駐極工藝對(duì)PP熔噴非織造過(guò)濾材料靜電性能的影響

姚翠娥，王榮武

（東華大學(xué)，上海201620）

目前凈化空氣的主要手段是應(yīng)用空氣過(guò)濾器和過(guò)濾材料。由于一般的空氣過(guò)濾材料不能有效去除細(xì)小微粒，而且如果不及時(shí)清理過(guò)濾器，容易滋生有害微生物，造成二次污染。作為空氣過(guò)濾材料使用的熔噴駐極非織造材料比一般過(guò)濾材料的過(guò)濾效率高，而且對(duì)具有致癌作用的亞微米級(jí)粒子具有特殊的捕獲作用。

熔噴非織造布作為過(guò)濾材料使用時(shí)，其具有的高過(guò)濾效率在很大程度上受其所帶的電荷影響。當(dāng)材料暴露于特殊環(huán)境中時(shí)，其所帶的電荷會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減，導(dǎo)致過(guò)濾性能下降。因此，過(guò)濾材料駐極后的電荷穩(wěn)定性是決定其能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。本文采用電暈充電對(duì)熔噴非織造布進(jìn)行駐極處理，通過(guò)單因子和多因子正交試驗(yàn)研究了充電電壓、充電距離、充電時(shí)間、環(huán)境濕度等因素對(duì)駐極熔噴非織造布表面靜電勢(shì)衰減的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料為東華大學(xué)非織造工程中心自制的聚丙烯熔噴非織造布，面密度45g／m2，厚度0.5 mm，纖維平均直徑2.47μm。

采用YG401織物感應(yīng)式靜電測(cè)試儀測(cè)試樣品的靜電電量。參考標(biāo)準(zhǔn)《GBT12703.3－2009紡織品靜電性能的評(píng)定 第3部分：電荷量》準(zhǔn)備測(cè)試試樣，每次取樣數(shù)3個(gè)，探頭與試樣間距15 mm，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速1500rpm。

1.2 電暈充電方法

采用電暈充電進(jìn)行駐極處理，充電裝置如圖1所示。充電時(shí)，將樣品平放在接地的平板電極上，針狀電極上接有高壓電源（一般5～10kV）。當(dāng)施加高壓時(shí)，針端下方的空氣產(chǎn)生電暈電離，產(chǎn)生局部擊穿放電，載流子受到電場(chǎng)的作用而沉積到樣品表面，一部分載流子會(huì)深入表層被陷阱捕獲，從而使樣品成為駐極體材料。

圖1 電暈充電示意圖

2 熔噴非織造布駐極后的靜電性能分析

熔噴駐極過(guò)濾材料主要通過(guò)機(jī)械阻擋和靜電吸附雙重作用來(lái)捕獲粒子。機(jī)械阻擋作用與材料的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)密切相關(guān)；當(dāng)熔噴過(guò)濾材料通過(guò)電暈充電處理后帶有幾百到幾千伏電壓，由于靜電的排斥作用使纖維擴(kuò)散成網(wǎng)狀孔洞，纖維的間隙尺寸遠(yuǎn)大于粉塵的尺寸，從而形成了一種開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。當(dāng)粉塵經(jīng)過(guò)熔噴過(guò)濾材料時(shí)，靜電作用不僅能有效地吸引帶電粉塵粒子，而且以靜電感應(yīng)效應(yīng)捕獲感應(yīng)極化的中性粒子，材料靜電勢(shì)越大，靜電吸附作用越強(qiáng)。由公式（1）可知，靜電電勢(shì)越高，材料的電荷面密度越大，帶電電荷越多，靜電作用越強(qiáng)。

表面電荷密度

式中：V 是表面電位，ε是聚合物的介電常數(shù)；d是聚合物厚度。

3 結(jié)果與討論

3.1 單因子試驗(yàn)

以下分別研究充電電壓、充電距離、充電時(shí)間、環(huán)境濕度等單因素對(duì)熔噴駐極非織造布靜電性能的影響。

最后, 如果將駐定模態(tài)和兩對(duì)行波模態(tài)的中性曲線(xiàn)放在一起, 盡管最不穩(wěn)定的模態(tài)是駐定模態(tài), 但它的臨界點(diǎn)發(fā)生在中等波長(zhǎng)區(qū)域, 并且截?cái)嗖〝?shù)隨著Reynolds數(shù)增大趨于3.9. 這樣, 對(duì)于在x坐標(biāo)方向受限的情況下, 如果x坐標(biāo)方向受限尺度小于方腔高度(k>2π), 這時(shí)駐定模態(tài)無(wú)法出現(xiàn), 而行波模態(tài)基于它的短波特征可能會(huì)最先失穩(wěn).

3.1.1 充電電壓

在充電距離為8mm，充電時(shí)間為10min，環(huán)境濕度為35%下，分別用6kV、8kV、10kV對(duì)試樣進(jìn)行電暈駐極處理，研究不同充電電壓對(duì)試樣靜電性能的影響。

由圖2可看以出，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，隨著充電電壓的增加，熔噴駐極體材料表面靜電勢(shì)增大。這是因?yàn)殡S著充電電壓的增大，駐極材料的極化電場(chǎng)增強(qiáng)，在樣品表面俘獲的電荷越多，故表面靜電勢(shì)也就越大。同時(shí)由圖2可以看出，隨著存放時(shí)間的增大，熔噴駐極材料的表面靜電勢(shì)有所衰減，在不同充電電壓下材料表面靜電勢(shì)衰減的趨勢(shì)相同，保留率相差不大，并且在30天左右時(shí)趨于穩(wěn)定。由此可知，熔噴聚丙烯駐極材料具有良好的靜電性能。這說(shuō)明，要獲得較好的靜電性能，充電電壓越大越好，但不能超過(guò)一定極限，如充電電壓超過(guò)10kV時(shí)，會(huì)出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)材料被擊穿，因此要合理選擇充電電壓。

圖2 不同充電電壓下樣品的表面靜電勢(shì)變化趨勢(shì)圖

3.1.2 充電時(shí)間

在充電距離為8mm，充電電壓為10kV，環(huán)境濕度為35%時(shí)，研究不同充電時(shí)間對(duì)熔噴聚丙烯駐極過(guò)濾材料靜電性能的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著充電時(shí)間的增加，熔噴駐極體材料的表面靜電勢(shì)增大，其變化規(guī)律和充電電壓的影響類(lèi)似。當(dāng)充電時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，樣品表面俘獲的電荷越多，從而有更多的電荷被俘獲在較深的阱陷中，所以表面靜電勢(shì)越大。但是，當(dāng)充電到一定時(shí)間時(shí)，若樣品表面俘獲的電荷達(dá)到飽和狀態(tài)，俘獲的電荷不會(huì)隨充電時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，此時(shí)表面靜電勢(shì)也趨于穩(wěn)定。故要獲得較高的表面靜電勢(shì)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的充電時(shí)間。

圖3 不同充電時(shí)間下樣品的表面靜電勢(shì)變化趨勢(shì)圖

3.1.3 充電距離

在充電時(shí)間為10min，充電電壓為10kV，環(huán)境濕度為35%時(shí)，考察不同充電距離對(duì)熔噴駐極過(guò)濾材料靜電性能的影響。

圖4 不同充電距離下樣品的表面靜電勢(shì)變化趨勢(shì)圖

3.1.4 環(huán)境濕度

在常溫常濕條件下，PP熔噴駐極濾料具有很良好的電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性，但當(dāng)樣品在儲(chǔ)存在高濕環(huán)境時(shí)，由于水分子中的極性基團(tuán)、大氣中的異性離子等對(duì)纖維上面電荷的補(bǔ)償效應(yīng)而造成電荷大量損失。因此環(huán)境濕度是影響PP熔噴駐極濾料在常溫下電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性的重要因素。在充電電壓為10kV，充電時(shí)間為10min，充電距離為8 mm時(shí)，考察不同環(huán)境濕度對(duì)熔噴聚丙烯駐極過(guò)濾材料靜電性能的影響。

由圖5可看出，試樣的表面靜電勢(shì)隨環(huán)境濕度的增大而逐漸減小，并且濕度越高，下降趨勢(shì)越快。高濕引起材料靜電性能下降的重要原因是熔噴駐極非織造材料是多孔材料結(jié)構(gòu)，存在較大的表面積和開(kāi)放型孔洞，存放在高濕環(huán)境下增加了材料表面與環(huán)境中水分子的接觸機(jī)會(huì)，水中離子影響了材料本身的駐極電極性，其靜電吸附作用隨之減弱，從而表面電位下降，電荷儲(chǔ)存呈現(xiàn)不穩(wěn)定性，隨時(shí)間而變化。由此可知，環(huán)境濕度越大，表面靜電勢(shì)越低，并且表面靜電勢(shì)的保留率也越小。

圖5 不同環(huán)境濕度下樣品的表面靜電勢(shì)變化趨勢(shì)圖

3.2 多因子正交試驗(yàn)

通過(guò)多因子正交設(shè)計(jì)的方法，可以方便地分析在設(shè)定的參數(shù)及取值范圍內(nèi)的最佳工藝條件以及各因素的影響程度。這是單因子試驗(yàn)做不到的。選取充電時(shí)間、充電距離、充電電壓、環(huán)境濕度4個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，駐極工藝參數(shù)水平表如表1所示。

表1 駐極工藝參數(shù)因子水平表

在保證使用有代表性的樣本來(lái)最真實(shí)地反映總體情況的前提下根據(jù)正交試驗(yàn)方法，對(duì)四因子三水平采用L9（34）表來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及材料的靜電性能測(cè)試如表2所示。采用極差分析法得出各因素對(duì)熔噴非織造布進(jìn)行駐極處理的最優(yōu)工藝條件。

表2 L9（34）正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表

其中：Ki—該因子第i水平的試驗(yàn)指標(biāo)值之和；

ki—該因子第i水平的平均試驗(yàn)指標(biāo)值；

R—極差，對(duì)某因子R＝kmax－kmin，R值越大，則該因素對(duì)所考察指標(biāo)的影響越大。

通過(guò)正交計(jì)算可知，因素C充電電壓對(duì)應(yīng)的極差最大，所以其對(duì)樣品的駐極效果影響最顯著，其次是環(huán)境濕度和充電距離，充電時(shí)間對(duì)樣品的駐極效果影響最小。同時(shí)由表2可得出初始表面靜電勢(shì)最高的是7號(hào)樣品，這4個(gè)駐極工藝參數(shù)的最佳組合A3B1C3D2，即在本實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行駐極處理時(shí)，選取充電電壓10kV，充電時(shí)間15 min，充電距離8mm，環(huán)境濕度35%，最有利于樣品的駐極處理，達(dá)到較好的靜電駐極效果。

4 結(jié)論

4.1 PP熔噴非織造過(guò)濾材料的表面靜電勢(shì)隨充電電壓、充電時(shí)間的增加而增大，而隨著充電距離和環(huán)境濕度的增大而減小。其中，充電電壓對(duì)樣品的駐極效果影響最明顯，其次是環(huán)境濕度和充電距離，充電時(shí)間對(duì)樣品的駐極效果影響最小。

4.2 充電電壓、充電距離及充電時(shí)間對(duì)駐極穩(wěn)定性的影響不大，而環(huán)境濕度對(duì)駐極穩(wěn)定性的影響較大，且環(huán)境濕度越大，駐極穩(wěn)定性越差，電荷衰減得越多。在本實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行駐極處理時(shí)，選取充電時(shí)間15min，充電距離8mm，充電電壓10 kV，環(huán)境濕度35%，最有利于樣品的駐極處理，達(dá)到較好的駐極效果。

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