帶電針刺過(guò)濾材料的研究

王 洪 劉明奇 吳海波

(東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620)

人類在發(fā)展工業(yè)的同時(shí)也會(huì)排放出大量的有毒有害物質(zhì)，如廢氣、廢水等污染物。其中，有些有毒有害物質(zhì)是人們的肉眼看不見(jiàn)的，如廢氣中存在的可吸入細(xì)顆粒物。雖然空氣中存在的這些細(xì)顆粒物在大氣中只占有很少的百分比，但是這些細(xì)顆粒物會(huì)對(duì)空氣的質(zhì)量以及能見(jiàn)度產(chǎn)生影響，對(duì)人體的健康也會(huì)造成很大的威脅。近幾年我國(guó)各地紛紛出現(xiàn)的霧霾天氣也與這些細(xì)顆粒物有很大的關(guān)系。因此，能夠有效地過(guò)濾掉這些對(duì)人體有害的可吸入細(xì)顆粒物的過(guò)濾材料在市場(chǎng)上受到熱捧。

過(guò)濾是一種分離、捕集分散于氣體或液體中顆粒狀物質(zhì)的過(guò)程［1］。非織造材料是一種重要的空氣過(guò)濾材料，其彎曲通道的孔徑結(jié)構(gòu)特別適合用做空氣過(guò)濾材料［2］。這是因?yàn)榉强椩觳牧现欣w維與纖維間的孔隙更小，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，一部分直徑大于纖維間孔隙的小顆粒便會(huì)被非織造材料阻隔在外部，而小于纖維間孔隙的細(xì)小顆粒也會(huì)在進(jìn)入材料內(nèi)部后與材料內(nèi)部的纖維發(fā)生摩擦、碰撞，造成細(xì)顆粒物的能量損失，使其停留在非織造材料內(nèi)部，從而達(dá)到所需要的過(guò)濾效果。非織造材料的過(guò)濾性能與其多孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如孔隙的形狀、數(shù)量和大小分布等［3］，被過(guò)濾的顆粒物可在孔隙中與纖維廣泛接觸［4］。非織造材料基本通過(guò)攔截阻隔、慣性沉積、擴(kuò)散沉積和重力沉積等方式來(lái)過(guò)濾和吸附空氣中的細(xì)顆粒物［5］。

對(duì)于PM2.5等直徑較小的細(xì)顆粒物，上述過(guò)濾方式很難達(dá)到理想的過(guò)濾效果，而空氣中的細(xì)顆粒物一般都帶有靜電荷，可以通過(guò)靜電捕獲的方式來(lái)提高材料的過(guò)濾效率。在非織造材料生產(chǎn)過(guò)程中，電荷積聚的場(chǎng)所主要是纖維或絲條表面，以及開(kāi)松和分梳成網(wǎng)部件、導(dǎo)網(wǎng)件、輸送簾等部件表面［6］。熔噴非織造材料的駐極技術(shù)是通過(guò)讓熔噴非織造材料纖維表面帶有多余的靜電荷，從而達(dá)到對(duì)空氣中細(xì)顆粒物良好的過(guò)濾吸附效果。

將電負(fù)性不同的兩種材料相互摩擦后，它們會(huì)分別帶上正電荷和負(fù)電荷。纖維材料在不停地發(fā)生接觸和摩擦?xí)r，纖維上的電子會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，使介電常數(shù)高的纖維帶正電，介電常數(shù)低的纖維帶負(fù)電。實(shí)際上，在非織造材料成形加工的纖維開(kāi)松、梳理過(guò)程中，很容易發(fā)生靜電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生纖維包覆梳理機(jī)的現(xiàn)象。

本課題擬有效利用纖維梳理和針刺過(guò)程中的靜電現(xiàn)象，利用現(xiàn)有設(shè)備和工藝技術(shù)，將聚四氟乙烯(PTFE)和聚丙烯腈(PAN)兩種纖維經(jīng)梳理、針刺加工成過(guò)濾材料，研究纖維配比、表面靜電荷和過(guò)濾效率之間的關(guān)系，為高效針刺過(guò)濾材料的研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

本試驗(yàn)所用PTFE纖維和PAN纖維的基本性能見(jiàn)表1。

表1 PTFE和PAN纖維基本性能

1.2 樣品制備

首先用洗滌劑去除PTFE纖維和PAN纖維表面的助劑及雜質(zhì)，然后將纖維烘干至含水率小于2%;將 PTFE 纖維與 PAN 纖維分別按照 3∶1，4∶1和5∶1(質(zhì)量比)的比例混合，然后采用羅拉梳理機(jī)和針刺機(jī)加工成面密度為330、430和530 g/m2的針刺非織造材料。所得樣品的基本性能見(jiàn)表2。

表2 樣品基本性能

1.3 高溫高濕處理

將針刺非織造材料樣品按下列順序依次進(jìn)行處理：

(1)在(38±2.5)℃和(85±5)%相對(duì)濕度環(huán)境下放置(24±1)h;(2)在(70±3)℃的干燥環(huán)境下放置(24±1)h;(3)在(－30±3)℃的環(huán)境下放置(24±1)h。經(jīng)過(guò)上述處理后，需在樣品溫度恢復(fù)至室溫后至少放置4 h，再進(jìn)行過(guò)濾效率測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試

(1)采用TSL 8130自動(dòng)濾料檢測(cè)儀，用氯化鈉氣溶膠測(cè)試樣品的氣體過(guò)濾性能。氯化鈉氣溶膠的質(zhì)量中值直徑為0.26 μm，數(shù)量中值直徑為0.075 μm，幾何偏差 ＜1.83，氣溶膠質(zhì)量濃度 12～20 mg/m3。測(cè)試氣體流速為(85±2)L/min。

(2)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，采用YG461E型電腦式織物透氣性測(cè)試儀對(duì)各材料的透氣性能進(jìn)行測(cè)試。

(3)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T12703.1—2008《紡織品靜電性能的評(píng)定》，選用YG401型織物感應(yīng)式靜電壓測(cè)試儀對(duì)各材料表面靜電壓進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 透氣率

透氣性直接影響濾器成品的流量阻力［7］。透氣性是表征針刺非織造材料的針刺密度和過(guò)濾阻力等性能的重要指標(biāo)，兩種纖維混合針刺非織造材料樣品的透氣率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 樣品透氣率

從表3可以看出：隨著針刺非織造材料面密度的增大，其透氣率逐漸下降，符合常規(guī)針刺非織造材料的規(guī)律性;兩種纖維的配比對(duì)所得針刺非織造材料的透氣率影響不大。

2.2 過(guò)濾效率

過(guò)濾效率是能夠直觀反映非織造材料過(guò)濾效果的關(guān)鍵指標(biāo)。非織造空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾效率是指當(dāng)空氣從材料中通過(guò)時(shí)，被材料捕獲的存在于空氣中的粉塵及細(xì)顆粒物的數(shù)量與空氣中存在的粉塵及細(xì)顆粒物的總量的比值。兩者的比值越大，說(shuō)明該種非織造空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾效率越高，過(guò)濾效果越好;反之，過(guò)濾效率越低，過(guò)濾效果越差。當(dāng)然，空氣流速等因素也會(huì)影響材料的過(guò)濾效率。各樣品過(guò)濾效率的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各樣品過(guò)濾效率

從表4可以發(fā)現(xiàn)：采用PTFE纖維和PAN纖維混合針刺而成的非織造材料的過(guò)濾效率要明顯大于單純使用PAN纖維針刺而成的非織造材料;單純使用PAN纖維針刺而成的非織造材料(1號(hào)、5號(hào)和9號(hào)樣品)的過(guò)濾效率只有20%左右，且隨著面密度的增大過(guò)濾效率提高不明顯;添加PTFE纖維后，所得針刺非織造材料的過(guò)濾效率明顯提高，且隨著PTFE纖維含量的增加，過(guò)濾效率略有提升，但基本都維持在50%～65%范圍內(nèi);隨著樣品面密度的增大，樣品的過(guò)濾效率也隨之升高。

過(guò)濾效率測(cè)試所用的氯化鈉氣溶膠的質(zhì)量中值直徑為0.26 μm，而一般針刺非織造材料的平均孔徑要比該值大得多，很難通過(guò)攔截方式實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠的過(guò)濾，所以純PAN針刺非織造樣品的過(guò)濾效率都很低。PTFE纖維與PAN纖維的介電常數(shù)差別很大，估計(jì)用這兩種纖維混合制成的針刺非織造材料在纖維梳理和針刺過(guò)程中，PTFE纖維和PAN纖維表面會(huì)分別聚集正、負(fù)電荷，可以依靠靜電捕獲機(jī)理來(lái)達(dá)到較好的過(guò)濾效果。因此，PFTE纖維和PAN纖維混合后所得的針刺非織造材料的過(guò)濾效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純PAN纖維針刺非織造材料。

2.3 表面靜電壓

為了解針刺非織造材料樣品表面所帶電荷量，用織物感應(yīng)式靜電測(cè)試儀測(cè)試了樣品的表面電壓，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各樣品表面靜電壓

從表5可以看出：由純PAN纖維制備的1號(hào)、5號(hào)和9號(hào)樣品，其表面靜電壓很低，說(shuō)明在成形過(guò)程中由纖維間摩擦形成的電荷量很少，均在5 V以內(nèi)，而PTFE纖維和PAN纖維混合針刺非織造材料的表面靜電壓要明顯大于純PAN纖維針刺非織造材料;隨著面密度的增大以及PTFE纖維含量的增加，樣品的表面靜電壓呈逐漸增大的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)闃悠分械睦w維數(shù)量越多，纖維之間的摩擦就越多，積累的電荷也就更多，從而使材料表面的靜電壓增大。在本試驗(yàn)中，樣品的表面靜電壓值波動(dòng)較大，其原因一是與測(cè)試儀器及測(cè)試環(huán)境有關(guān)，另一是與樣品中纖維的混合均勻性有關(guān)。

筆者曾嘗試將PTFE纖維和PAN纖維按照1∶1和2∶1(質(zhì)量比)的配比進(jìn)行梳理成網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)其制得的非織造材料的表面靜電壓數(shù)值較小，故未將數(shù)據(jù)列表分析。這可能是因?yàn)镻TFE纖維和PAN纖維間的線密度相差太大，而當(dāng)PAN纖維的占比大時(shí)，難以梳理成網(wǎng)，纖網(wǎng)的均勻度變差。

2.4 過(guò)濾效率與表面靜電壓的關(guān)系

為了更好地找出樣品過(guò)濾效率和表面靜電壓之間的關(guān)系，把12個(gè)樣品按照面密度分為三組，將樣品的表面靜電壓和過(guò)濾效率作圖，結(jié)果如圖1所示。

圖1 樣品表面靜電壓和過(guò)濾效率的關(guān)系曲線

從圖1可以看出：在樣品面密度相同時(shí)，其過(guò)濾效率隨著表面靜電壓的增加而增加，說(shuō)明靜電捕獲機(jī)理是該類樣品的主要過(guò)濾方式;當(dāng)樣品面密度變大時(shí)，總體上面密度大的樣品在表面靜電壓以及過(guò)濾效率的數(shù)值上都要大于面密度小的樣品，但也存在一個(gè)例外，面密度為430 g/m2的8號(hào)樣品的過(guò)濾效率略高于面密度為530 g/m2的10號(hào)樣品。考慮到兩者的差值并不大，其原因可能是與樣品的厚度不勻有一定關(guān)系，也可能與試驗(yàn)環(huán)境的溫濕度有關(guān)。

2.5 樣品經(jīng)高溫高濕處理后的過(guò)濾效率

為了解通過(guò)摩擦帶電的針刺非織造材料的過(guò)濾效率是否會(huì)受環(huán)境的影響而下降，本文選取了纖維質(zhì)量比為3∶1，面密度為330、430和530 g/m2的2號(hào)、6號(hào)和10號(hào)樣品，參照GB2626—2006《呼吸防護(hù)用品自吸過(guò)濾式防顆粒物呼吸器》對(duì)樣品進(jìn)行了高溫高濕處理后過(guò)濾效率的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 樣品高溫高濕處理前后的過(guò)濾效率的比較

從表6可以看出，經(jīng)過(guò)高溫高濕處理后，三種樣品的過(guò)濾效率沒(méi)有明顯的下降，說(shuō)明樣品表面所帶的靜電荷較為穩(wěn)定。這表明了機(jī)械梳理成網(wǎng)和針刺摩擦帶電是一種較好的能賦予非織造材料有較好耐久性的過(guò)濾效果的方法。

3 結(jié)論

根據(jù)摩擦帶電原理，將PTFE和PAN兩種介電常數(shù)不同的纖維通過(guò)羅拉梳理機(jī)梳理成網(wǎng)和針刺加固制得針刺非織造過(guò)濾材料，研究了纖維配比、材料表面電荷與過(guò)濾效率之間的關(guān)系，得到的主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)羅拉梳理和針刺加固，可以使兩種介電常數(shù)不同的纖維表面帶上靜電荷，可大大提高所制針刺非織造材料的過(guò)濾效率。

(2)在所選兩種纖維的比例范圍內(nèi)，對(duì)于相同面密度的非織造材料，隨著PTFE纖維含量的逐漸增大，其表面靜電壓呈逐漸增大的趨勢(shì)，但增大趨勢(shì)不明顯。

(3)兩種纖維配比相同的針刺非織造材料，面密度越大，材料的表面靜電壓就越大，過(guò)濾效率也越高。

(4)高溫高濕處理后的帶電針刺非織造材料其表面所帶的靜電荷較為穩(wěn)定，過(guò)濾效率沒(méi)有明顯下降。

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