駐極處理對(duì)聚乳酸熔噴材料性能的影響

任 煜， 李 猛， 尤祥銀

(1. 南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226007； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620；3. 南通麗洋新材料開發(fā)有限公司，江蘇 南通 226007)

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駐極處理對(duì)聚乳酸熔噴材料性能的影響

任 煜1， 李 猛2， 尤祥銀3

(1. 南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226007； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620；3. 南通麗洋新材料開發(fā)有限公司，江蘇 南通 226007)

采用生物可降解性聚乳酸(PLA)為原料，采用熔噴工藝開發(fā)了一種高性能過濾材料，并利用外置式電暈放電技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行駐極處理。分析了駐極過程中電暈放電電壓、時(shí)間以及電極之間距離等工藝參數(shù)對(duì)材料表面電位、透氣性及過濾性能的影響。采用掃描電子顯微鏡觀察了駐極處理后PLA熔噴材料表面形貌結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明：駐極后PLA熔噴材料表面粗糙度增加；材料在駐極電壓增加過程中出現(xiàn)反極性充電現(xiàn)象。隨著駐極電壓和時(shí)間的增加，材料表面靜電電位逐漸增加，然后又呈現(xiàn)下降的趨勢。駐極處理后材料的透氣性略有提高，過濾效率顯著提高。

PLA； 熔噴非織造材料； 駐極； 電暈放電； 過濾性能

纖維過濾材料具有過濾效率高、壓力降低小的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為空氣凈化的最主要方法。但是，對(duì)于普通的過濾材料來說，過濾材料和粒子之間的靜電吸附作用很弱，機(jī)械阻擋起主要作用，對(duì)微小顆粒物的過濾不夠徹底，尤其當(dāng)顆粒物直徑小于1 μm 時(shí)，機(jī)械沉積作用下降，不能獲得很好的過濾效果。而且過濾材料的表面容易產(chǎn)生有害的微生物，可能會(huì)對(duì)過濾的空氣產(chǎn)生再次污染，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到凈化空氣的作用[1-2]。

靜電力在纖維過濾材料中的應(yīng)用對(duì)提高過濾效率具有顯著優(yōu)勢。駐極體氣體過濾器中纖維材料本身帶電，通過庫倫力作用捕獲帶電粉塵。其纖維以低密度形成疏松和開放式結(jié)構(gòu)，過濾阻力降低。在功效相同時(shí)，其流阻僅是機(jī)械型過濾器的10%左右[3-5]。常用作駐極材料的聚丙烯纖維原料來自石油資源，不可實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，故需要尋找一種可代替聚丙烯的纖維，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。聚乳酸(PLA)從玉米等谷物中獲得，是一種生物降解性材料。其廢棄后經(jīng)微生物作用可分解為二氧化碳和水，且焚燒時(shí)，不會(huì)散發(fā)出毒氣，不會(huì)造成大氣污染[6]。

目前國內(nèi)外對(duì)熔噴PLA非織造材料進(jìn)行駐極處理的研究報(bào)道非常少。本文采用熔噴工藝開發(fā)一種PLA高性能過濾材料，并利用電暈放電技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行駐極處理。通過改變駐極處理工藝參數(shù)，來分析討論處理后材料的表面電位、透氣性及過濾性能的變化。開發(fā)的生物可降解PLA高效駐極過濾材料，對(duì)于開發(fā)節(jié)能環(huán)保的高效過濾材料具有重大的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

6252D聚乳酸母粒，美國Natureworks公司生產(chǎn)，密度為1.24 g/cm3，熔體流動(dòng)速率為70～80 g/10 min。

ROC-MB300型熔噴機(jī)，南通麗洋新材料開發(fā)有限公司和南通大學(xué)聯(lián)合開發(fā)；DZ4型靜電電位計(jì)，日本西西帝株式會(huì)社；YG(B)461E型數(shù)字式織物透氣性能測試儀，溫州大榮紡織儀器廠；LZC-H型過濾效率測試儀，蘇州華達(dá)儀器設(shè)備有限公司；KYKY2800型掃描電子顯微鏡，中科院科學(xué)儀器發(fā)展有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

熔噴材料生產(chǎn)流程：聚乳酸母?！婵崭稍铩廴跀D壓→過濾→計(jì)量→噴絲板擠出→冷卻成形→卷繞→熔噴材料成品。

駐極處理：采用外置式電暈充電方法對(duì)聚乳酸熔噴非織造材料進(jìn)行駐極處理。處理時(shí)，先將安裝多針電極的上極板和下極板對(duì)準(zhǔn)，然后將PLA熔噴非織造材料平鋪在下極板上。打開高壓靜電發(fā)生器，電極針尖附近的空氣產(chǎn)生局部電暈放電，使試樣帶上電荷。電暈駐極處理裝置如圖1所示。

圖1 電暈駐極處理裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of corona discharge for electret apparatus

1.3 測試方法

表面電位：采用DZ4型靜電電位計(jì)測試試樣表面的靜電位。探頭距試樣的垂直距離約為30 mm。

透氣性：采用YG(B)461E型數(shù)字式織物透氣性能測試儀，參照GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》，試樣的兩面設(shè)定壓差為100 Pa。

過濾效率：采用LZC-H型過濾效率測試儀，通過測定被捕捉的微粒量與原空氣含微粒量百分比測試材料的過濾性能。

微觀形態(tài)：采用KYKY2800型掃描電子顯微鏡觀察聚乳酸熔噴非織造過濾材料內(nèi)纖維表面形貌。將試樣經(jīng)噴金處理后放入樣品室掃描觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 駐極電壓的影響

圖2示出駐極電壓增大過程中聚乳酸熔噴材料表面電位變化情況?？煽闯觯弘m然電暈充電時(shí)施加的電壓極性理論上與駐極體表面電位的極性應(yīng)該是相同的，但是當(dāng)施加的電壓在0～10 kV這個(gè)區(qū)間時(shí)，駐極聚乳酸熔噴材料表面出現(xiàn)了與所加高壓極性相反的電位。在接近10 kV及以后，則恢復(fù)正電位，產(chǎn)生了一種反極性充電現(xiàn)象。在外加電場作用下，聚合物可以得到同極性的電荷注入，也可以得到反極性的電荷注入。在電暈放電過程中，電子或其他帶電粒子在電場的作用下通過平板電極與聚合物材料之間的間隙由前者向后者的方向運(yùn)動(dòng)，形成與強(qiáng)場注入極性相反的電荷注入，出現(xiàn)反極性充電現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象在周遠(yuǎn)翔等[7-8]的研究中也被發(fā)現(xiàn)。 在駐極電壓大于10 kV時(shí)，隨著駐極電壓的增大，材料表面電位增加。在駐極電壓為15 kV時(shí)，材料表面電位達(dá)到最大值，這時(shí)若繼續(xù)增大電壓，表面電位下降，這是由于材料局部被過大的駐極電壓擊穿，無法繼續(xù)保留高密度的電荷，導(dǎo)致材料整體表面電位的下降。

注：駐極時(shí)間2 s,駐極隔距45 mm。圖2 電暈放電電壓對(duì)PLA熔噴非織造 材料表面電位的影響Fig.2 Influence of corona discharge voltage on surface voltage of PLA melt-blown nonwoven material

圖3示出PLA熔噴非織造材料經(jīng)駐極處理后的透氣率變化情況?？煽闯觯琍LA熔噴非織造材料的透氣率略有提高，但提升幅度并不明顯。材料通過駐極處理，其表面與近表面會(huì)積聚大量的同種電荷，由于同種電荷之間是相互排斥的，這就導(dǎo)致纖維之間相互排斥移動(dòng)，使材料形成開放型結(jié)構(gòu)，增大了材料的透氣量。但是由于PLA熔噴材料的三維結(jié)構(gòu)并沒有因?yàn)轳v極過程而發(fā)生根本性改變，故對(duì)材料的透氣性影響很小，材料的透氣性只是略有改善。

注：駐極時(shí)間 2 s，駐極隔距 45 mm。圖3 駐極處理后PLA熔噴非織造材料的透氣率Fig.3 Air permeability of PLA melt-blown nonwoven material after corona discharge

2.2 駐極隔距的影響

圖4示出電暈放電處理隔距對(duì)PLA熔噴非織造材料表面電位的影響規(guī)律?？煽闯觯S著駐極隔距的增大，PLA熔噴非織造材料表面電位會(huì)降低。在35～55 mm這個(gè)距離區(qū)間內(nèi)，材料的表面電位變化很小，這可能是由于PLA 材料的可駐極性比較強(qiáng)，在35～55 mm這個(gè)區(qū)間內(nèi)，PLA 材料都可以很好地進(jìn)行駐極。外置式電暈放電駐極產(chǎn)生的電場分布是由上至下逐漸減弱[9]，當(dāng)上下電極的距離增加時(shí)，在空氣中流失的電場粒子增多，試樣捕獲的電場粒子減少[10]。因此，隨著電極與被處理材料之間距離的增加，材料表面捕獲的電場粒子減少，其表面電位相應(yīng)地也會(huì)減少。

注：駐極電壓15 kV，駐極時(shí)間2 s。圖4 電暈放電處理隔距對(duì)PLA熔噴非織 造材料表面電位的影響Fig.4 Influence of corona discharge distance on surface voltage of PLA melt-blown nonwoven material

2.3 電暈放電時(shí)間的影響

圖5示出駐極過程中電暈放電時(shí)間對(duì)PLA熔噴非織造材料表面靜電位的影響規(guī)律?？煽闯?，隨著電暈放電時(shí)間的增加，PLA材料表面的電位增加，但隨著時(shí)間進(jìn)一步增加，材料表面電位反而有所下降。這是由于在剛開始駐極的時(shí)候，隨著駐極時(shí)間的增加，材料表面的電荷密度隨著也增加，故測得的材料表面電位上升。但隨著駐極時(shí)間的進(jìn)一步增加，材料表面的電荷密度已很高，針尖下方高密度電荷將會(huì)向低密度的地方轉(zhuǎn)移，此時(shí)該處測得的表面電位會(huì)略有下降。因此，駐極時(shí)間再增加時(shí)，材料的表面靜電荷略有減少。

注：駐極電壓15 kV，駐極隔距35 mm。圖5 電暈放電時(shí)間對(duì)PLA熔噴非織造材料 表面電位的影響Fig.5 Influence of corona discharge time on surface voltage of PLA melt-blown nonwoven material

2.4 過濾效率分析

圖6示出PLA熔噴非織造材料經(jīng)駐極處理前后過濾性能的變化。可看出，隨著顆粒物直徑的減小，PLA熔噴非織造材料的過濾效率顯著下降。PLA熔噴非織造材料對(duì)大粒徑粒子的過濾效率較高，未經(jīng)駐極處理的PLA熔噴非織造材料對(duì)10 μm以上顆粒的過濾效率達(dá)到100%，而對(duì)小粒徑顆粒的過濾效率較差，對(duì)3 μm粒徑顆粒過濾效率為64.9%，對(duì)0.3 μm 顆粒過濾效率僅為20.5%。PLA熔噴非織造材料經(jīng)電暈放電駐極處理后，其過濾性能顯著提高，尤其是對(duì)于較小粒徑顆粒的過濾效率改善更加明顯。且隨著駐極電壓的增加，駐極材料的過濾效率進(jìn)一步增大。在駐極電壓為15 kV時(shí)，過濾效率達(dá)到最高。這是因?yàn)樵诖藭r(shí)PLA熔噴非織造材料的表面電位達(dá)到最大值。當(dāng)駐極電壓為15 kV時(shí)，對(duì)于粒徑為1 μm的微粒，駐極PLA熔噴非織造材料的過濾效率達(dá)到100%；對(duì)于粒徑為0.3 μm的微粒，駐極PLA熔噴非織造材料的過濾效率達(dá)到89.8%。 在不影響透氣性能的前提下，駐極PLA熔噴非織造材料對(duì)空氣中直徑≤2.5 μm的微細(xì)顆粒物(PM2.5)有良好的過濾效果，對(duì)環(huán)境和人體健康可以起到很好的保護(hù)作用。

注：駐極隔距45 mm，駐極時(shí)間2 s。圖6 電暈放電電壓對(duì)PLA熔噴非織造材料過濾效率的影響Fig.6 Influence of corona discharge voltage on filtration efficiency of PLA melt-blown nonwoven materials

2.5 微觀形態(tài)分析

注：駐極時(shí)間2 s，駐極隔距45 mm。圖7 不同駐極電壓下PLA熔噴非織造材料 的結(jié)構(gòu)變化(×2 000)Fig.7 SEM images of PLA nonwovens fabrics under different corona discharge voltages (×2 000). (a) Control; (b) 5 kV; (c) 10 kV; (d) 15 kV

圖7示出電暈放電處理前后聚乳酸熔噴非織造材料的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。從圖7(a)可看出，聚乳酸熔噴非織造材料中纖維直徑分布不均勻，纖維呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)排列，纖網(wǎng)中空隙較多，電暈放電處理前纖維表面較光滑。從圖中可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過駐極處理后，聚乳酸熔噴非織造材料表面粗糙度增加，材料表面出現(xiàn)條痕狀的刻蝕槽痕。這是由于電暈放電過程中，電場粒子對(duì)聚乳酸纖維表面進(jìn)行轟擊，使纖維表面分子鏈產(chǎn)生斷裂并堆積在纖維表面生成隆起，從而使材料表面形貌粗糙。

3 結(jié) 論

1)PLA熔噴非織造材料在駐極過程出現(xiàn)反極性充電現(xiàn)象，材料表面電位最高點(diǎn)出現(xiàn)在駐極電壓為15 kV左右。

2)隨著駐極時(shí)間增加，PLA熔噴非織造材料表面的電位增加，但隨著時(shí)間的進(jìn)一步增加，材料表面電位反而有所下降。在駐極時(shí)間為4 s時(shí)，材料表面電位達(dá)到最大值。

3)隨著駐極隔距的增大，PLA熔噴非織造材料表面電位降低。

4)駐極后PLA熔噴非織造材料的透氣性略有改善，表面粗糙度增加。

5)PLA熔噴非織造材料經(jīng)電暈放電駐極處理后，其過濾性能顯著提高；特別對(duì)于PM2.5可以起到很好的過濾效果。

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Influence of corona electret treatment on melt-blow PLA nonwovens material

REN Yu1， LI Meng2， YOU Xiangyin3

(1.SchoolofTextileandClothing,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226007,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201260,China; 3.NantongLiyangNewMaterialDevelopmentCo.,Ltd.,Nantong,Jiangsu226007,China)

Biodegradable polylactic acid (PLA) was chosen as raw material to develop high performance melt-blown filter material and the material was electrified by the external corona discharge. The influence of treatment voltage, time and distance from top electrode to samples on the surface potential, gas-permeability and filtration efficiency of the filter materials were discussed. The change of surface morphology of the material was analyzed by SEM. The SEM images show that the roughness of PLA melt-blown non-woven materials increased after the electret treatment. The results show that the voltage increased, the polarity charging phenomenon appeared. With the increase of electret treatment time and voltage, the surface electrostatic potential increases and then tends to decay with the futher increase of voltage and time. After the electet treatment, the air permeability of PLA melt-blown nonwoven materials increased slightly，while filtration efficiency increased significantly.

PLA; melt-blown nonwoven material; electret; corona discharge; filtration efficiency

10.13475/j.fzxb.20140901405

2014-09-11

2014-11-14

江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(BK20140431)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51303085)；南通大學(xué)自然科學(xué)項(xiàng)目(14ZY004)

任煜(1979—)，女，副教授，博士。研究方向?yàn)榧徔棽牧系母男蕴幚?。E-mail:ren.y@ntu.edu.cn。

TS 174.3

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