駐極處理對(duì)熔噴空氣過(guò)濾材料過(guò)濾性能的影響

(湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湘潭，411100)

空氣過(guò)濾材料對(duì)于防止顆粒污染物進(jìn)入人體，減少可入肺顆粒物對(duì)健康的損害和預(yù)防疾病的傳播具有重要的作用［1］。聚丙烯超細(xì)纖維熔噴過(guò)濾材料已大量應(yīng)用于空氣凈化及醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，如用作空調(diào)濾網(wǎng)、醫(yī)用防護(hù)口罩和防塵口罩等。

影響熔噴過(guò)濾材料過(guò)濾性能的因素很多，如纖維線密度，以及纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)、厚度和密度等。作為空氣過(guò)濾材料，不僅要提高其過(guò)濾效率，而且要盡可能地降低其呼吸阻力，而呼吸阻力和過(guò)濾效率是一對(duì)矛盾體，最有效的解決辦法就是對(duì)熔噴過(guò)濾材料進(jìn)行駐極處理。

1 熔噴過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 纖維直徑細(xì)

聚丙烯熔噴過(guò)濾材料的纖維平均直徑為1.5～3 μm，屬于超細(xì)纖維范疇。圖1是紡粘/熔噴/紡粘(SMS)材料的掃描電鏡(SEM)照片，其表層為紡粘層，在紡粘層下面為熔噴層，可見(jiàn)紡粘層纖維的纖維直徑遠(yuǎn)大于熔噴層纖維。

圖1 SMS材料的SEM照片

1.2 纖維三維交錯(cuò)雜亂排列，多彎道結(jié)構(gòu)

聚丙烯超細(xì)纖維熔噴材料的纖維形成多層縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且呈隨機(jī)三維分布，使得纖網(wǎng)內(nèi)含有大量微小空隙。纖維的隨機(jī)和隔層交叉排列，構(gòu)成了熔噴材料多彎曲通道結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該類(lèi)結(jié)構(gòu)可以大大提高過(guò)濾時(shí)空氣中顆粒物與纖維產(chǎn)生碰撞而被滯留的概率，適合用作過(guò)濾材料。

圖2 熔噴材料的多彎道結(jié)構(gòu)

1.3 孔隙率高，孔徑小

由于纖維直徑細(xì)，纖網(wǎng)呈三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，且分布均勻，形成大量的立體曲徑通道體系，因而孔隙率高，且平均孔徑小［2］。如圖1所示，單位面積中下層熔噴層的孔隙數(shù)量明顯大于表層紡粘層，而平均孔徑明顯小于紡粘層。高孔隙率和小孔徑有利于提高熔噴過(guò)濾材料在使用過(guò)程中對(duì)顆粒物的阻擋率。

1.4 結(jié)構(gòu)蓬松

由于熔噴材料是依靠自身纖維熱黏合而成，手感柔軟，結(jié)構(gòu)較蓬松，在相同面密度條件下，厚度較其他非織造材料厚，在過(guò)濾時(shí)增加了顆粒物通過(guò)材料的路徑長(zhǎng)度，因而進(jìn)一步提高了熔噴材料的過(guò)濾效率。

2 過(guò)濾機(jī)理

在熔噴過(guò)濾材料的過(guò)濾機(jī)理中，普遍認(rèn)可的機(jī)理主要有布朗擴(kuò)散、截留、慣性碰撞、重力沉降和靜電吸附五種過(guò)濾機(jī)理［1］。前四種原理都是機(jī)械阻擋粉塵，因此本文將過(guò)濾機(jī)理分成機(jī)械阻隔和靜電吸附兩部分進(jìn)行討論。

2.1 機(jī)械阻隔

機(jī)械阻隔可以分為以下幾種情況:

(1)空氣中粒徑大于5 μm的飛沫可以被過(guò)濾材料阻隔在外;

(2)微塵直徑小于3 μm時(shí)，由于口罩過(guò)濾材料中纖維隨機(jī)和隔層交叉排列成型，構(gòu)成多彎曲通道的纖維過(guò)濾層，當(dāng)微粒經(jīng)過(guò)各種類(lèi)型的彎曲通道或路徑時(shí)，微塵便被機(jī)械過(guò)濾式的范德華力吸附在纖維表面;

(3)當(dāng)顆粒粒徑與氣流速度都較大時(shí)，氣流接近過(guò)濾材料因受阻而繞流，而顆粒由于慣性作用脫離流線直接與纖維碰撞被捕獲;當(dāng)顆粒粒徑很小且流速很低時(shí)，顆粒因布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)散而撞擊到纖維上被捕獲。

2.2 靜電吸附

靜電吸附是指當(dāng)過(guò)濾材料的纖維帶電時(shí)，通過(guò)荷電纖維(駐極體)的庫(kù)侖力實(shí)現(xiàn)對(duì)灰塵的捕獲。如圖3所示，當(dāng)粉塵經(jīng)過(guò)過(guò)濾材料時(shí)，靜電力不僅能有效地吸引帶電粉塵，而且以靜電感應(yīng)效應(yīng)捕獲感應(yīng)極化的中性粒子，隨著靜電勢(shì)提高，靜電吸附作用越強(qiáng)［3］。

圖3 過(guò)濾材料的靜電吸附機(jī)理

3 駐極處理對(duì)熔噴過(guò)濾材料過(guò)濾性能的影響

在理論上，纖維越細(xì)，纖維交織越緊密，孔隙越多，孔徑越小，過(guò)濾效率自然越高。例如，塑料膜對(duì)顆粒物的阻擋率幾乎可以達(dá)到100%，但是塑料膜不能用于空氣過(guò)濾，因?yàn)樗芰夏ぴ谧钃躅w粒物的同時(shí)，空氣也無(wú)法通過(guò)。作為空氣過(guò)濾材料，保證過(guò)濾性能固然重要，但保證空氣的順利通過(guò)也非常重要。設(shè)想人們?cè)谑褂梅雷o(hù)口罩時(shí)，如果材料太緊密，孔隙太小，呼吸阻力太大，使用者無(wú)法順利吸入空氣，口罩也就失去了使用價(jià)值。正是因?yàn)槿蹏娺^(guò)濾材料在阻擋顆粒物的同時(shí)，又能讓空氣順利流通，才被普遍用作空氣過(guò)濾材料。因此，作為空氣過(guò)濾材料需在保證正常呼吸阻力范圍內(nèi)盡量提高過(guò)濾效率。

駐極處理就是解決呼吸阻力和過(guò)濾效率這對(duì)矛盾體的最好辦法。本文設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)。第一組實(shí)驗(yàn)是對(duì)5組相同的未駐極純聚丙烯熔噴材料加以不同電壓進(jìn)行駐極處理，駐極時(shí)間均為22 s，采用單面電暈法駐極，以確定駐極處理對(duì)材料過(guò)濾性能的影響;第二組實(shí)驗(yàn)是選擇一種已經(jīng)駐極的優(yōu)質(zhì)熔噴過(guò)濾材料，在其表面作噴涂納米纖維的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證駐極處理對(duì)提高材料過(guò)濾性能的作用。

過(guò)濾性能檢測(cè)儀器為T(mén)SI8130型自動(dòng)過(guò)濾材料測(cè)試儀?；緟?shù):氣溶膠為NaCl非油性顆粒物，氣溶膠流量32 L/min，平均顆粒直徑0.26 μm，過(guò)濾效率測(cè)試精度為99.999%。

3.1 駐極處理實(shí)驗(yàn)

駐極處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。由表1可見(jiàn)，未駐極熔噴過(guò)濾材料的過(guò)濾效率只有30.16%，而駐極后的過(guò)濾材料其過(guò)濾性能發(fā)生了跳躍性的變化，增大到80%左右，并且隨著駐極電壓的增大，過(guò)濾效率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。原因是駐極過(guò)程使在相同的時(shí)間內(nèi)過(guò)濾材料表面積聚的電荷數(shù)變多，表面電位變高，過(guò)濾材料表面形成更開(kāi)闊的開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了對(duì)粉塵的捕捉效果［4］。隨著駐極電壓的增大，過(guò)濾材料表面的電荷密度增加，對(duì)顆粒的吸附極化作用增強(qiáng)，所以過(guò)濾效率隨著駐極電壓的增大而上升。經(jīng)駐極處理后的熔噴材料過(guò)濾效率明顯提高，然而其呼吸阻力變化很小。這是因?yàn)轳v極處理只是使熔噴纖維帶上靜電荷，對(duì)熔噴材料的纖維結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，因而對(duì)呼吸阻力幾乎沒(méi)有影響。駐極處理實(shí)驗(yàn)說(shuō)明駐極處理可在不增加呼吸阻力條件下大幅度提高過(guò)濾效率，是空氣過(guò)濾材料一種重要的處理工藝。

表1 不同駐極電壓對(duì)熔噴過(guò)濾材料過(guò)濾性能的影響

3.2 表面噴涂對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選擇一種已經(jīng)駐極的優(yōu)質(zhì)熔噴過(guò)濾材料，取兩塊尺寸均為20 cm×20 cm的樣品。在其中一塊上均勻噴涂用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的聚乙烯醇/聚乙烯(PVA-co-PE)溶液制得的納米纖維，晾干;分別測(cè)試兩塊樣品的過(guò)濾性能。

圖4是噴涂納米纖維前后熔噴過(guò)濾材料的SEM照片。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)納米纖維噴涂后的熔噴過(guò)濾材料表面布滿了納米纖維，孔徑明顯小于未經(jīng)噴涂的材料。按常理推斷，經(jīng)過(guò)納米纖維噴涂后的熔噴過(guò)濾材料，由于孔隙很小，使得顆粒物幾乎無(wú)法通過(guò)，過(guò)濾效率會(huì)更高，但測(cè)試結(jié)果并非如此。

圖4 納米纖維噴涂處理前后熔噴過(guò)濾材料的SEM照片

表2為噴涂前后過(guò)濾材料過(guò)濾性能的測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)納米纖維噴涂后的熔噴過(guò)濾材料過(guò)濾效率反而低于未經(jīng)噴涂的熔噴過(guò)濾材料，且呼吸阻力急劇上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)口罩呼吸阻力≤350 Pa的要求。導(dǎo)致該結(jié)果的主要原因是:由于PVA-co-PE需溶解在一定的溶劑中，然后再進(jìn)行納米纖維噴涂，而這些溶劑含有大量水分，經(jīng)駐極處理的熔噴過(guò)濾材料上的靜電荷遇水便會(huì)消失，因此經(jīng)納米纖維噴涂后的熔噴過(guò)濾材料需完全依靠布朗擴(kuò)散、截留、慣性碰撞和重力沉降等機(jī)械阻擋作用來(lái)過(guò)濾空氣中的微粒。雖然噴涂納米纖維的熔噴材料孔徑已經(jīng)非常小，但還是無(wú)法完全阻擋顆粒物，并且由于納米纖維堵塞了大量的孔隙，使得空氣無(wú)法順暢流通，呼吸阻力急劇上升，因此該材料無(wú)法用作自吸過(guò)濾式的空氣過(guò)濾材料。

表2 噴涂納米纖維前后材料過(guò)濾性能比較

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了經(jīng)過(guò)駐極處理的熔噴過(guò)濾材料具有高效率、高集塵能力、低流阻和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)駐極處理能夠大幅度提高熔噴過(guò)濾材料的過(guò)濾效率，而呼吸阻力幾乎保持不變，并隨著駐極電壓的增大，材料過(guò)濾效率提高。

(2)噴涂納米纖維的熔噴空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾效率低于經(jīng)駐極處理的熔噴過(guò)濾材料，而呼吸阻力卻急劇上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(3)駐極處理的熔噴過(guò)濾材料具有高效率、高集塵能力、低流阻和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，駐極處理方法可廣泛應(yīng)用于空氣過(guò)濾用熔噴材料的生產(chǎn)。

［1］ 羅伶.防塵口罩阻塵效率和呼吸阻力影響因素的探討［J］.中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備，2004(5):13-16.

［2］ 石波，安樹(shù)林.熔噴法聚丙烯非織造布濾材［J］.天津紡織科技，2000，41(1):25-28.

［3］ 周晨，靳向煜.聚丙烯熔噴駐極過(guò)濾材料表面靜電勢(shì)的研究［J］.過(guò)濾與分離，21(1):16-19.

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