抗靜電處理方式對(duì)濾料靜電性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

韓旭 周明 柳靜獻(xiàn) 毛寧

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110006)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于濾料的研究發(fā)展迅速，人們以提高過(guò)濾效率、降低阻力為原則，相繼開(kāi)發(fā)了從機(jī)織布、絨布到針刺氈、水刺氈等一系列濾料[1]。而伴隨著濾料技術(shù)的高速發(fā)展，合成纖維、塑料、橡膠等高分子材料的迅速推廣，以及輕質(zhì)油品、電火工品、電子元器件等靜電敏感性材料的使用，靜電的危害日益突出。輕則會(huì)造成濾袋破損失效，嚴(yán)重者還會(huì)引起火災(zāi)甚至爆炸，因此，對(duì)濾料的抗靜電性能的研究已引起各研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)組織的高度重視。

影響濾料抗靜電性能的主要因素有比電阻[2]，摩擦材料[3]，摩擦條件[4]以及環(huán)境條件[5]。按照作用效果的耐久性，可將抗靜電方法分為暫時(shí)性及永久性兩種[6]。暫時(shí)性抗靜電方法是在濾料表面添加活性劑，提升其親水性，從而提高其靜電性能。永久性抗靜電方法主要包括以下3種[7]：

(1)在濾料制作過(guò)程中在基布或面層中加入導(dǎo)電纖維。

(2)在濾料表面添加永久性抗靜電劑。

(3)通過(guò)扎-烘-焙工藝添加納米級(jí)抗靜電劑。

濾料結(jié)構(gòu)、濾料抗靜電處理方式及粉塵比電阻都是影響濾料靜電性能的關(guān)鍵因素，因此本文基于以上研究背景，以滌綸針刺氈濾料為研究對(duì)象，分別采用GB/T 12703．4—2010《紡織品靜電性能的評(píng)定第4部分：電阻率》[8]中的三電極法中規(guī)定的定壓法[9]分別測(cè)量濾料在過(guò)濾不同重量鐵粉粉塵下的電阻率，探索濾料抗靜電處理方式對(duì)于濾料靜電性能的影響，為濾料抗靜電技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料以及實(shí)驗(yàn)儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

LFY-406材料電阻率測(cè)量?jī)x：山東紡織科學(xué)院-儀器研究所；FED240熱風(fēng)循環(huán)烘：德國(guó)Binder。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)所用濾料

表1為實(shí)驗(yàn)所用濾料。

表1 實(shí)驗(yàn)所用濾料

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件：溫度20～25 ℃，空氣濕度分別為25%，30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%RH，環(huán)境風(fēng)速應(yīng)在0.1 m/s以下。實(shí)驗(yàn)濾料置于烘箱預(yù)烘2 h，溫度設(shè)置為50℃，然后置于實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)5 h進(jìn)行溫室平衡，按照實(shí)驗(yàn)要求裁剪成相應(yīng)尺寸。

電阻率實(shí)驗(yàn)：每組實(shí)驗(yàn)取3塊直徑80 mm的圓形試樣，測(cè)試結(jié)果取其平均值。按照電阻率測(cè)試儀器說(shuō)明書(shū)接線，實(shí)驗(yàn)時(shí)電壓檔位置于50 V檔，選擇合適的電阻檔位，記錄數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)為表面電阻，需要通過(guò)計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的電阻率，計(jì)算公式如下：

式中，ρs為表面電阻率，Ω；Rs為由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的表面電阻，Ω；L為使用電極裝置中被保護(hù)電極的有效周長(zhǎng)，m；g為兩電極之間的距離，m。

1.3 粉塵的補(bǔ)集方法

本實(shí)驗(yàn)所用粉塵為200，325，1 000 μm鐵粉。使用粉塵過(guò)濾系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)使濾料過(guò)濾粉塵，盡量保證每次粉塵均勻分布，濾料過(guò)濾粉塵后對(duì)荷塵濾料進(jìn)行電阻測(cè)量，測(cè)量完畢再次加塵，一共過(guò)濾5次粉塵，取5個(gè)荷塵數(shù)據(jù)點(diǎn)。

1—儲(chǔ)氣罐；2—發(fā)塵器；3—高效過(guò)濾器；4—控制閥門(mén)；5—連接管；6—試樣；7—風(fēng)機(jī)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照濾料抗靜電處理方式的不同可將濾料分為兩種，一種在基布中添加導(dǎo)電纖維，另一種在面層中混有導(dǎo)電纖維[10]。為探究不同抗靜電處理方式對(duì)濾料靜電性能的影響，本文選取3種不同抗靜電處理方式的滌綸針刺氈進(jìn)行測(cè)試，分別為滌綸針刺氈a(基布經(jīng)向有導(dǎo)電纖維，導(dǎo)電纖維間隔10 mm)、滌綸針刺氈b(基布經(jīng)緯向均有導(dǎo)電纖維，導(dǎo)電纖維間隔15 mm)及滌綸針刺氈c(面層中混紡導(dǎo)電纖維)。

對(duì)濾料進(jìn)行預(yù)處理后，控制相對(duì)濕度分別為25%，30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%RH，利用以上3種濾料對(duì)200，325，1 000 μm鐵粉進(jìn)行過(guò)濾，利用LFY-406型電阻率測(cè)量?jī)x對(duì)濾料表面電阻率進(jìn)行測(cè)量。

2.1基布中導(dǎo)電纖維密度對(duì)濾料表面電阻率的影響

本節(jié)對(duì)滌綸針刺氈a與滌綸針刺氈b兩種濾料進(jìn)行荷塵，探究基布導(dǎo)電纖維密度對(duì)濾料表面電阻率的影響。

在不同相對(duì)濕度條件下，過(guò)濾不同粒徑鐵粉粉塵后滌綸針刺氈a與滌綸針刺氈b兩種濾料表面電阻率變化趨勢(shì)如圖2所示。

(a)25% RH

如圖2所示，隨著過(guò)濾鐵粉粉塵量的增加，二者表面電阻率均出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)較為接近，這是因?yàn)槔w維以及合成纖維的電荷載體是離子，導(dǎo)電機(jī)理為離子導(dǎo)電，離子移動(dòng)與纖維結(jié)構(gòu)及其表面狀態(tài)有關(guān)[11]，也就是纖維內(nèi)部縫隙及表面的吸附狀態(tài)對(duì)其電阻率影響很大，濾料表面以及內(nèi)部空間吸附鐵粉，鐵粉顆粒接觸形成導(dǎo)電網(wǎng)格，縮短了非導(dǎo)體通道的長(zhǎng)度[12]，從而降低了電阻率。但滌綸針刺氈a表面電阻率數(shù)量級(jí)仍為106，滌綸針刺氈b表面電阻率數(shù)量級(jí)仍為105?；紝?dǎo)電纖維密度對(duì)其表面電阻率有顯著的影響，滌綸針刺氈a表面電阻率均明顯高于滌綸針刺氈b表面電阻率，約高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，其原因在于基布中含有導(dǎo)電纖維，導(dǎo)電纖維形成了導(dǎo)電通道，而經(jīng)緯向均有導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電通道數(shù)要高于經(jīng)向有導(dǎo)電纖維的濾料，從而使其電阻率低于經(jīng)向含有導(dǎo)電纖維的濾料，因此基布導(dǎo)電纖維密度越大，其表面電阻率越小。

2.2基布/面層中添加導(dǎo)電纖維對(duì)濾料表面電阻率的影響

本節(jié)對(duì)滌綸針刺氈a與滌綸針刺氈c兩種濾料進(jìn)行荷塵，探究基布或面層中添加導(dǎo)電纖維對(duì)濾料表面電阻率的影響。在不同相對(duì)濕度條件下，過(guò)濾不同粒徑鐵粉粉塵后滌綸針刺氈a與滌綸針刺氈c兩種濾料表面電阻率變化趨勢(shì)如圖3所示。

如圖3所示，隨著過(guò)濾鐵粉粉塵量的增加，二者表面電阻率均出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)較為接近，其原因與上一節(jié)分析滌綸針刺氈a和滌綸針刺氈b的原因相同，故此處不再贅述。但滌綸針刺氈a表面電阻率數(shù)量級(jí)仍為106，滌綸針刺氈c表面電阻率數(shù)量級(jí)由105降至104?；蓟蛎鎸又屑訉?dǎo)電纖維對(duì)其表面電阻率有顯著的影響，滌綸針刺氈a表面電阻率均明顯高于滌綸針刺氈c表面電阻率，這是因?yàn)槊鎸又谢旒弻?dǎo)電纖維，其導(dǎo)電纖維均勻分布在面層，導(dǎo)電纖維形成的導(dǎo)電通道的覆蓋區(qū)域大于基布中的導(dǎo)電通道，從而使滌綸針刺氈a的表面電阻率高于滌綸針刺氈c，約高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此基布加導(dǎo)電纖維濾料表面電阻率要高于面層混紡導(dǎo)電纖維表面電阻率。

(a)25% RH

3 結(jié)論

(1)過(guò)濾鐵粉粉塵后，隨著相對(duì)濕度以及粉塵克重的增加，實(shí)驗(yàn)用3種濾料的表面電阻率有不同程度的下降。

(2)在25%與60%相對(duì)濕度條件下，過(guò)濾鐵粉粉塵后滌綸針刺氈c表面電阻率數(shù)量級(jí)由105降至104。

(3)在25%與60%相對(duì)濕度條件下，過(guò)濾鐵粉粉塵后滌綸針刺氈a與滌綸針刺氈b表面電阻率均有所下降，但數(shù)量級(jí)無(wú)變化。

(4)抗靜電處理方式對(duì)濾料靜電性能有一定的影響?；紝?dǎo)電纖維密度越大，滌綸針刺氈a電阻率高出滌綸針刺氈b電阻率約一個(gè)數(shù)量級(jí)；滌綸針刺氈a電阻率高出滌綸針刺氈c電阻率約一個(gè)數(shù)量級(jí)，面層中混紡導(dǎo)電纖維濾料抗靜電性能要強(qiáng)于基布中加導(dǎo)電纖維濾料靜電性能。