過濾材料的應(yīng)用特點(diǎn)

普通空氣過濾材料性能測試的最主要指標(biāo)是：過濾效率、壓力損失和最大容塵量。這些指標(biāo)也是所有空氣過濾材料必須遵循的基本指標(biāo)。但對于具有特定過濾性能的空氣濾材來說,其性能測試指標(biāo)應(yīng)該考慮其特殊的性能。比如，駐極體空氣過濾材料產(chǎn)生的靜電力對過濾材料性能的影響及后果等。因此，駐極體非織造過濾材料其靜電性對其過濾性能產(chǎn)生的影響帶來如下特點(diǎn)。

3.1 過濾效率與壓力損失

過濾材料的過濾性能很大程度上決定于濾料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。普通的空氣過濾材料僅僅依靠機(jī)械作用進(jìn)行過濾，因此只有當(dāng)過濾材料處于夯實(shí)狀態(tài)，而非常細(xì)密狀態(tài)時(shí)，才能高效地捕獲細(xì)微粉塵，過濾效率提高。但這樣將極大地增加流阻。對于普通過濾材料很難做到高效低阻。而駐極體空氣濾材的過濾效率一般較高,尤其是壓降損失很小，這可減少過濾器的能耗,增大過濾速度,延長濾材的使用壽命,降低過濾器的使用及運(yùn)行費(fèi)用。這主要由于駐極纖維過濾材料利用了靜電捕集,其捕集效率比普通纖維過濾材料的捕集效率要高得多,但過濾材料結(jié)構(gòu)密度較低，表現(xiàn)出低阻力。尤其是對于亞微細(xì)數(shù)量級的粒子,捕集效果更為顯著。許多學(xué)者的研究結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)[3-5]，例如某熔噴聚丙烯材料的過濾效率可由未駐極時(shí)的58.1%提高到駐極后的93.8%[7]。

采用駐極體材料的空氣過濾器的醫(yī)院病房凈化效率明顯高于采用普通過濾材料的空氣過濾器的醫(yī)院病房[6]。

駐極過濾材料與普通過濾材料具有同樣的過濾效率時(shí)，其駐極過濾材料的阻力比普通過濾材料顯著降低。例如，在同等過濾效率條件下，某高效玻纖過濾器與駐極體過濾器的氣流阻力分別為118.6 Pa和10.8 Pa[8]。

3.2 容塵量和使用壽命

容塵量是過濾材料的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。容塵量越大，濾料的使用壽命越長。與傳統(tǒng)的空氣過濾材料相比，駐極體空氣過濾材料的容塵量大，使用壽命長。

3.3 過濾速率

有報(bào)道稱，過濾速率對駐極熔噴/紡粘復(fù)合駐極體過濾材料的靜電效應(yīng)至關(guān)重要。隨著過濾比速的增大，使得微粒運(yùn)動速度加快，纖維帶上的電荷對微塵顆粒所產(chǎn)生的靜電吸附力相對減弱，造成過濾性能降低。所以，駐極體空氣濾材若要保持較高的過濾效率，它的過濾速率一般都不大。目前對于高效駐極體空氣濾材，使用濾速以2.5～3 cm/s為主[9]，對于中效駐極體空氣濾材而言，它的過濾速率比高效駐極體空氣濾材的要大許多。因此，對于駐極體空氣過濾材料在使用時(shí)必須要選擇合適的過濾風(fēng)速才能達(dá)到更好的效果。

3.4 靜電性能

駐極體空氣過濾材料所帶靜電荷的多少以及靜電荷的穩(wěn)定性對過濾性能產(chǎn)生很大影響。靜電荷衰減是駐極體空氣濾材靜電性能不穩(wěn)定性的因素之一。其電荷儲存的穩(wěn)定性以及靜電荷的多少主要取決于駐極方法、材料、電荷分布狀態(tài)、加工條件等。

3.4.1駐極方法

空氣過濾材料使其駐極化的方法有很多，主要有電暈放電、摩擦起電、靜電紡絲、熱極化和低能電子束轟擊。

空氣過濾材料的駐極方法不同導(dǎo)致了所形成的駐極體的性質(zhì)亦不大相同。不同的駐極方法對過濾材料的單位面積上電荷量以及電荷埋藏的深度有所不同。就過濾性能而言，駐極體過濾材料各處的電荷密度均勻性越好，電荷埋藏的深度一致性越好，越有利于其過濾性能。

目前，電暈放電法是最佳的靜電駐極方法。該駐極方法可有效地控制樣品電荷密度及其橫向均勻性，并且設(shè)備簡單，操作方便。

3.4.2過濾材料的厚度

當(dāng)駐極空氣過濾材料較薄時(shí)，靜電吸附機(jī)理是主要的。隨著過濾材料厚度的增加，機(jī)械阻擋機(jī)理的作用增強(qiáng)，直至兩種機(jī)理變得同樣重要。因此駐極體非織造空氣過濾材料的厚度對其靜電吸附塵粒影響較大。

3.4.3加工條件

有資料表明，空氣過濾材料的處理?xiàng)l件對其電荷的穩(wěn)定性起到很大影響。如，熱處理的溫度對PP非織造布所產(chǎn)生電荷的穩(wěn)定程度影響不同。經(jīng)高溫充電后正負(fù)極性PP非織造過濾材料駐極體的電荷穩(wěn)定性都比常溫充電樣品有了明顯提高[10]。相對于恒壓電暈充電,恒流電暈充電的PP非織造布雖然電荷穩(wěn)定性降低,但體內(nèi)沉積了更高的電荷密度,從而可能有效地改善用作過濾材料的PP非織造布的過濾效率[11]。

控制空氣過濾材料駐極時(shí)的條件可以產(chǎn)生不同的表面電位。研究人員將聚丙烯熔噴纖維空氣過濾材料采用電暈充電方法對其進(jìn)行駐極，得出充電電壓越高越好，但充電電壓超過一定極限便會出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象，材料被擊穿，因此，為使材料獲得良好的充電效果，需要選擇合適的充電電壓。充電距離以及充電時(shí)間對表面點(diǎn)位的影響規(guī)律與充電電壓的影響類似。為使過濾材料獲得較高的表面電位，必須選擇合適的充電電壓、充電距離和充電時(shí)間[12]。

3.4.4駐極的方向

駐極的方向?qū)諝膺^濾材料的電荷穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響。駐極體非織造布按照極性的方向分為兩類。第一類傳統(tǒng)方向，其極性沿厚度方向隨機(jī)分布，沒有特定的方向，隨著時(shí)間的推移極化電場容易消失，靜電效應(yīng)顯著下降，過濾材料過濾性能受到影響。第二類，沿厚度方向定向極化，可在分布的周圍產(chǎn)生較高的電場，比傳統(tǒng)的駐極體非織造布具有更好的電荷保存性，吸附性能也優(yōu)于傳統(tǒng)的駐極非織造布。日本某公司推出的新型駐極體非織造過濾材料就是采用了電極精確定向技術(shù)，該材料的電荷保持時(shí)間較長，靜電場較強(qiáng)，靜電吸附效果較好[13]。

3.4.5表面靜電荷勢值

駐極體空氣濾材的表面電荷均勻分布有利于其過濾效率的穩(wěn)定，即要求過濾材料的表面靜電勢值差要小。如對國內(nèi)某熔噴駐極體空氣過濾材料的靜電勢進(jìn)行測試，測點(diǎn)間距為3 cm,一列測點(diǎn)為7個(gè)，共測試了35個(gè)點(diǎn)的靜電勢值，結(jié)果如表1所示。

表1 熔噴駐極體空氣過濾材料的靜電勢測試值

從表1中可看出，熔噴駐極體空氣過濾材料靜電勢最大差值為340，它等于最高靜電勢的絕對值?？梢钥闯鲈擇v極體空氣濾材表面靜電勢的均勻性比較差。駐極體空氣濾材的靜電勢多高才能使其過濾性能最佳，目前還處在研究階段。同時(shí)，靜電勢的高低與其濾材的生產(chǎn)和駐極工藝有關(guān)。不過就現(xiàn)在的生產(chǎn)技術(shù)水平和靜電過濾機(jī)理來看，駐極體空氣濾材的靜電勢高一些為好，這樣可以提高其過濾性能。這一結(jié)論可以從表2[14-15]中看出。

3.4.6駐極所使用的材料

好的駐極體空氣過濾材料對靜電駐極材料的選擇也有要求。這些材料都具有優(yōu)異的介電性能，如高體電阻和表面電阻，高介電擊穿強(qiáng)度、低吸濕性和透氣率等。用作駐極體空氣過濾材料很多，主要以高聚物為主的有機(jī)駐極體材料，如非極性材料：聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟乙烯；聚四氟乙烯共聚物等；極性材料或弱極性材料：聚三氟乙烯、聚丙烯(共混)及聚酯等[16]。

表2 駐極體空氣過濾材料的靜電勢及性能

從電荷的保持和穩(wěn)定性的角度來看,駐極纖維的原料大多采用聚丙烯或者聚丙烯共聚物,也有部分采用聚碳酸酯。有報(bào)道稱駐極體空氣過濾材料采用聚碳酸酯和聚氨酯，它們在靜電紡絲過程中保留電荷，其初始過濾效率都很高，但容塵后其過濾效率下降[17]。

近年來報(bào)道，由降冰片和乙烯單體經(jīng)催化共聚形成的環(huán)烯共聚物COC(Cycoolefin Copoplymer)是一種典型的完全非晶態(tài)非極性的駐極體材料。因其具有優(yōu)異的力學(xué)特性及突出的儲電能力和疏水特性，用作駐極體空氣過濾材料其過濾性能將明顯地優(yōu)于傳統(tǒng)駐極體纖維濾材[18]。

3.4.7使用濕度

駐極體過濾材料對濕度有著很高的穩(wěn)定性，即使在飽和蒸汽態(tài)下其過濾性能也幾乎不發(fā)生改變。但根據(jù)過濾機(jī)理，駐極體空氣濾材不宜在高濕度環(huán)境中長期使用[19]。

3.5 使用溫度

駐極體空氣濾材在溫度變化情況下的過濾效率如表3所示，在溫度高的環(huán)境中使用,其過濾效率有所下降。綜合來看，駐極體空氣濾材在常溫環(huán)境中使用可長時(shí)間保持良好的過濾性能。即使在100℃飽和蒸汽狀態(tài)下，其過濾性能也幾乎不發(fā)生改變。但是，駐極體過濾材料的使用最高工作溫度不宜高于100℃，最低工作溫度也不能過低。

3.6 抗病菌性

駐極體空氣過濾材料不僅過濾性能優(yōu)良，而且可以抑制細(xì)菌繁殖，殺滅細(xì)菌。其抗菌機(jī)理是依靠駐極體材料所產(chǎn)生的強(qiáng)靜電場和微電子流來抑制或殺滅細(xì)菌，使其蛋白質(zhì)和核酸變異損傷，破壞細(xì)菌的表面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。最新研究結(jié)果表明：-500～-1500V駐極體作用于金黃色葡萄球菌24 h后，對該菌有90%以上的殺滅率，滅菌效果隨駐極體的表面電位升高而增加[20]。因此，用駐極體空氣過濾材料可以制作無菌室濾布、抗菌防塵口罩和防SARS醫(yī)用隔離服等，不僅可以用于醫(yī)院病房、旅館酒店、家庭和公共場所，而且可以擴(kuò)展到航天、航空、密閉倉及坑道作業(yè)環(huán)境中[21]。

表3 駐極體空氣過濾材料過濾性能的穩(wěn)定性

注：1#樣品20 g/m2;2#樣品50 g/m2。測定風(fēng)速為1.5 m/min。

4 結(jié)語

駐極體空氣過濾材料能有效改善環(huán)境空氣品質(zhì), 降低空氣中細(xì)菌、粉塵濃度, 是理想的過濾材料。隨駐極理論研究和技術(shù)不斷進(jìn)步，駐極纖維生產(chǎn)成本降低，價(jià)格趨于合理化，在環(huán)境凈化方面的開發(fā)應(yīng)用一定具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]I Krueinska.The influence of technological parameters on the filltartion effieieney of electret needled non-woven fabrics[J].Jounral of Electrostatics，2002，(56):143—153.

[2]夏鐘福.駐極體[M].北京：科學(xué)出版社,2001.

[3]Tanthapanichakoon W,Maneeintr K,Charinpanitkul T.Estimation of: collection eciency enhancement factor for an electret fiber with dust load[J].Aerosol Science，2003,(34):1505—1522.

[4]Ciach T,Gradon L.Highly efficient filtering materials[J].J Aerosol Sci, 1996,(27):613—614.

[5]Sae-lim W,Tanthapanichakoon W,Kanaoka C.Correlation for the efficiency enhancement factor of a single electret fiber[J].Aerosol Science，2006,(37):228—240.

[6]Myers DL,Arnold BD.Mechano electret filtration media synergy of structure and electrostatic charge[J].Filtration&Separation,2003,(7): 24—27.

[7]殷平.駐極體靜電過濾器及其應(yīng)用[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào).1999,(3):20—21.

[8]黃翔,顧群,吳生.聚合物駐極體過濾材料(器)在空調(diào)中的應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2003,(4):38～42.

[9]許鐘麟.空氣潔凈技術(shù)原理(第3版)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[10]冀忠寶,夏鐘福,沈莉莉,安振連.電暈充電的聚丙烯無紡布空氣過濾膜的電荷儲存及穩(wěn)定性.物理學(xué)報(bào)[J].2005,(8):3799—3803.

[11]冀忠寶,夏鐘福,沈莉莉,朱建偉.極化方法對聚丙烯無紡布電荷儲存能力的影響儀器[J].儀表學(xué)報(bào)，2005,8(26):910—911.

[12]田 濤,吳金輝,郝麗梅,林松,楊荊泉.聚丙烯纖維駐極體濾材的儲電性能[J].紡織學(xué)報(bào).2001,(6): 125—128.

[13]張虹. 熔噴非織造布的靜電充電[J]. 非織造布.1996,(2):14—17.

[14]Peter P. Tsai.非織造布駐極濾料靜電施加技術(shù)比較[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品. 2000,(18):39—41.

[15]Peter P.Tsai, Heidi Schrecuder-Gibson, Phillip Gibson. Different electrostatic methods for making electret filters[J]. Journal of Electrostatics, 2003,(54):333—341.

[16]黃翔,顧群,吳生.聚合物駐極體空氣過濾材料器在暖通空調(diào)中的應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù). 2003，40(5):38—42.

[17]Peter P. Tsai,Heidi Schrecuder-Gibsom,Phillip Gibson.Different electrostatic methods for making electret filters[J]. Journal of Electrostatics,2003,(54):333—341.

[18]夏鐘福.聚合物駐極體氣體和空氣濾材在環(huán)境凈化工程中的應(yīng)用研究與進(jìn)展.材料導(dǎo)報(bào),2001，15(8):57—58.

[19]李亞濱,錢曉明.駐極纖維過濾材料的研究[J].天津紡織工學(xué)院報(bào).2000,19(2): 77—79.

[20]崔黎麗,江健,王振中等.駐極體對金黃色葡萄球菌抑菌作用的觀察[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志.1997，14(4):199—200.

[21]張維，劉偉偉，崔淑玲.駐極纖維的研究進(jìn)展[J].山東紡織科技，2009，50(3)：52—54.