過(guò)濾時(shí)間對(duì)空氣過(guò)濾材料過(guò)濾性能的影響*

劉 超 汪澤幸2 柯勤飛

1.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620；2.湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院， 湖南 湘潭 411101

環(huán)境的不斷惡化導(dǎo)致空氣污染問題日益嚴(yán)重。提高空氣的質(zhì)量除控制環(huán)境污染源外，使用空氣過(guò)濾產(chǎn)品已成為當(dāng)今人們的首選。非織造過(guò)濾材料具有纖維雜亂排列、彎曲結(jié)構(gòu)多、孔徑小、孔隙率高等特點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于個(gè)體過(guò)濾防護(hù)、空氣凈化等領(lǐng)域[2-3]。

如今，人們對(duì)空氣過(guò)濾材料的品質(zhì)要求越來(lái)越高。纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)、纖維直徑和駐極處理等都會(huì)影響空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾性能。除此之外，過(guò)濾時(shí)間也會(huì)影響其過(guò)濾性能?？諝膺^(guò)濾的實(shí)質(zhì)是材料對(duì)空氣中的固體顆粒物進(jìn)行攔截。隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)，停留在空氣過(guò)濾材料中的被攔截的固體顆粒物會(huì)越來(lái)越多[4-5]，這會(huì)對(duì)空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾性能產(chǎn)生越來(lái)越明顯的影響。

本文將選取3塊不同面密度的聚丙烯(PP)熔噴非織造材料試樣，并在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)靜電紡絲法制備與熔噴非織造材料試樣相同設(shè)計(jì)面密度的聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜試樣，通過(guò)設(shè)定各種過(guò)濾時(shí)間測(cè)試并比較兩類共6塊試樣的過(guò)濾性能，研究過(guò)濾時(shí)間對(duì)空氣過(guò)濾材料過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力的影響。

1 靜電紡納米纖維膜試樣的制備

原料：PAN，相對(duì)分子質(zhì)量為150 000，上虞吳越經(jīng)貿(mào)有限公司；二甲基甲酰胺(DMF)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純。

FM-1302靜電紡絲設(shè)備(配備了旋轉(zhuǎn)收集輥，北京富友馬有限公司)：噴絲頭到滾筒表面的垂直距離在11 cm，噴絲針頭內(nèi)徑為0.450 mm，x軸移動(dòng)距離在18～20 cm，滾筒收集速度控制在250 r/min，紡絲液擠壓速度為1.2 mm/s，溫度為(25±2)℃，相對(duì)濕度為(60±5)%，紡絲電壓為17 kV， PAN紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%。利用該設(shè)備分別紡制面密度即設(shè)計(jì)面密度為10.00、 20.00及40.00 g/m2的PAN納米纖維膜。

2 試樣及性能表征

2.1 試樣

6塊試樣的設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)面密度及其厚度歸納于表1，其中A1～A3為PP熔噴非織造材料試樣(A1由杭州詩(shī)藍(lán)過(guò)濾有限公司提供，未經(jīng)過(guò)駐極處理；A2和A3均由宣城廣能非織造有限公司提供，已經(jīng)過(guò)駐極處理，且A3是A2疊加后形成的，兩者的生產(chǎn)工藝完全相同)，B1～B3為實(shí)驗(yàn)室制備的靜電紡PAN納米纖維膜試樣。

表1 試樣設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)面密度及其厚度

2.2 性能表征

2.2.1 纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)

采用SU3500掃描電鏡觀察試樣表面的纖維形態(tài)，利用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件測(cè)量試樣中纖維的直徑。

對(duì)于建筑工程，采用以上介紹的裝配建筑方案無(wú)疑是一個(gè)非常好的選擇。根據(jù)該工程的特點(diǎn)，站內(nèi)全部取消了建筑物，站內(nèi)的35 kV、10 kV配電裝置均采用E-HOUSE集裝箱布置，二次設(shè)備采用預(yù)制式艙，均由廠家成套供應(yīng)。土建施工單位僅需進(jìn)行基礎(chǔ)施工即可。

2.2.2 孔徑

采用PMI CFP-1100AI孔徑分析儀，通過(guò)泡點(diǎn)法測(cè)試試樣的孔徑特征。具體為試樣經(jīng)已知表面張力的潤(rùn)濕劑充分浸潤(rùn)后放入試樣室，氣體在壓力作用下分別通過(guò)干態(tài)和濕態(tài)試樣，通過(guò)計(jì)算氣體通過(guò)試樣時(shí)的壓力變化和氣流變化，得到試樣的孔徑及其分布。

2.2.3 過(guò)濾性能

LZC-K1型濾材綜合性能測(cè)試臺(tái)(蘇州華達(dá)儀器設(shè)備有限公司)采用多分散實(shí)驗(yàn)氯化鈉(NaCl)氣溶膠進(jìn)行定量控制發(fā)塵，氣溶膠平均粒徑在0.300 μm，質(zhì)量中值直徑在0.260 μm，流量為32 L/min。通過(guò)測(cè)量濾料兩端固體顆粒物——NaCl氣溶膠的濃度，計(jì)算得到試樣的過(guò)濾效率(η)：

(1)

式中：K1——下游NaCl氣溶膠的濃度；

K2——上游NaCl氣溶膠的濃度。

過(guò)濾阻力采用高靈敏度的電子壓力傳感器測(cè)得。

3 結(jié)果及分析

3.1 纖維表面結(jié)構(gòu)

圖1為不同試樣的掃描電鏡照片，經(jīng)Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件測(cè)量得到：試樣A1中纖維的平均直徑為(2.924±0.731)μm；試樣A2、試樣A3中纖維的平均直徑分別為(3.172±0.935)和(3.215±0.873)μm，由于A3為A2的疊加，因此兩者的纖維形態(tài)相似，纖維平均直徑相近；靜電紡納米纖維膜的纖維直徑較均勻，由于試樣B1、試樣B2和試樣B3制備工藝參數(shù)相同，故纖維表面形態(tài)基本一致，纖維的平均直徑相近，分別為(0.517±0.124)、(0.558±0.141)和(0.535±0.138)μm。

從圖1可以看出：熔噴非織造材料試樣中纖維均呈三維雜亂排列，且熔噴工藝屬非穩(wěn)態(tài)紡絲工藝，故其中的纖維粗細(xì)不勻、長(zhǎng)短不一；靜電紡納米纖維膜試樣中纖維直徑明顯小于熔噴非織造材料試樣中纖維直徑，且前者的纖維粗細(xì)更均勻，所形成的孔徑更小。

圖1 不同試樣的掃描電鏡照片

3.2 孔徑

非織造材料中，纖維的三維雜亂排列形成了大小不一的孔隙，這些孔隙的直徑和分布會(huì)直接影響空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾性能，并對(duì)過(guò)濾阻力影響顯著[6]。表2歸納了6塊試樣的孔徑狀況，其中熔噴非織造材料試樣的平均孔徑明顯大于靜電紡納米纖維膜試樣的平均孔徑，這與熔噴纖維直徑大于靜電紡納米纖維有關(guān)，再加上熔噴紡絲為非穩(wěn)態(tài)紡絲過(guò)程，熔噴纖維直徑離散度大，故熔噴非織造材料試樣的孔徑分布寬度更大。表2中，3塊熔噴非織造材料試樣的平均孔徑隨著面密度和厚度的增加而逐漸下降；3塊靜電紡納米纖維膜試樣的平均孔徑也隨面密度和厚度的增加而逐漸減小。

表2 試樣孔徑

3.3 過(guò)濾效率

圖2反映了不同試樣的過(guò)濾效率隨過(guò)濾時(shí)間的變化狀況。

圖2 不同試樣的過(guò)濾效率隨過(guò)濾時(shí)間的變化

從圖2可以看出，隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，試樣的過(guò)濾效率都呈現(xiàn)出了不同程度的增長(zhǎng)趨勢(shì)：

(1) 試樣A1未經(jīng)過(guò)駐極處理，其過(guò)濾機(jī)理完全依靠機(jī)械式攔截。當(dāng)過(guò)濾時(shí)間為0 h時(shí)，A1的過(guò)濾效率僅為27.85%；當(dāng)過(guò)濾時(shí)間為3 h時(shí)，A1的過(guò)濾效率增加不明顯；當(dāng)過(guò)濾時(shí)間延長(zhǎng)到12 h時(shí)，A1的過(guò)濾效率也僅增加到33.77%。導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因在于，熔噴非織造材料形成的孔徑遠(yuǎn)大于NaCl氣溶膠的平均粒徑(0.300 μm)，故剛開始時(shí)被攔截的顆粒物僅附著在纖維表面，并未對(duì)孔隙形成堵塞，因此，過(guò)濾時(shí)間較短時(shí)過(guò)濾效率變化不明顯，隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)，部分孔隙會(huì)被NaCl氣溶膠堵塞，過(guò)濾效率有所提高，但增幅很小。

(2) 試樣A2和試樣A3屬高效過(guò)濾材料。當(dāng)過(guò)濾時(shí)間為0時(shí)，它們的初始過(guò)濾效率便分別達(dá)到了97.43%和99.98%，但隨著過(guò)濾時(shí)間的增加其過(guò)濾效率增長(zhǎng)不明顯。這是因?yàn)椋嚇覣2和試樣A3均經(jīng)過(guò)了駐極處理，其靜電吸附作用在過(guò)濾中占主導(dǎo)地位，但很高的初始過(guò)濾效率使得試樣過(guò)濾效率進(jìn)一步提高的空間有限，因此增長(zhǎng)幅度不明顯。

(3) 試樣B1的過(guò)濾效率明顯高于面密度相近的試樣A1。兩者均未經(jīng)過(guò)駐極處理，不存在靜電吸附作用，因此過(guò)濾機(jī)理主要依靠機(jī)械式攔截。由表2可知，靜電紡納米纖維膜的孔徑遠(yuǎn)小于熔噴非織造材料，因此試樣B1的過(guò)濾效率遠(yuǎn)高于試樣A1。同時(shí)由于試樣B1的孔徑更小，被攔截的NaCl氣溶膠更易堵塞其孔隙，故而表現(xiàn)為過(guò)濾時(shí)間為1 h時(shí)試樣B1的過(guò)濾效率上升明顯，過(guò)濾時(shí)間為12 h時(shí)過(guò)濾效率達(dá)到98.95%。除此之外，試樣B1的過(guò)濾效率變化曲線均低于試樣A2和試樣A3。盡管試樣B1面密度較小，其形成的孔徑和纖維直徑小于試樣A2和試樣A3，但是試樣A2和試樣A3經(jīng)過(guò)了駐極處理，靜電吸附作用可以極大地提高濾料的過(guò)濾效率，使熔噴非織造材料的過(guò)濾效率反而高于靜電紡納米纖維膜的過(guò)濾效率?？梢?，靜電吸附作用在空氣過(guò)濾材料的應(yīng)用中意義重大。

此外，圖2中未顯示試樣B2和試樣B3。這是因?yàn)樵嚇覤2在過(guò)濾時(shí)間為1 h時(shí)過(guò)濾效率便達(dá)到99.93%，過(guò)濾阻力超過(guò)了1 000 Pa；試樣B3在過(guò)濾時(shí)間為0時(shí)過(guò)濾效率就達(dá)到了99.99%，過(guò)濾阻力超過(guò)了1 000 Pa。兩者過(guò)濾阻力很快就超出了設(shè)備的測(cè)試范圍(≤1 000 Pa)，導(dǎo)致測(cè)試無(wú)法繼續(xù)。

3.4 過(guò)濾阻力

圖3為3塊熔噴非織造材料試樣過(guò)濾阻力隨過(guò)濾時(shí)間的變化情況。

圖3 熔噴非織造材料試樣過(guò)濾阻力隨過(guò)濾時(shí)間的變化

從圖3可以看出，熔噴非織造材料試樣過(guò)濾阻力隨著過(guò)濾時(shí)間的增加呈不同程度的增長(zhǎng)趨勢(shì)：

(1) 當(dāng)過(guò)濾時(shí)間為12 h時(shí)，試樣A1和試樣A2的過(guò)濾阻力相較于過(guò)濾時(shí)間為0時(shí)分別增加了5和12 Pa，增量較小，原因主要是過(guò)濾時(shí)間較短時(shí)，被攔截的NaCl氣溶膠并未堵塞孔隙，故阻力變化較??；

(2) 試樣A3過(guò)濾阻力增加較明顯，其面密度和厚度在三者中最大，隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，部分較小的孔隙被攔截的NaCl氣溶膠堵塞，過(guò)濾阻力增加。其中，當(dāng)過(guò)濾時(shí)間為12 h時(shí)，試樣A3的過(guò)濾阻力達(dá)80 Pa。

圖4反映了試樣B1的過(guò)濾阻力隨過(guò)濾時(shí)間的變化情況：當(dāng)過(guò)濾時(shí)間為0時(shí)，試樣B1的過(guò)濾阻力便達(dá)到了61 Pa，大于熔噴非織造材料試樣的過(guò)濾阻力，其原因與納米纖維膜孔徑很小有關(guān)；隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，越來(lái)越多的NaCl氣溶膠堵塞孔隙，過(guò)濾阻力增長(zhǎng)明顯，其中過(guò)濾時(shí)間為12 h時(shí)，試樣B1的過(guò)濾阻力增至586 Pa，超出空氣過(guò)濾材料過(guò)濾阻力小于100 Pa的性能要求。

圖4 試樣B1過(guò)濾阻力隨過(guò)濾時(shí)間變化

此外，當(dāng)過(guò)濾時(shí)間為0時(shí)，試樣B2的過(guò)濾阻力在785 Pa，試樣B3的過(guò)濾阻力超過(guò)了1 000 Pa；當(dāng)過(guò)濾時(shí)間為1 h時(shí)，試樣B2的過(guò)濾阻力也超過(guò)了1 000 Pa。短時(shí)間內(nèi)兩者的過(guò)濾阻力均超出了設(shè)備的測(cè)試范圍，故圖4中未體現(xiàn)。

由此可見，過(guò)濾時(shí)間的增加對(duì)靜電紡納米纖維膜試樣過(guò)濾阻力的影響明顯，即纖維越細(xì)，過(guò)濾材料的孔隙率越高，孔徑越小，隨著過(guò)濾時(shí)間的增加過(guò)濾材料越易被堵塞，過(guò)濾阻力增加。因此，面密度較大的靜電紡納米纖維膜并不適合用于普通的空氣過(guò)濾。

4 結(jié)論

過(guò)濾時(shí)間的增加會(huì)使過(guò)濾材料的過(guò)濾效率呈現(xiàn)出不同程度的增長(zhǎng)趨勢(shì)。靜電紡納米纖維膜試樣的過(guò)濾效率隨過(guò)濾時(shí)間的增加而明顯增加，這是因?yàn)槠溥^(guò)濾主要依靠機(jī)械式攔截，纖網(wǎng)孔隙率高、孔徑小，長(zhǎng)時(shí)間過(guò)濾后顆粒物易堵塞孔隙，過(guò)濾效率增長(zhǎng)。熔噴非織造材料試樣因結(jié)構(gòu)蓬松、孔徑大而孔隙不易被堵塞，故過(guò)濾效率增長(zhǎng)不顯著。

過(guò)濾時(shí)間的增加對(duì)靜電紡納米纖維膜試樣過(guò)濾阻力的影響明顯。靜電紡納米纖維膜試樣中纖維直徑更小，孔隙率更高，孔徑更小，故隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，其更易被堵塞，過(guò)濾阻力增加顯著。其中，設(shè)計(jì)面密度在20.00和40.00 g/m2的靜電紡納米纖維膜試樣，其過(guò)濾阻力在短時(shí)間內(nèi)便可超過(guò)1 000 Pa，超出空氣過(guò)濾材料過(guò)濾阻力小于100 Pa的性能要求，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)試?？梢?，面密度較大的靜電紡納米纖維膜并不適合用于空氣過(guò)濾材料。設(shè)計(jì)面密度在10.00和20.00 g/m2的熔噴非織造材料試樣，其過(guò)濾阻力增加較平緩；設(shè)計(jì)面密度在40.00 g/m2熔噴非織造材料試樣厚度較大，纖網(wǎng)孔徑較小，隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，部分微小孔隙被顆粒物堵塞，過(guò)濾阻力增加較明顯。