聚四氟乙烯針刺非織造材料摩擦起電性能研究

朱 尚 徐玉康 靳向煜

東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

聚四氟乙烯針刺非織造材料摩擦起電性能研究

朱 尚 徐玉康 靳向煜

東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海201620

研究聚四氟乙烯(PTFE)針刺非織造材料與不同高聚物針刺非織造材料的摩擦起電特征，以及PTFE針刺非織造材料表觀形態(tài)變化和表面靜電壓衰減特征。 結(jié)果表明：PTFE針刺非織造材料表面靜電壓和表觀形態(tài)變化均與副磨料的材料類型、摩擦?xí)r間緊密相關(guān)；與黏膠針刺非織造材料摩擦9 min后，PTFE針刺非織造材料的表面靜電壓由2.4 kV增加至11.8 kV，且半衰期約為13.8 d，遠(yuǎn)高于駐極靜電壓的半衰期。該結(jié)果可為今后開發(fā)過濾效率更高、使用壽命更長的過濾材料提供理論依據(jù)。

聚四氟乙烯，針刺非織造材料，摩擦起電，靜電壓，半衰期

伴隨著工業(yè)的快速發(fā)展，含有大量納米/微米級(jí)顆粒物的工業(yè)粉塵被排放至大氣中，嚴(yán)重污染空氣質(zhì)量、威脅人類健康。因此，提高對(duì)細(xì)微顆粒的捕捉能力，是當(dāng)前過濾材料研發(fā)的熱點(diǎn)。其中，材料帶電是改善濾料過濾效率的一種有效方法。

材料帶電常規(guī)的方法有摩擦帶電、感應(yīng)帶電和接觸帶電等。其中，采用感應(yīng)帶電技術(shù)使非織造材料帶上靜電荷從而獲得帶電濾料的方法，目前較為常見[1-6]，[7]34。但這種感應(yīng)帶電濾料在使用過程中，納米/微米級(jí)顆粒物的聚集會(huì)造成靜電荷吸附能力降低[8]；此外，部分靜電荷的散逸也會(huì)進(jìn)一步降低對(duì)細(xì)微顆粒的吸附效果。

為改善目前帶電濾料存儲(chǔ)電荷能力低的不足，聚四氟乙烯(PTFE)材料引起了研究人員的高度關(guān)注。PTFE螺旋形分子鏈結(jié)構(gòu)使其具有很多優(yōu)異的性能，如耐化學(xué)腐蝕性好[7]34、熱穩(wěn)定性好[9]、摩擦系數(shù)低[10]、拒水性好[11]等，這些都賦予了PTFE廣泛的應(yīng)用前景[12-15]。 較低的摩擦系數(shù)和良好的拒水性使得PTFE與其他高聚物摩擦后易帶上靜電荷[16-18]，這一特征為研發(fā)持續(xù)帶電且存儲(chǔ)電荷能力高的濾料指明了方向。 因此，本文研究了PTFE與其他不同材料摩擦后的帶電特征，以期為制備高效帶電濾料提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

選用位于摩擦起電序列不同順序的5種纖維，分別為PTFE纖維、黏膠纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維、棉纖維、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維(滌綸)，纖維基本性能如表1所示。纖維經(jīng)梳理和針刺加工后獲得相應(yīng)的針刺非織造材料，其中，通過混合PVA纖維與棉纖維(兩者質(zhì)量比為PVA纖維∶棉纖維=68∶32)獲得PVA/棉針刺非織造材料。所得針刺非織造材料基本性能如表2所示。

表1 纖維基本性能

1.2 設(shè)備及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

針刺涉及的設(shè)備：FZZG-I1600型預(yù)針刺機(jī)(針刺密度為200針/cm2、針刺深度為9.00 mm)，WFC -100型主針刺機(jī)(針刺密度為400針/cm2、針刺深度為12.00 mm)。

試驗(yàn)原料性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：纖維線密度檢測(cè)參照GB/T 16256—2008《紡織纖維 線密度試驗(yàn)方法 振動(dòng)儀法》標(biāo)準(zhǔn)；纖維強(qiáng)伸性檢測(cè)參照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)；材料厚度檢測(cè)參照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)；材料面密度檢測(cè)參照GB/T 4669—2008《紡織品 機(jī)織物 單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)；材料透氣量檢測(cè)參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)；材料表面靜電壓檢測(cè)參照GB/T 12703.1—2008《紡織品靜電性能的評(píng)定 第1部分：靜電壓半衰期》標(biāo)準(zhǔn)，采用YG401織物感應(yīng)式靜電壓測(cè)試儀，其測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 YG401織物感應(yīng)式靜電壓測(cè)試儀原理

2 結(jié)果與討論

摩擦起電是指相互接觸、摩擦的2塊材料上自由電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而使2塊材料分別帶上等量異種電荷的一種現(xiàn)象。本文研究了PTFE與不同高聚物材料平磨帶電的特征、摩擦后PTFE材料的表觀形態(tài)、摩擦?xí)r間對(duì)靜電荷累積的影響，以及PTFE材料表面靜電荷的衰減特征等。選用PTFE針刺非織造材料為主磨料(標(biāo)記為S0)、4種材料分別為黏膠針刺非織造材料、PVA/棉針刺非織造材料、滌綸針刺非織造材料和PTFE針刺非織造材料為副磨料(相應(yīng)標(biāo)記為S1、S2、S3、S4)。其中，主磨料S0和副磨料S4皆為PTFE針刺非織造材料，性能相同。

2.1 PTFE針刺非織造材料平磨帶電特征

織物平磨儀如圖2所示，主磨料和副磨料分別固定于磨臺(tái)和磨頭之上?；诳椢锲侥x中磨頭與磨臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，主磨料與副磨料相互接觸、摩擦，造成電子轉(zhuǎn)移，使得2塊材料分別帶上等量的異種電荷。

圖2 織物平磨儀示意

主磨料S0與4種副磨料(S1、S2、S3、S4)平磨6 min 后的表面靜電壓如圖3所示，平磨條件為加壓載荷9 kPa、相對(duì)轉(zhuǎn)速50 r/min。

圖3 與4種副磨料接觸并摩擦后，主磨料S0的表面靜電壓

由圖3可知：

(1) 與副磨料S1、S2接觸并摩擦后，主磨料S0表面靜電壓相較于未摩擦?xí)r自身所帶的靜電壓，均顯著增加，由2.4 kV分別增加至11.1和6.1 kV，其中與副磨料S1摩擦?xí)r主磨料S0表面靜電壓改善程度最大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是，PTFE大分子鏈中氟原子極強(qiáng)的電負(fù)性使其外軌道電子穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于黏膠纖維、PVA纖維和棉纖維大分子鏈上的原子或基團(tuán)[19]，因此，當(dāng)與副磨料S1、S2接觸并摩擦后，主磨料S0表面易累積大量由副磨料轉(zhuǎn)移來的電子，從而使靜電壓增加。又因黏膠纖維由大量含羥基的黏膠基組成，且結(jié)晶度低于一般紡織纖維[20]；而棉纖維中雖有大量羥基的存在，但其具有較高的結(jié)晶度。故當(dāng)副磨料S1、S2與主磨料S0接觸并摩擦?xí)r，副磨料S2中棉纖維上的電子相較于黏膠纖維不易發(fā)生轉(zhuǎn)移[21]。

(2) 與副磨料S3接觸并摩擦后，主磨料S0表面靜電壓相較于未摩擦?xí)r自身所帶的靜電壓，基本不變。究其原因在于，相較于纖維截面皆為扁平狀的副磨料S1[圖4(b)]和S2[圖4(c)]，纖維截面為圓形的副磨料S3[圖4(d)]與主磨料S0[同圖4(e)]的接觸面積較小，加之滌綸大分子鏈上原子或基團(tuán)的最外層軌道電子的穩(wěn)定性較好，故所得主磨料S0表面靜電壓無顯著變化。

(3) 當(dāng)磨料均為PTFE針刺非織造材料時(shí)，即主磨料S0與副磨料S4接觸并摩擦后，主磨料S0表面靜電壓由2.4 kV增加至5.8 kV。其原因可能是摩擦過程中，含大量納米/微米級(jí)顆粒的空氣填充了PTFE針刺非織造材料接觸介面，故而造成了電子轉(zhuǎn)移，形成了靜電荷。

(a) PTFE針刺非織造材料橫截面

(b) 黏膠針刺非織造材料(副磨料S1)

(c) PVA/棉針刺非織造材料(副磨料S2)

(d) 滌綸針刺非織造材料(副磨料S3)

(e) PTFE針刺非織造材料(副磨料S4)

2.2 PTFE針刺非織造材料表觀形態(tài)

圖5為與4種副磨料S1、S2、S3和S4摩擦不同時(shí)間后，主磨料S0的表觀形態(tài)特征：

(1) 當(dāng)副磨料為S1或S2時(shí)，主磨料S0表面磨損度隨摩擦?xí)r間增加而不斷增加。相較于主磨料S0初始光滑的表觀形態(tài)，摩擦3和6 min時(shí)主磨料S0表面的纖維出現(xiàn)了大量微米尺度的溝槽、塊狀或片狀突起物；摩擦9 min時(shí)，主磨料S0表面微米尺度的溝槽、塊狀或片狀突起物的數(shù)量無顯著變化。

(a) 副磨料為S1

(b) 副磨料為S2

(c) 副磨料為S3

(d) 副磨料為S4

(2) 當(dāng)副磨料為S3時(shí)，主磨料S0表面平整度先略有改善，后急劇降低。

(3) 當(dāng)副磨料為S4，即主磨料和副磨料均為PTFE針刺非織造材料時(shí)，摩擦3 min時(shí)主磨料S0表面無顯著變化；但隨著摩擦?xí)r間的延長，摩擦6 min時(shí)，主磨料S0表面磨損度快速增加；摩擦9 min時(shí)，主磨料S0表面有微米尺度的片狀突起物。

由此可推知，主磨料PTFE針刺非織造材料的表觀形態(tài)與副磨料的材料類型、摩擦?xí)r間緊密相關(guān)。

2.3 PTFE針刺非織造材料表面靜電壓與摩擦?xí)r間的相關(guān)性

與4種副磨料S1、S2、S3和S4摩擦后，主磨料S0表面靜電壓隨摩擦?xí)r間的變化特征如圖6所示。

圖6 主磨料S0表面靜電壓對(duì)副磨料及摩擦?xí)r間的依賴性

由圖6可知：當(dāng)副磨料為S1、S2時(shí)，主磨料S0表面靜電壓隨摩擦?xí)r間的增加而不斷變大，摩擦9 min時(shí)主磨料S0表面靜電壓由2.4 kV分別增加至11.8和6.2 kV；當(dāng)副磨料為S3時(shí)，主磨料S0表面靜電壓隨摩擦?xí)r間的延長先略微下降、后急劇增加，摩擦9 min 時(shí)主磨料S0表面靜電壓達(dá)到9.1 kV；當(dāng)副磨料為S4即主、副磨料均為PTFE針刺非織造材料時(shí)，主磨料S0表面靜電壓隨摩擦?xí)r間的延長呈“略微下降-急劇增加-降低”的變化趨勢(shì)。

究其原因在于：

(1) 副磨料S1、S2中黏膠纖維、PVA纖維、棉纖維都含大量羥基，其大分子鏈上原子或基團(tuán)外軌道電子的穩(wěn)定性較差。當(dāng)它們與主磨料S0摩擦后，主磨料S0表面會(huì)累積大量的電子，故而主磨料S0表面靜電壓不斷變大；但若進(jìn)一步延長摩擦?xí)r間，則主磨料S0表面會(huì)附有因摩擦而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移膜[22-23]，這會(huì)造成主、副磨料間有效滑動(dòng)略有降低，表現(xiàn)為材料表面靜電壓無明顯增加。

(2) 副磨料S3中滌綸截面為圓形，初始摩擦?xí)r主、副磨料的接觸面積較小，加之滌綸的纖維線密度小、比表面積大、表面粗糙，6 min的摩擦?xí)箘傂源蟮母蹦チ蟂3與耐磨損性差[24]的主磨料S0間產(chǎn)生并存留較多的納米級(jí)厚度的PTFE膜，這會(huì)減緩主磨料S0與副磨料S3間的摩擦，故摩擦6 min時(shí)主磨料S0表面靜電壓略微下降。但隨著摩擦?xí)r間延長至9 min時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量使得PTFE膜軟化，主、副磨料的接觸面積增大，真實(shí)摩擦增多，故摩擦9 min時(shí)主磨料S0表面靜電壓快速增至9.1 kV。

(3) 當(dāng)副磨料為S4即主、副磨料均為PTFE針刺非織造材料時(shí)，由于PTFE纖維具有更差的熱傳導(dǎo)性(相較于黏膠纖維、PVA纖維、棉纖維及滌綸)和冷流性，故在摩擦初期，PTFE纖維接觸介面的摩擦熱會(huì)使轉(zhuǎn)移膜軟化、流動(dòng)并嵌入非織造材料的孔隙中[圖5(d)]，造成主磨料S0表面靜電壓略微降低；但隨著摩擦的繼續(xù)，PTFE纖維因耐磨性差且黏附性弱，接觸面處的PTFE部分轉(zhuǎn)移膜脫落，主磨料S0表面靜電壓急劇增加；隨后，又會(huì)產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)移膜來減緩摩擦，故主磨料S0表面靜電壓隨著時(shí)間的增加又有所降低。

基于上述分析可知，副磨料的材料種類和摩擦?xí)r間會(huì)共同影響主磨料即PTFE針刺非織造材料的摩擦起電性能和表觀形態(tài)。

2.4 PTFE針刺非織造材料表面靜電壓衰減特征

副磨料為S1、S2時(shí)，主磨料S0摩擦起電的規(guī)律明顯且穩(wěn)定，相應(yīng)的表面靜電壓較高且衰減的較穩(wěn)定，而副磨料為S3、S4時(shí)主磨料S0的表面靜電壓低，無分析價(jià)值。故本文僅分析副磨料為S1、S2時(shí)主磨料S0表面靜電壓的衰減情況，相應(yīng)的表面靜電壓衰減特征如圖7所示。

(a) 摩擦?xí)r間為6 min

(b) 摩擦?xí)r間為9 min

由圖7可知：

(1) 摩擦?xí)r間為6和9 min時(shí)，與副磨料S1摩擦后的主磨料S0表面靜電壓分別為11.1和11.8 kV。隨著靜置時(shí)間的增加，主磨料S0表面靜電壓呈規(guī)律性衰減，故對(duì)其進(jìn)行函數(shù)擬合(擬合函數(shù)分別為u=0.249x3+13.740x2-506.400x+1.059e4和u=-4.657x3+104.900x2-979.300x+1.196e4)，對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)(即R值)分別為0.902 9和 0.847 6，曲線擬合度較好，擬合函數(shù)可反映主磨料S0摩擦后表面靜電壓隨靜置時(shí)間的變化規(guī)律。

(2) 副磨料為S1、S2時(shí)，主磨料S0表面靜電壓均隨靜置時(shí)間延長而緩慢降低，其表面靜電壓的半衰期均超過12.0 d(根據(jù)擬合函數(shù)計(jì)算得半衰期分別為13.8和14.1 d)，故可知半衰期與副磨料的材料性能無關(guān)。

另有研究[25]顯示，采用駐極處理可賦予材料表面靜電荷，但駐極靜電荷的穩(wěn)定性差、半衰期短(≤2.0 d)。相較于駐極過濾材料，PTFE針刺非織造材料的過濾效率和使用壽命均有改善。

3 結(jié)論

氟原子具有極強(qiáng)的電負(fù)性，常規(guī)PTFE針刺非織造材料表面靜電壓為2.4 kV。本文研究了PTFE針刺非織造材料與不同材料接觸摩擦的起電特征，結(jié)果顯示：PTFE針刺非織造材料表觀形態(tài)的變化特征與副磨料的材料類型和摩擦?xí)r間緊密相關(guān)；PTFE針刺非織造材料與黏膠針刺非織造材料、PVA/棉針刺非織造材料接觸并摩擦后，表面靜電壓開始隨摩擦?xí)r間的增加而不斷變大，摩擦6 min后趨于穩(wěn)定；與黏膠針刺非織造材料摩擦9 min后，PTFE針刺非織造材料表面靜電壓由2.4 kV增加至11.8 kV，靜電壓半衰期超過13.0 d，遠(yuǎn)高于駐極靜電壓的半衰期2.0 d。

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Study on the triboelectric characteristic of PTFE needled nonwovens

ZhuShang，XuYukang，JinXiangyu

Engineering Research Center of Technical Textiles， Ministry of Education， Donghua University，Shanghai 201620， China

The triboelectric characteristic of polytetrafluoroethylene (PTFE) needled nonwovens against various polymer needled nonwovens， as well as the variation of surface morphology and the attenuation characteristic of surface electrostatic voltage of PTFE needle nonwovens， were studied. The results showed that the surface electrostatic voltage and the variation of surface morphology of PTFE needled nonwovens were closely related to the types of subsidiary abrasive material and the friction time. The surface electrostatic voltage of PTFE needled nonwovens increased from 2.4 kV to 11.8 kV after friction with the viscose needled nonwovens for 9 min， and the half-life was 13.8 days， which was much longer than that of electret static voltage. The results could provide a theoretical foundation for developing the filter material with higher filtration efficiency and longer service life in future.

PTFE， needled nonwoven， triboelectric， electrostatic voltage， half-life

*上海市產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(滬CXY-2014-025)

2016-10-11

朱尚，男，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榭諝膺^濾材料

靳向煜，E-mail：jinxy@dhu.edu.cn

TS174.6

A

1004-7093(2017)05-0027-07