空氣過濾材料駐極工藝的研究

胡 樹，陳祥超，黎 鵬，郭 輝,2

(1.深圳市新綸科技股份有限公司，廣東 深圳 518132；2.深圳市新綸先進材料科學(xué)研究院有限公司，廣東 深圳 518052)

空氣過濾材料駐極工藝的研究

胡 樹1，陳祥超1，黎 鵬1，郭 輝1,2

(1.深圳市新綸科技股份有限公司，廣東深圳518132；2.深圳市新綸先進材料科學(xué)研究院有限公司，廣東深圳518052)

文章研究了采用高壓極化法制備駐極體高效低阻空氣濾材的工藝。通過正交實驗，研究了駐極電壓、駐極距離、駐極速度、駐極溫度等工藝參數(shù)以及柵網(wǎng)電極、二次駐極對駐極體濾材的表面靜電勢和過濾效率的影響。結(jié)果表明：駐極電壓對駐極體空氣過濾材料的表面靜電勢和過濾效率影響最為顯著，其次為駐極速度和充電距離，駐極溫度的影響最小。增加?xùn)啪W(wǎng)電極有助于空氣過濾材料獲得均勻穩(wěn)定的表面靜電勢，而二次駐極有利于駐極體空氣濾材獲得更高的表面靜電勢和過濾效率，電荷存儲性也更佳。

駐極體；過濾材料；電壓；柵網(wǎng)電極

1 引言

隨著工業(yè)的高速發(fā)展和人類生產(chǎn)、生活的影響，當(dāng)前我國城市空氣質(zhì)量狀況堪憂，可吸入肺顆粒物(PM2.5)吸入體內(nèi)后會引發(fā)哮喘、支氣管炎等疾病，嚴(yán)重危害人體健康[1]。解決空氣質(zhì)量問題最有效的方法之一就是空氣過濾，其核心是空氣過濾材料。傳統(tǒng)空氣過濾材料的濾材由細小的纖維或多孔材料構(gòu)成，主要通過攔截、慣性、擴散等效應(yīng)來捕獲粉塵粒子。但是空氣中的大多數(shù)粉塵(如香煙中的尼古丁、工業(yè)粉塵中的石英和玻璃纖維、石棉及各類壓電陶瓷等、工業(yè)粉塵)和各類病毒、細菌都是亞微米級和納米級粒子，因此傳統(tǒng)空氣過濾材料為達到較高過濾效果，采用夯實致密或加厚的結(jié)構(gòu)，這樣極大地增加了空氣阻力，導(dǎo)致產(chǎn)品透氣性差，給使用者帶來不適[2]。駐極體針刺空氣過濾材料，具有比表面積大、密度小、結(jié)構(gòu)疏松、容塵量大、過濾效率高、耐化學(xué)腐蝕性好、抗褶皺能力強等特點。它在傳統(tǒng)空氣過濾材料的碰撞、攔截和擴散等機械捕集機理的基礎(chǔ)上，通過駐極處理增加了靜電吸附作用，進一步提高了對微小顆粒的過濾效率，卻不提高氣流阻力，減少了過濾器材的能耗，延長濾材的使用壽命；同時具有一定滅菌抑菌的功能，在醫(yī)療衛(wèi)生、生物制藥工業(yè)、食品加工及旅館酒店、家庭和公共場所潔凈等方面的應(yīng)用上，顯示出獨特的優(yōu)勢，成為應(yīng)用前景廣泛的新型空氣過濾材料[3-6]。傳統(tǒng)薄膜和空氣濾材的駐極工藝研究，多為基礎(chǔ)理論的研究，在科技成果產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化時并無實際借鑒意義。本研究利用高壓極化充電法，通過對空氣濾材進行在線連續(xù)駐極處理，在傳統(tǒng)駐極工藝的研究基礎(chǔ)上，對柵網(wǎng)電極和二次駐極對駐極體空氣過濾材料的過濾性能和電荷儲存性的影響進行了研究，對駐極體空氣過濾材料的生產(chǎn)和應(yīng)用具有一定的參考價值。

2 實驗部分

2.1材料及設(shè)備

材料：深圳市新綸科技股份有限公司自制的針刺無紡空氣過濾棉(膜裂纖維制備)，克重為90 g/m2，纖維平均直徑25 μm。

設(shè)備：高壓直流電源，DW-SA503-1ACF1，-50KV～+50KV；高壓極化裝置，深圳市新綸先進材料科學(xué)研究院有限公司自制，主要由兩套駐極輥、弧形駐極板和弧形柵網(wǎng)、若干導(dǎo)輥以及放、收卷裝置構(gòu)成，駐極板、柵網(wǎng)通過導(dǎo)線與高壓直流電源連接，駐極輥、導(dǎo)輥做包膠處理，并接地，如圖1所示。弧形駐極板上均勻分布著高壓靜電發(fā)生針，材質(zhì)為加硬鋼針表面鍍硬鉻；自動濾料測試儀，Certi Test 8130型；織物透氣性測試儀，YG461DA；透濕性試驗儀，YG501D；靜電場測試儀，Kleinwachter EFM-023。

圖1 駐極裝置示意圖

2.2實驗方法

高壓極化法：空氣過濾材料經(jīng)放卷裝置放卷，經(jīng)導(dǎo)輥牽引依次通過第一駐極輥和第二駐極輥，再經(jīng)導(dǎo)輥進入收卷裝置，收卷包裝備用。駐極板連接高壓直流電源，駐極板上均勻分布有高壓靜電發(fā)生針，與接地的駐極輥形成較均勻的高壓電場。空氣過濾材料通過高壓電場過程中，駐極板針端下方的空氣產(chǎn)生電暈電離，產(chǎn)生局部擊穿放電，載流子受到電場的作用而沉積到樣品表面，一部分載流子會深入表層被陷阱捕獲，過濾材料隨著駐極輥的轉(zhuǎn)動而行進，均勻地接受駐極處理，從而使過濾材料成為駐極體高效低阻空氣濾材[7]。駐極原理示意圖，如圖2所示。通過高壓直流電源可以調(diào)整輸出電壓及電性，可通過電源開關(guān)控制單次駐極和二次駐極。

圖2 駐極原理示意圖

2.3分析與測試

過濾效率和氣流阻力：采用自動濾料測試儀，分別參照GB/T 2626—2006《呼吸防護用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》和GB/T 19083—2010《醫(yī)用防護口罩技術(shù)要求》測試過濾材料的的過濾效率和氣流阻力。采用0.3 μm NaCl顆粒進行測試，氣體流量為30 L/min。測試環(huán)境：樣品在潔凈室環(huán)境中(22.0℃±3℃/RH 50%±5%)預(yù)處理48 h。

透氣率：使用織物透氣性測試儀，按照GB/T 5456—1997《紡織品 織物透氣性的測定》測試過濾材料的透氣性，測試壓力200 Pa。

透濕率：使用透濕性試驗儀，按照GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法》，測試過濾材料的透濕性。

電荷儲存穩(wěn)定性：使用Kleinwachter EFM-023靜電場測試儀，測試過濾材料的電荷儲存穩(wěn)定性，測試距離為20 mm。分別測定放置24 h、7 d、28 d和90 d后，測量空氣過濾材料的表面靜電勢變化情況。

3 實驗與結(jié)果

3.1駐極工藝參數(shù)的研究

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備和實驗條件，經(jīng)過前期探索性實驗，選取A駐極電壓、B駐極距離、C駐極溫度和D駐極速度四個因素，每個因素取4個水平數(shù)設(shè)計正交實驗。駐極電壓為駐極板連接的高壓電源的輸出電壓及極性；駐極距離為駐極針尖到過濾材料表面的平均距離；駐極速度為駐極過程中過濾材料的行進速度；駐極溫度為駐極前將過濾材料在紅外烘道中進行預(yù)處理的溫度，處理時間為10 min。駐極工藝參數(shù)的因素與水平如表1所示。

表1 駐極工藝參數(shù)因素水平表

在保證使用樣本能夠真實反映總體情況的前提下，添加一個空白列，采用L16(45)表來設(shè)計正交實驗。將16組實驗樣品編號，在不同的駐極參數(shù)下測得各組樣品的表面靜電勢和過濾效率。正交設(shè)計實驗表和所得測試結(jié)果如表2所示。

表2 L16(45)正交設(shè)計實驗表

表3 表面靜電勢的正交實驗結(jié)果

表4 過濾效率的正交實驗結(jié)果

其中：Ki-該因子第i水平的實驗指標(biāo)值之和；ki-該因子第i水平的平均實驗指標(biāo)值；R-極差，對某因子R=kmax-kmin。

由表3和表4可以看出，因素A駐極電壓對應(yīng)的表面靜電勢和過濾效率的極差均為最大值，表明駐極電壓對樣品的表面靜電勢和過濾效率影響最為顯著，其次為駐極速度和充電距離，駐極溫度的影響最小。結(jié)合表2可以看出，當(dāng)駐極工藝參數(shù)為A3B2C4D3組合時，測得的過濾材料的表面靜電勢最低(-1800 V)，此時測得的過濾效率也達到最大值(93.01%)。即在本實驗條件下，選取駐極電壓-12 kV，駐極速度9 m/min，駐極溫度為80℃，充電距離1 cm時，能夠獲得較理想的表面靜電勢和過濾效率。從表2～表4還可以看出，駐極體過濾材料的過濾效率與表面靜電勢之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系。

在一定范圍內(nèi)，過濾材料的表面靜電勢隨著駐極電壓的增加而增加。當(dāng)駐極電壓超過某一值后，充電電壓與過濾材料之間的空氣介質(zhì)被擊穿，導(dǎo)致過濾材料上的靜電荷逃逸，表面靜電勢降低。當(dāng)駐極距離較小時，也會出現(xiàn)這種情況。因此，在駐極距離為0.5 cm時，過濾材料并沒有獲得較高的表面靜電勢。在本實驗中，雖然駐極時間較短(低于10 s)，但駐極體過濾材料的表面靜電勢并沒有隨著駐極速度的增加而降低，反而出現(xiàn)了一個先增加后下降的趨勢。這可能是因為開始駐極的很短的時間內(nèi)介質(zhì)材料的靜電荷迅速達到飽和，而進一步的駐極可能使部分介質(zhì)表面電荷被擊穿，導(dǎo)致濾料表面靜電荷的減少[8]。

3.2柵網(wǎng)電極的研究

在工藝參數(shù)為A3B2C4D3組合(對應(yīng)樣品10)的條件下，在原有駐極設(shè)備上增加一個柵網(wǎng)電極，通過駐極試驗得到樣品17，測試其表面靜電勢與過濾效率，與樣品10對比見表5。

由表5可以看出，增加?xùn)啪W(wǎng)電極后濾材的表面靜電勢大于無柵網(wǎng)時，且其方差遠小于后者。這說明柵網(wǎng)電極的存在，不但提高了駐極濾材的表面靜電勢，而且有助于濾材獲得均勻分布的表面靜電勢。這可能是由于針尖放電產(chǎn)生的電場強度在空氣介質(zhì)間不是均勻分布的，不同位置的濾材從空氣中獲得的靜電荷也就不是均勻的，而柵網(wǎng)電極使得空氣介質(zhì)的場強分布更加均勻，因此提高了駐極材料的表面靜電勢和過濾效率[9]。

3.3單次駐極和二次駐極的研究

在工藝序號17的基礎(chǔ)上，對比研究了單次駐極與二次駐極對空氣過濾材料的表面靜電勢和過濾效率的影響(柵板電極相應(yīng)增加)，結(jié)果如表6所示。

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表5 柵網(wǎng)對駐極材料表面靜電勢和過濾效率的影響

表6 駐極次數(shù)對過濾材料表面靜電勢和過濾效率的影響

由表6可以看出，二次駐極后的駐極體空氣過濾材料的表面靜電勢明顯高于單次駐極，同時過濾效率也有所提高，說明二次駐極有助于駐極體空氣過濾材料獲得更高的表面靜電勢，有助于制備過濾效率更高的駐極體空氣過濾材料。

3.4綜合性能測試

對工藝序號18制作的駐極體空氣過濾材料進行綜合性能測試，包括過濾效率、透氣性、透濕性和電荷儲存穩(wěn)定性等，結(jié)果如表7和表8所示。

表7 駐極體空氣過濾材料過濾性能及舒適性測試

表8 駐極體空氣過濾材料電荷穩(wěn)定性測試

由表7和表8可以看出，駐極體空氣過濾材料的表面電荷衰減主要發(fā)生在儲存初始階段(7 d內(nèi))，后來基本保持不變。通過高壓駐極處理，駐極體材料表面和內(nèi)部含有空間電荷和極化電荷兩種電荷。存儲過程中由于環(huán)境的影響(溫濕度)，空間電荷會逐漸減少，而極化電荷將一直存儲在濾材中，因此濾材的表面靜電勢會呈現(xiàn)下降的趨勢。對于高壓極化處理的駐極體，電荷大部分集中在纖維的表面附近，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。而存儲后期極化電荷一直存儲在濾料內(nèi)部中基本不變[10]。

本研究制備的駐極體空氣過濾材料具有較高的過濾效率和極低的氣流阻力，以及優(yōu)異的透氣性和透濕性，并且儲電性能也非常好，可將其應(yīng)用于個人呼吸防護、空氣過濾器、真空吸塵器、汽車空氣凈化、室內(nèi)空氣凈化等領(lǐng)域。并且隨著對駐極體過濾材料研究和開發(fā)的深入，其在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用會更加廣泛。

4 結(jié)論

4.1駐極體空氣過濾材料的表面靜電勢與駐極電壓、駐極距離、駐極速度、駐極溫度有關(guān)。正交實驗表明，駐極電壓對表面靜電勢的影響尤為顯著，駐極速度對表面靜電勢的影響一般顯著，駐極距離對表面靜電勢的影響次之，駐極溫度對表面靜電勢的影響最小。

4.2駐極體空氣過濾材料的過濾效率與表面靜電勢呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系。

4.3添加?xùn)啪W(wǎng)裝置有助于空氣過濾材料獲得均勻穩(wěn)定的表面靜電勢。

4.4二次駐極有助于駐極體空氣過濾材料獲得更高的表面靜電勢，有助于制備過濾效率更高的駐極體空氣過濾材料。

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Abstract: This article studied the air filter ation material of high efficiency and low resistance prepared by the method of electric field polarization. Through orthogonal experiment, the influences of process parameters on the surface electrostatic potential and filtration efficiency were studied. The results showed that the most significant influence factor was the charging voltage, followed by charging speed and distance, and the temperature was minimum. Besides, it was found that grid electrode could contribute to form uniform and stable surface charge. Twice polarizing treatment was conducive to obtain higher surface electrostatic potential, filtration efficiency and better storage of charge.

Keywords: electret； filter material； voltage； mesh electrode

合理使用資源造福子孫后代

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StudyonElectretTechnologyofAirFiltrationMaterial

HuShu1，ChenXiangchao1，LiPeng1，GuoHui1,2

(1.Shenzhen Selen Science & Technology Co., Ltd., Shenzhen 518132， China; 2.Shenzhen Selen Advanced Material Technology Research Institute Ltd., Shenzhen 518052， China)

TS176+.3

A

1009-3028(2017)05-0001-05

2017-08-11

深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金資助(JSGG20153024152817)

胡 樹(1984—)，男，湖北黃石人，工程師。