聚丙烯熔噴非織造材料電暈駐極處理研究

任 煜，徐玉康，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)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海201260;3.南通麗洋新材料開發(fā)有限公司，江蘇 南通226007)

近年來，我國城市空氣污染較嚴(yán)重，其中顆粒物是影響中國城市空氣質(zhì)量的主要污染物，嚴(yán)重影響了環(huán)境質(zhì)量，對(duì)人體健康產(chǎn)生了不良影響。以聚丙烯為原料的非織造材料，并具有比表面積大、密度小、耐化學(xué)腐蝕性好、抗折皺能力強(qiáng)等特點(diǎn)，成為空氣過濾器的首選材料［1－2］。但普通空氣過濾材料對(duì)于細(xì)小微粒，如PM5以下的呼吸性粉塵的去除不夠徹底，且濾除這些粉塵粒子需采用處于夯實(shí)狀態(tài)的纖維，這樣極大地增加了流阻，給使用者帶來不適［3－4］。駐極體是指具有長(zhǎng)期儲(chǔ)存電荷功能的電介質(zhì)材料，具有高效率，低流阻，抗菌，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，過濾效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)過濾材料［5－7］。在過濾過程中，駐極體空氣過濾材料依靠庫侖力直接吸引氣相中的帶電微粒并將其捕獲，或誘導(dǎo)中性微粒產(chǎn)生極性再將其捕獲，從而更有效地過濾具有致癌作用的亞微米級(jí)粒子。作者利用高壓電暈放電技術(shù)對(duì)聚丙烯熔噴非織造過濾材料進(jìn)行駐極處理，討論了駐極電壓、駐極時(shí)間以及電極與被處理試樣之間的距離等對(duì)熔噴非織造材料性能的影響;同時(shí)研究了駐極處理后材料在不同濕度環(huán)境中存儲(chǔ)靜電荷的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

聚丙烯熔噴非織造材料:面密度為28 g/m2，南通麗洋非織造工業(yè)有限公司提供。為了去除材料上殘留的靜電荷，將聚丙烯熔噴非織造材料在去離子水中浸泡24 h后晾干。

HL-2型恒流高壓直流電源:上海激光電源設(shè)備有限公司制造。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用外置式電暈充電方法對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料進(jìn)行駐極處理，處理裝置如圖1所示。處理時(shí)，將聚丙烯纖維濾材平放在下電極極板上，多排電暈針尖對(duì)準(zhǔn)試樣。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，在電極下方的試樣表面捕獲與放電針極性相同的電荷，使聚丙烯熔噴纖維帶電。實(shí)驗(yàn)中熔噴非織造材料在下極板上被勻速拉動(dòng)，能均勻地接受駐極處理。

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

1.3 分析與測(cè)試

微觀形態(tài):采用中科院科學(xué)儀器發(fā)展有限公司KYKY2800型掃描電子顯微鏡觀察電暈放電處理前后聚丙烯熔噴非織造過濾材料表面形貌。

表面靜電位:采用上海電子儀器廠的DWJ-81型靜電電位計(jì)測(cè)試駐極處理材料表面的靜電位。

透氣性:參照GB/T5453—1997，采用溫州大榮紡織儀器有限公司的YG(B)461E型數(shù)字式織物透氣性能測(cè)定儀測(cè)試駐極處理前后材料的透氣性能。

過濾效率:采用TSI公司的Certi Test 8130型自動(dòng)濾料測(cè)試儀對(duì)經(jīng)駐極處理的聚丙烯熔噴非織造材料的過濾性能儀進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀形態(tài)分析

從圖2a可看出，聚丙烯熔噴非織造材料中纖維直徑分布均勻，纖維呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)排列，纖網(wǎng)中空隙較多，材料具有高效過濾性能及較好的透氣性。

圖2 聚丙烯熔噴材料駐極處理前后的表面形貌Fig.2 Surface morphology of polypropylene nonwoven fabrics before and after corona discharge

從圖2還可以看出，經(jīng)處理4 s，隔距6.5 cm，不同電壓駐極處理后，纖維表面略現(xiàn)粗糙。在直流電壓作用下，負(fù)極性電暈或正極性電暈均在尖端電極附近聚集起空間電荷，出現(xiàn)許多脈沖形式的電暈電流。電暈產(chǎn)生粒子使聚丙烯分子鏈斷裂堆積在纖維表面生成的隆起［8］。但使用的高壓靜電發(fā)生器電流很小(最大輸出電流為1 mA)，故放電功率較低。因此隨著放電電壓的增大，聚丙烯熔噴材料表面形態(tài)變化不顯著。

2.2 駐極電壓

從圖3可以看出，當(dāng)所加的電壓為5～15 kV時(shí)，聚丙烯熔噴非織造材料表面的靜電電荷隨電壓的增大而增加。但電壓繼續(xù)增加到20 kV時(shí)，濾料表面的靜電電壓逐漸減小，這是由于當(dāng)電壓增加到一定值時(shí)，材料局部被過大的電壓擊穿，導(dǎo)致材料表面的靜電電荷減少。

圖3 駐極電壓對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料表面電位的影響Fig.3 Effect of corona discharge voltage on surface voltage of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

從圖4可以看出，聚丙烯熔噴非織造材料在未駐極和駐極之后的透氣性幾乎沒有變化。透氣性是氣體對(duì)薄膜、涂層、織物等高分子材料的滲透性，是過濾材料重要的物理性能之一，材料的透氣性受其孔徑和孔隙率共同影響。過濾材料孔徑小而孔隙率高是能夠獲得“高效阻截顆粒、低阻力通過流體”這一過濾性能的理想結(jié)構(gòu)［9］。在電暈放電駐極處理的過程中，聚丙烯熔噴非織造材料中由纖維構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生較大的變化，材料的孔隙結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，因此駐極處理后聚丙烯熔噴材料的透氣性能基本沒有改變。

圖4 駐極處理后聚丙烯熔噴非織造材料的透氣性Fig.4 Air permeability of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics after corona discharge

從圖5可以看出，未經(jīng)駐極處理的聚丙烯熔噴非織造材料的過濾效率僅為41.3%，而經(jīng)駐極處理后濾料的過濾效率顯著增加，增加到約80%，隨著駐極電壓的上升，過濾效率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。可見聚丙烯熔噴過濾材料的過濾效率與駐極體電場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)。在電暈極化過程中，隨著駐極化電壓的增加，在相同的時(shí)間內(nèi)濾料表面積聚的電荷數(shù)量增加，表面電位提高，增強(qiáng)了對(duì)粉塵的捕捉效果，因而試樣的過濾效率也不斷提高［7］。若繼續(xù)提高駐極電壓，材料的過濾效率不再繼續(xù)增加，因?yàn)榇藭r(shí)材料表面所能容納的靜電荷量已經(jīng)達(dá)到飽和。

圖5 處理電壓對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料過濾效率的影響Fig.5 Effect of corona discharge voltage on filtration efficiency of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

2.3 處理隔距

從圖6可看出，隨著電極與被處理材料之間距離的增加，聚丙烯熔噴非織造材料表面靜電電位降低。

圖6 電暈放電處理隔距對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料表面電位的影響Fig.6 Effect of corona discharge distance on surface static voltage of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

外置式電暈放電駐極針尖放電產(chǎn)生的電場(chǎng)，電場(chǎng)分布是由上至下逐漸減弱［10］，而且當(dāng)上下電極的距離增加時(shí)，在空氣中流失的電場(chǎng)粒子越多，試樣捕獲到的電場(chǎng)粒子就越少［11］。因此，隨著電極與被處理材料之間距離的增加，材料表面的靜電電荷減少，過濾效率降低。

2.4 處理時(shí)間

從圖7可以看出，隨著處理時(shí)間的增加，材料的表面電位增加。但是當(dāng)時(shí)間進(jìn)一步增加時(shí)，材料的表面電荷略有減少。這是由于在駐極開始的時(shí)候，隨著駐極時(shí)間的增加，沉積的等效面電荷密度增大，駐極體表面的電勢(shì)升高。但隨著駐極時(shí)間進(jìn)一步增加，材料表面電位足夠高時(shí)，針尖下方的電荷將被排斥向其他電荷密度較小的地方移動(dòng)［5］。當(dāng)駐極結(jié)束時(shí)，其電荷面密度達(dá)到飽和狀態(tài)，因此駐極時(shí)間再增長(zhǎng)時(shí)，材料的表面靜電荷略有減少。

圖7 駐極體處理時(shí)間對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料表面電位的影響Fig.7 Effect of corona discharge time on surface voltage of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

2.5 表面電荷穩(wěn)定性

從圖8可以看出，駐極聚丙烯熔噴非織造材料的表面電荷的衰減主要發(fā)生在初始階段(2 d內(nèi))，后來基本保持不變。且潮濕環(huán)境中試樣表面電荷衰減的速度明顯比干燥環(huán)境下的快。通過電暈駐極處理，聚丙烯熔噴非織造材料含有空間電荷和極化電荷兩種電荷。存儲(chǔ)過程中空間電荷會(huì)逐漸減少，而極化電荷將一直存儲(chǔ)在濾料中，因此濾料的過濾效率會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)［3］。對(duì)于電暈充電的駐極體，電荷大部分集中在駐極體的上表面附近，形成空間電荷分布。在電荷衰減的初始階段，試樣上表面處電荷密度很大，隨著空氣中濕度的增加，電荷大量衰減［12］。而存儲(chǔ)后期電荷基本不變，這是由于極化電荷將一直存儲(chǔ)在濾料中。

圖8 駐極聚丙烯熔噴非織造材料表面電荷衰減曲線Fig.8 Plots of surface voltage versus exposure time for melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

3 結(jié)論

a.聚丙烯熔噴非織造材料經(jīng)過駐極處理后，纖維表面略顯粗糙。

b.聚丙烯熔噴非織造材料的表面電位隨著駐極電壓的提高而增大，但隨著電壓進(jìn)一步增加，材料表面的靜電電荷減少;隨著電極之間距離的增加，材料表面靜電電位降低;隨著駐極處理時(shí)間的增加，材料的表面電位增加，但處理時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，材料的表面電荷達(dá)到飽和。

c.經(jīng)過駐極處理后材料的過濾效率顯著提高，材料的透氣性未發(fā)生顯著變化。

d.在存儲(chǔ)過程中，駐極聚丙烯過濾材料的表面電位在初期迅速衰減，以后變化趨緩。在潮濕環(huán)境中試樣表面電荷衰減的速度高于干燥環(huán)境。

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