針刺非織造過濾材料駐極處理研究*

臧傳鋒 任 煜 王輝生

(南通大學(xué)，南通，226019)

由于我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的廢氣、煙塵，加劇了大氣污染，霧霾天氣產(chǎn)生的頻率越來越高，范圍越來越大，幾乎覆蓋了我國(guó)大部分區(qū)域［1-2］。大氣中直徑小于 2.5 μm 的顆粒污染物(PM2.5)吸入體內(nèi)后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎、塵肺和心血管病等疾病，對(duì)人們的身體健康造成了巨大危害，已引起世界各國(guó)的嚴(yán)重關(guān)注［3-6］。駐極體過濾材料利用機(jī)械阻隔和靜電吸附雙重機(jī)制捕獲微細(xì)顆粒物，相對(duì)于單純靠機(jī)械阻隔來過濾微細(xì)顆粒物的普通過濾材料，具有更高的過濾效率［7-9］。

本文以滌綸針刺過濾氈為原料，通過駐極處理，制備了一種針刺高效精細(xì)過濾材料，通過改變駐極處理的工藝參數(shù)(駐極電壓、極間距、駐極次數(shù))，探索了駐極體滌綸針刺非織造材料較優(yōu)的駐極處理工藝，以及放置時(shí)間對(duì)駐極效果的影響，分析了滌綸針刺非織造過濾材料駐極處理前后過濾性能的變化。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

滌綸針刺非織造過濾材料(以下簡(jiǎn)稱濾料)，面密度618 g/m2，厚度3.06 mm，南通新綠葉非織造布有限公司提供。

1.2 駐極處理

把高壓直流電源兩極的高壓分別與正、負(fù)極板連接，由于放電針尖端的曲率半徑很小，當(dāng)電壓上升到一定值，放電針尖端附近電流很強(qiáng)時(shí)，空氣將局部發(fā)生強(qiáng)烈的電離和激發(fā)，但電極間并未擊穿，放電針尖端產(chǎn)生電暈放電，這時(shí)將試樣以一定速度勻速通過放電針與負(fù)極板間的放電區(qū)完成駐極［10］。圖1為駐極裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 表面靜電勢(shì)

采用DZ4表面靜電電位計(jì)(日本電子株式會(huì)社)測(cè)定表面電位。將靜電電位計(jì)的探頭放置在離濾料2 mm的上方，當(dāng)紅外光點(diǎn)顯示為正方形時(shí)，保持不動(dòng)，讀數(shù)，從而獲得濾料一點(diǎn)靜電勢(shì)的數(shù)據(jù)，如此反復(fù)，測(cè)得不同位置點(diǎn)靜電勢(shì)的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得出平均靜電勢(shì)。

圖1 駐極裝置結(jié)構(gòu)示意

1.3.2 過濾性能

用美國(guó)的TSI 8130自動(dòng)濾料測(cè)試儀測(cè)試。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB19083—2003《醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求》，分別對(duì)駐極處理前后的濾料進(jìn)行過濾阻力和過濾效率的測(cè)試，探究流速-過濾阻力的關(guān)系以及粒子直徑對(duì)過濾效率的影響。測(cè)試條件：測(cè)試面積176.6 cm2，溫度12.6℃，濕度54.5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 駐極工藝優(yōu)化

2.1.1 水洗次數(shù)對(duì)駐極濾料表面靜電勢(shì)的影響

采用浴比1∶30，水浴溫度100℃對(duì)濾料進(jìn)行水洗。水洗時(shí)間1 h/次，每次洗完換水，分別水洗0～7次，烘干，室溫下靜置冷卻12 h。對(duì)各濾料進(jìn)行駐極處理后，5 mim內(nèi)進(jìn)行表面靜電勢(shì)測(cè)定。水洗次數(shù)與駐極處理后濾料表面的靜電勢(shì)關(guān)系曲線見圖2。

圖2 水洗次數(shù)與表面靜電勢(shì)的關(guān)系曲線

由圖2可以看出：未經(jīng)水洗的濾料經(jīng)駐極處理后，表面靜電勢(shì)為0;隨著水洗次數(shù)的增加，駐極處理后濾料表面的靜電勢(shì)先增加后保持穩(wěn)定。這是由于在紡絲后加工過程中，纖維經(jīng)上油工序，表面覆蓋抗靜電劑，使電荷無法積聚，故未經(jīng)水洗的濾料在駐極后其表面靜電勢(shì)為0;而當(dāng)濾料水洗次數(shù)達(dá)到5次時(shí)，纖維表面的抗靜電劑已基本清洗干凈，故駐極后濾料表面的靜電勢(shì)保持穩(wěn)定。

2.1.2 駐極間距對(duì)駐極濾料表面靜電勢(shì)的影響

濾料經(jīng)5次水洗后，進(jìn)行駐極處理。駐極電壓25 kV，駐極次數(shù)1次，改變駐極間距，分別為35、45、55、65和75 mm。駐極后5 mim內(nèi)進(jìn)行表面靜電勢(shì)測(cè)定。駐極間距與表面靜電勢(shì)的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 駐極間距與表面靜電勢(shì)的關(guān)系曲線

由圖3可知，隨著駐極間距的增加，濾料表面的靜電勢(shì)先增加后減小。在駐極間距為35 mm時(shí)，濾料表面的靜電勢(shì)最小，這是是因?yàn)殚g距過小，濾料部分被擊穿所致。當(dāng)駐極間距超過45 mm后，隨駐極間距的增加，極化電場(chǎng)變?nèi)?，極化電荷減少，捕獲在樣品表面的電荷也減少，導(dǎo)致駐極后濾料的表面靜電勢(shì)變小。駐極間距為45 mm時(shí)，剛好處于極化電場(chǎng)強(qiáng)，但尚未達(dá)到擊穿的強(qiáng)度，因而濾料表面的靜電勢(shì)高，有很好的駐極效果。

2.1.3 駐極電壓對(duì)駐極濾料表面靜電勢(shì)的影響

濾料經(jīng)5次水洗后，控制駐極間距45 mm，駐極次數(shù)1次，改變駐極電壓，分別為15、20、25和30 kV。駐極電壓與表面靜電勢(shì)的關(guān)系曲線見圖4。

由圖4可知，隨著駐極電壓的增加，駐極濾料的表面靜電勢(shì)先增加后減小。當(dāng)駐極電壓達(dá)到25 kV時(shí)，駐極濾料的表面靜電勢(shì)達(dá)到最大值。這是由于隨駐極電壓的增加，極化電場(chǎng)增強(qiáng)，捕獲在樣品表面的電荷越多，表面電位就越大。但當(dāng)駐極電壓超過25 kV后，隨著電壓增大，部分介質(zhì)被擊穿，表面電荷慢慢減少，導(dǎo)致駐極濾料表面靜電勢(shì)減小。

圖4 駐極電壓與表面靜電勢(shì)的關(guān)系曲線

2.1.4 駐極次數(shù)對(duì)駐極濾料表面靜電勢(shì)的影響

濾料經(jīng)5次水洗后，當(dāng)駐極間距45 mm，駐極電壓25 kV時(shí)，改變對(duì)濾料的駐極次數(shù)。駐極次數(shù)與表面靜電勢(shì)的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 駐極次數(shù)與表面靜電勢(shì)的關(guān)系曲線

由圖5可知，隨著駐極次數(shù)的增加，駐極濾料表面的靜電勢(shì)先增加后減少。駐極次數(shù)增加即駐極時(shí)間增長(zhǎng)，越來越多空間的電荷經(jīng)外加電場(chǎng)的作用，沉積到介質(zhì)表面或注入到介質(zhì)表層一定深度，被介質(zhì)表面或內(nèi)部的各種陷阱捕獲，導(dǎo)致駐極濾料表面的靜電位升高［11］。隨著駐極時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，部分介質(zhì)表面電荷被擊穿，導(dǎo)致駐極處理濾料的表面靜電荷減少。

2.2 表面靜電勢(shì)的耗損分析

濾料經(jīng)5次水洗后，駐極間距45 mm，駐極次數(shù)1次，駐極電壓分別為15、20、25和30 kV，駐極后濾料密封保存 12、24、36、48、72 和 96 h，分別測(cè)試各個(gè)時(shí)間段表面靜電勢(shì)的平均值，結(jié)果見圖6。

駐極濾料中的電荷主要分為空間電荷和極化電荷。由圖6可知：在最初的12 h內(nèi)，曲線的斜率最大，駐極濾料表面靜電勢(shì)的下降速度最快;當(dāng)存放時(shí)間超過24 h時(shí)，曲線的斜率明顯減小，表面靜電勢(shì)下降速度變緩;當(dāng)放置時(shí)間達(dá)96 h時(shí)，濾料的表面靜電勢(shì)下降到最初的12%左右。由此可見，濾料儲(chǔ)存電量的能力還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖6 放置時(shí)間與表面靜電勢(shì)損耗的關(guān)系曲線

2.3 過濾性能分析

濾料經(jīng)5次水洗后，在駐極電壓25 kV、駐極間距45 mm的條件下進(jìn)行3次駐極處理，駐極后濾料密封保存72 h，與未經(jīng)駐極處理的濾料一起進(jìn)行過濾性能測(cè)試。

2.3.1 駐極前后濾料阻力的變化

將駐極處理前后的濾料分別在流量為1.70、2.59、3.39、4.39、6.18 和9.17 m3/h 下進(jìn)行過濾阻力測(cè)試。氣流速度與過濾阻力的關(guān)系曲線見圖7。

圖7 氣流速度與過濾阻力的關(guān)系曲線

由圖7可知，隨著氣流速度的不斷增加，濾料的阻力隨之增大。這是由于隨著流速增大，氣流量增加，雖然濾料對(duì)顆粒物的篩分作用和靜電作用不受影響，但擴(kuò)散效應(yīng)和重力沉降作用下降，導(dǎo)致過濾阻力增加。由圖7還可以看出，未經(jīng)駐極處理濾料的阻力大于經(jīng)駐極處理濾料的阻力。這是由于駐極處理后濾料中的纖維因靜電排斥作用擴(kuò)散成網(wǎng)狀空洞，使濾料中纖維間的空隙變大，透氣率增大，對(duì)氣流的阻力減?。?0］。

2.3.2 駐極前后濾料過濾效率的變化

將駐極處理前后的濾料分別用直徑為0.2、0.23、0.43、0.74、1.39、1.73、2.15、2.66、3.29 和4.59 μm的粒子，在測(cè)試風(fēng)量為3.4 m3/h(相當(dāng)于風(fēng)速5.33 cm/s)條件下，測(cè)試其過濾效率。粒徑與過濾效率的關(guān)系曲線見圖8。

圖8 粒徑與過濾效率的關(guān)系曲線

由圖8可以看出，在相同的粒徑下，經(jīng)駐極處理濾料的過濾效率高于未經(jīng)駐極處理濾料的過濾效率。非織造過濾材料捕集微粒的效應(yīng)主要有攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、重力效應(yīng)和靜電效應(yīng)。未經(jīng)駐極處理的濾料沒有靜電效應(yīng)，而經(jīng)駐極處理的濾料因駐極帶上靜電荷，具有靜電效應(yīng)，所以過濾效率較高。當(dāng)粒徑為4.59 μm時(shí)，未經(jīng)駐極處理濾料的過濾效率為90%，而經(jīng)駐極處理濾料的過濾效率已達(dá)到100%。

3 結(jié)論

通過對(duì)滌綸針刺非織造過濾材料駐極處理后表面靜電勢(shì)及其損耗，以及對(duì)濾料駐極前后過濾性能的測(cè)試分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)滌綸針刺非織造過濾材料進(jìn)行高溫水洗處理，能有效去除纖維紡絲后加工過程中添加的抗靜電劑，可以獲得更好的駐極效果。

(2)滌綸針刺非織造過濾材料最優(yōu)的駐極工藝參數(shù)為駐極電壓25 kV，駐極間距45 mm，駐極次數(shù)3次。

(3)經(jīng)駐極處理的滌綸針刺非織造過濾材料的過濾阻力比未經(jīng)駐極處理的濾料小，過濾效率比未經(jīng)駐極處理的濾料更高。駐極處理可以使濾料獲得低阻高效的良好效果。

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