異丙醇處理對熔噴聚丙烯駐極體空氣凈化材料性能和結(jié)構(gòu)的影響

，，，，鋼進(jìn)(． ， 3008； ．金海環(huán)境技術(shù)股份有限公司， 387)

1 前 言

熔噴聚丙烯(Melt-blown polypropylene，MBPP)駐極體空氣凈化材料由于具有特殊的靜電除塵機(jī)理，因而具有低流阻、高效率、除塵滅菌多功能的特點，是空氣凈化器和呼吸防護(hù)面罩中使用的主要過濾介質(zhì)[1]。其優(yōu)越的過濾性能主要源于所帶的駐極體電荷[2,3]。為了準(zhǔn)確標(biāo)定材料的過濾性能，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織在一般過濾器標(biāo)準(zhǔn)中已明確提出將異丙醇處理去電荷試驗(IPA試驗)列為規(guī)范性內(nèi)容[4]。歐洲EN779等標(biāo)準(zhǔn)甚至規(guī)定，在過濾器試驗報告中除給出正常情況下的過濾效率外，還要給出經(jīng)IPA處理使電荷全部消除后的效率[5]。

已提出的異丙醇處理去電荷的方法主要有熏蒸和浸泡兩種。法國CETIAT實驗室聯(lián)合歐洲不同國家的6個著名實驗室進(jìn)行了異丙醇浸泡試驗，證實了異丙醇浸泡將使MBPP駐極體空氣過濾材料的過濾效率顯著下降[6]。本課題組前期實驗證實，溶劑浸泡對MBPP駐極體凈化材料過濾效率下降與駐極體電場的衰減密切相關(guān)，溶劑的溶脹作用是影響駐極體電場穩(wěn)定性的主要因素[7-8]。早期標(biāo)準(zhǔn)主要推薦異丙醇浸泡法[9]，但是異丙醇浸泡對過濾器和空氣凈化器等產(chǎn)品的監(jiān)測非常麻煩，在制訂最新的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)時，有人建議采用異丙醇熏蒸法[10]，但還沒有對異丙醇熏蒸法的效果進(jìn)行全面評價的報道。

本文報道異丙醇浸泡和異丙醇熏蒸對MBPP駐極體空氣凈化材料過濾效率和阻力的影響，采用熱刺激放電方法研究了異丙醇浸泡和熏蒸前后電荷的存儲性能，并對材料在異丙醇浸泡和熏蒸前后的微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析表征。

2 材料及實驗方法

本文所用的原料是熔體指數(shù)為1500、分子量分布為4～5、等規(guī)度≥97的等規(guī)聚丙烯粒子。本研究所用4種MBPP樣品均在微型熔噴試驗機(jī)上制備。通過調(diào)控熔噴過程的風(fēng)量和接收速度實現(xiàn)對熔噴非織造布單位面積質(zhì)量的控制，進(jìn)而獲得不同過濾效率和阻力的樣品[11]。樣品面積均為15cm×15cm。

MBPP的駐極體性能通過線對面電暈注極方法獲得[12]。注極條件為：注極電壓30 kV，線電極與面電極之間的距離為4cm。

MBPP駐極體空氣過濾材料的電荷存儲性能采用熱刺激放電技術(shù)表征。本研究熱刺激放電譜在熱刺激電流測試儀上進(jìn)行，采取短路測試的方式[13]。初始溫度為30℃，升溫速率為3℃ min-1，終止溫度為150℃。

過濾效率的測試在過濾效率測試儀上進(jìn)行。測試使用的氣溶膠是氯化鈉，粒徑約為0.3μm，風(fēng)量為32L·min-1。

MBPP晶相結(jié)構(gòu)的測定采用廣角X射線衍射技術(shù)，在DX-1500型X射線衍射儀上進(jìn)行；形貌分析采用Hitachi S-4700 II型場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

圖1 異丙醇浸泡(a)和熏蒸(b)實驗裝置示意圖Fig.1 Test device of isopropanol soaking (a) and fumigating (b)

MBPP駐極體空氣過濾材料的浸泡和熏蒸試驗所用的異丙醇為市售分析純試劑，濃度99.95%。浸泡和熏蒸實驗裝置如圖1，具體過程如下：

浸泡：將約100mL異丙醇溶液加入到一密閉容器中，然后將樣品完全浸入異丙醇溶液中。浸泡3h后，取出樣品，并置于通風(fēng)櫥中的絕緣平板上晾干。

熏蒸：將約100mL異丙醇溶液加入到一特定結(jié)構(gòu)的密閉容器中，封閉1h后，將樣品放入容器內(nèi)的支架上，再封閉9h后取出樣品。

3 結(jié)果與分析

3.1 異丙醇處理對MBPP駐極體空氣凈化材料過濾效率和過濾阻力的影響

表1列出了4種具有不同過濾效率和阻力的MBPP駐極體空氣凈化材料經(jīng)異丙醇浸泡前后過濾效率和阻力的測試結(jié)果。由表1可見，異丙醇溶液浸泡后，4種樣品的過濾效率均大幅下降，下降值分別為42%，20%，40%，36%?，F(xiàn)有研究表明，MBPP駐極體空氣凈化材料的高過濾效率與材料中駐極體電荷密切相關(guān)[14]，因此，過濾效率下降說明駐極體電荷發(fā)生了衰減。表1結(jié)果還顯示，4種樣品的阻力沒有發(fā)生顯著變化。其原因可由達(dá)西(Darcy)定律得到解釋。根據(jù)該定律，過濾材料的阻力與其所具有的體積、密度、厚度、纖維細(xì)度、纖維排列方式等結(jié)構(gòu)因素及過濾速度和流體動力學(xué)黏度等有關(guān)。異丙醇溶劑浸泡沒有改變這些因素，因而阻力并不會發(fā)生大的改變。

為了比較異丙醇浸泡和異丙醇熏蒸對駐極體空氣凈化材料過濾性能影響的差異，在與異丙醇浸泡相同的實驗環(huán)境下進(jìn)行了異丙醇熏蒸實驗，結(jié)果如表2所示。

表1 異丙醇浸泡對MBPP駐極體空氣凈化材料過濾效率和阻力的影響Table 1 Influence of isopropanol soaking on the filtration efficiency and resistance for MBPP electret filtration materials

表2 異丙醇熏蒸對MBPP駐極體空氣凈化材料過濾效率和阻力的影響Table 2 Influence of isopropanol fumigating on the filtration efficiency and resistance for MBPP electret filtration materials

異丙醇熏蒸后4種樣品的過濾效率均下降，下降值分別為72%，55%，75%，62%。前已指出，這是由于材料中駐極體電荷發(fā)生了衰減所致。與表1結(jié)果的比較可看出，異丙醇熏蒸后樣品的過濾效率下降幅度明顯高于異丙醇浸泡。與異丙醇浸泡一樣，熏蒸后過濾阻力沒有發(fā)生顯著變化，這也說明熏蒸對材料結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生影響。

用異丙醇溶液浸泡和熏蒸兩種方法對駐極體材料進(jìn)行處理，過濾效率均有所下降，但浸泡后樣品的過濾效率值明顯大于熏蒸樣品?，F(xiàn)有研究表明，無論異丙醇熏蒸還是浸泡，樣品中電荷均會發(fā)生衰減，進(jìn)而導(dǎo)致過濾效率下降。由于駐極體空氣凈化材料的過濾作用源于靜電吸附作用和機(jī)械過濾作用的協(xié)同結(jié)果，排除靜電作用的影響，異丙醇浸泡后樣品的過濾效率比異丙醇熏蒸后大的原因應(yīng)為機(jī)械過濾作用所致。

為了驗證上述觀點，在與前述異丙醇處理相同的實驗條件下，用上述4種未充電樣品進(jìn)行了異丙醇浸泡試驗，結(jié)果如表3所示。異丙醇浸泡后過濾效率均有所增加，而且增加值與充電樣品浸泡后的效率值相同。證明了異丙醇浸泡后過濾效率增加的原因與機(jī)械過濾作用有關(guān)。

表3 異丙醇浸泡對MBPP非駐極體空氣凈化材料過濾效率和阻力的影響Table 3 Influence of isopropanol soaking on the filtrating efficiency and resistance of MBPP non-electret filtration materials

3.2 異丙醇處理前后MBPP駐極體空氣凈化材料的熱刺激放電譜研究

熱刺激放電技術(shù)是研究駐極體電荷存儲性能和穩(wěn)定性的常用方法。通過將駐極體樣品線性升溫，使捕獲在駐極體不同陷阱能級內(nèi)的空間電荷脫阱或使取向的偶極分子發(fā)生松弛，可在外電路上產(chǎn)生電流。通過對所獲得的電流溫度譜的分析可判斷材料體內(nèi)是否存在駐極體的束縛電荷，根據(jù)放電峰峰溫可推測駐極體電荷的陷阱深度。

表1所列4種樣品異丙醇處理前后的熱刺激放電譜如圖2所示。在異丙醇處理前所測的熱刺激放電譜中，4種樣品均有放電峰，峰溫分別為110℃，105℃，90℃和90℃，峰形也存在差異，這說明材料中存在著的束縛電荷陷阱能級不同。其原因是由于材料的熔噴加工工藝條件不同，材料的微結(jié)構(gòu)存在差異，導(dǎo)致駐極體電荷的陷阱深度不同。異丙醇處理后再進(jìn)行熱刺激放電譜的測量，發(fā)現(xiàn)4種樣品的放電峰均消失。這說明異丙醇浸泡后駐極體過濾材料中不再有電荷存在，異丙醇浸泡起到了消除駐極體電荷的作用。這一結(jié)果與異丙醇處理使得過濾效率下降的結(jié)果相一致，進(jìn)一步表明駐極體空氣凈化材料的高過濾效率源于體內(nèi)存在的駐極體電場。

異丙醇處理的結(jié)果也表明，3.1節(jié)中異丙醇浸泡處理樣品的剩余過濾效率比異丙醇熏蒸大，其原因不是由于材料中剩余電荷引起的，而是由于機(jī)械過濾作用所致。駐極體空氣凈化材料的過濾作用源于靜電吸附作用和機(jī)械過濾作用協(xié)同的結(jié)果。

3.3 異丙醇處理前后MBPP駐極體空氣凈化材料的晶相結(jié)構(gòu)分析

異丙醇浸泡和熏蒸前后的X射線衍射分析結(jié)果見圖3。由于各樣品的X射線衍射譜測試結(jié)果完全相同，圖中只列出樣品1的測試結(jié)果。圖3結(jié)果顯示，異丙醇處理前后樣品的X射線衍射譜幾乎沒有發(fā)生變化，峰形和峰位置都相同。這說明異丙醇處理對MBPP的晶相結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生影響。

3.4 異丙醇浸泡前后MBPP駐極體空氣凈化材料的掃描電鏡分析

采用掃描電鏡測試了異丙醇浸泡前后MBPP的形貌圖。對比觀察異丙醇浸泡前后照片(圖4)可以看出，異丙醇浸泡前樣品的纖維表面光滑，浸泡后樣品的纖維表面相對粗糙。顯然，這是由于異丙醇溶劑的溶脹作用所致[7]。異丙醇浸泡后纖維的溶脹使得相同流速相同數(shù)量的粒子通過時被纖維吸附的數(shù)量增多，因而過濾效率增加。

圖2 MBPP駐極體空氣凈化材料經(jīng)異丙醇處理前后的熱刺激放電譜Fig.2 Thermal stimulating discharging spectrum of MBPP electret filtration materials before and after isopropanol disposal

圖3 浸泡(左)和熏蒸(右)對MBPP駐極體樣品X射線衍射譜的影響Fig.3 Influence of isopropanol soaking (left) and isopropanol fumigating (right) on the X ray diffraction spectrum of MBPP electret filtration materials

圖4 未充電樣品異丙醇浸泡前(左)和浸泡后(右)的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 Scan electron microscopy picture of MBPP non-electret filtration materials before isopropanol soaking (left) and after isopropanol soaking (right)

4 結(jié) 論

異丙醇浸泡與異丙醇熏蒸都可以使MBPP駐極體空氣凈化材料中的電荷完全消失，但不會使晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。經(jīng)過異丙醇浸泡后材料的剩余過濾效率比異丙醇熏蒸后的高，其原因是由于異丙醇浸泡會使MBPP纖維發(fā)生溶脹，纖維表面變粗糙所致。而異丙醇熏蒸時此現(xiàn)象不明顯。異丙醇浸泡與異丙醇熏蒸處理對MBPP駐極體空氣凈化材料過濾阻力的影響不顯著。

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