聚丙烯及聚酯纖維濾料耐紫外老化特性研究

（愛美克空氣過濾器（蘇州）有限公司 江蘇蘇州 215007）

1 引言

過濾材料如聚酯纖維[1-2]、聚丙烯纖維[3-4]等在使用過程中不可避免地會受到紫外線、溫度、濕氣及臭氧等環(huán)境因素的影響，這種影響一般會導致材料外觀及力學性能的變化，從而引起產品性能下降，甚至導致產品被破壞，這種變化現(xiàn)象稱為老化[3]。在過去的很多研究中，已經全面、系統(tǒng)地闡述了紫外線輻射對過濾材料的性能影響。

有研究結果表明[4]，聚合物的光氧化降解是一個具有鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止過程的自動氧化連鎖反應（如圖1所示）。聚丙烯結構中的叔碳原子在光、熱和氧的作用下極易生成自由基后，自動催化生成過氧化自由基和大分子過氧化物，過氧化物分解又產生自由基，自由基又可以與聚合物反應，使自由基不斷傳遞，反應延續(xù)。自由基相互結合生成穩(wěn)定的產物，終止鏈反應[5]。威爾士等發(fā)現(xiàn)[4]，經歷一段時間的紫外線輻射，聚合物長鏈發(fā)生斷裂，并生產很多含氧基團，如羥基、羧基和羰基等。這也是輻射后濾料含氧量大幅度增加的原因。

紫外線是一種電磁波，可分為A波、B波、C波和真空紫外線，其中C波段的紫外線，波長范圍為200～275nm。一般認為，殺菌作用最強的波段是254nm左右[5-9]。關于紫外老化的絕大多數(shù)研究中，試驗中使用的紫外線波長集中在300～410 nm。這主要是大多數(shù)紡織纖維及橡膠制品在大氣環(huán)境下使用，直接暴露于太陽光，而到達地面的太陽光中的紫外線為UVB 和UVA型紫外線，波長大于300nm，因此，使用該波長的紫外線進行紫外老化試驗[5-7]。目前，極少有文獻考察UVC型紫外線（主要波長集中于254nm）對過濾材料影響。隨著大氣條件的不斷變差及疫情的影響，在很多空調箱及凈化設備中紫外燈(UVC型)及過濾器的使用量驟增[9-10]，過濾材料的性能穩(wěn)定才能確保過濾器的過濾效果。如若使用過程中，濾料發(fā)生破損，將會造成極大的損失，因此，人們勢必關注該型紫外線輻射對濾料性能的影響[11-12]，研究UVC型紫外線對濾料的影響迫在眉睫。

圖1 聚合物的反應機理

在空調箱中，靠近紫外殺菌消毒段，一般為粗中效過濾器，而使用最多的過濾材料是聚丙烯和聚酯纖維材料。因此，基于實際應用的需要，本文以聚丙烯纖維[14-15]和聚酯纖維濾料[2]為研究對象，采用紫外燈管（UVC型）作為光源，并通過設定濾料至光源的距離，從而確定濾料接收的紫外線輻射強度，定量探究紫外線輻射對聚丙烯纖維及聚酯纖維濾料老化的影響，觀察試樣的形貌變化，測試試樣的拉伸斷裂強度，考察濾料的含氧量變化及紫外老化箱內臭氧濃度。最后，以試驗數(shù)據(jù)預測濾料實際環(huán)境下的使用壽命。已有許多研究報道材料的壽命預測模型，其中最經典的是以互易定律[16]為基礎的壽命預測模型。根據(jù)互易定律，所有的光化學反應只與所吸收的總能量有關，而與輻射強度和輻射時間無關。本文以拉伸斷裂強度數(shù)據(jù)為基礎，推算濾料的使用壽命，從而對于空調箱及凈化設備內過濾器的更換具有很重要的指導價值。

2 試驗

2.1 試驗材料

本文試驗以聚丙烯纖維及聚酯纖維濾料為試樣。其中，聚丙烯纖維濾料是由3 層聚丙烯纖維超聲波焊接而成，上下兩層為紡粘纖維，中間層為熔噴纖維。聚酯纖維濾料為單層濾料，詳細規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 過濾材料規(guī)格

2.2 試驗方法及過程

紫外線輻射強度是影響紫外光老化速度的主要因素之一[7-8,15]。根據(jù)實驗室光源曝露試驗方法[13]，輻射光源采用紫外燈管（UVC型），主要波長為254 nm，固定紫外燈管至濾料的垂直距離,從而濾料接收的紫外線輻射強度也是定值。關于紫外線輻射強度的理論計算研究[9-10]中，經典的角系數(shù)計算公式和任意一點的輻射強度計算公式分別見公式（1）和公式（2）:

式中：Fd1-2-輻射角系數(shù)

x-測點到燈的垂直距離cm;

l-燈段的長度cm;

r-燈的半徑cm;

Is-任意一點的紫外強度μw/cm2;

Euv-紫外燈輸出功率μw；

Ftot-綜合輻射角系數(shù)。

在自然大氣環(huán)境下，濾料水平放置在箱體內部，紫外線直接輻射在聚丙烯和聚酯纖維濾料上，每隔24h 取一次樣，直至老化斷裂為試驗終期[5]。為了減小溫度對纖維光氧化降解的影響，本實驗通過加快空氣流通使實驗環(huán)境溫度處于10 °C～20 °C 范圍內。紫外線燈由飛利浦公司生產，管長119cm，管徑2.8cm，功率75W。

模擬實際空調箱內的過濾器所處的紫外線輻射環(huán)境[9-10]，設定濾料至紫外燈垂直距離為40cm，理論計算可得紫外輻射強度為50W/m2。準備15 片濾料原始樣（0～14#），檢查外觀及顏色，并測試0#樣品拉伸斷裂強度。樣品0#留存，將其余樣品（1～14#）水平放置于老化測試箱內部，打開光源，樣品處于紫外輻射下。每隔24h 取一次樣，觀察樣品外觀及顏色，測試拉伸斷裂強度，并監(jiān)測箱內臭氧含量變化，直至樣品出現(xiàn)粉化或脆化現(xiàn)象，結束試驗。

2.3 性能測試

試樣的拉伸斷裂強度測試使用的是拉力試驗機，由蘇州金戈檢測設備有限公司生產，拉伸速度為2 mm/s，每組試樣為2個，測試樣品的尺寸為5x8cm。采用尼康公司生產的LV-100型光學顯微鏡，分別放大50、100 及200倍觀察纖維表面形態(tài)。日立公司生產的SU1510型掃描電子顯微鏡，用以觀察各種試樣的纖維斷裂形態(tài)。EDX能譜儀（美國康塔公司）半定量表征材料的元素含量。美國2B型臭氧儀用來監(jiān)測紫外老化箱內的臭氧濃度變化，對比環(huán)境中臭氧濃度。2 種濾料的厚度由織物厚度儀YG141N 測試完成。

3 結果分析

3.1 拉伸性能

通過對濾料的拉伸斷裂強度測試，從而在性能上表現(xiàn)濾料試樣逐漸斷裂的情況。圖2顯示出，在濾料接收紫外輻射強度分別為50W/m2和100W/m2時，不同紫外線照射時間下聚丙烯和聚酯纖維濾料的拉伸斷裂強度變化趨勢。經紫外線輻射后，濾料的拉伸斷裂強度變化明顯。在濾料接收的輻射強度一定時，隨著紫外線照射時間的延長，兩種濾料的拉伸斷裂強度均逐漸下降。在濾料接收紫外輻射強度為50W/m2，輻射至72h時，聚丙烯和聚酯濾料拉伸斷裂強度急劇下降至原始值的30%左右，之后下降幅度趨緩。在濾料接收紫外輻射強度為100W/m2，輻射至72h時，聚丙烯和聚酯濾料拉伸斷裂強度已下降至原始值的15%左右。如圖2所示，相同的輻射時間，濾料接收的輻射強度增大為原始值2倍時，拉伸斷裂強度值下降約為原始值的一半。從機理上看，在相同時間內，由于濾料接收的能量成倍增加，在聚合物纖維分子鏈上，開始形成更多的自由基數(shù)量，接著，發(fā)生自由基轉移和反應延續(xù)速度加快，最終導致聚合物分子鏈斷裂數(shù)量成倍增加。

圖2 輻射強度分別為50W/m2、100W/m2時，不同時間下濾料拉伸斷裂強度變化趨勢

圖3 不同紫外線照射時間下聚丙烯濾料纖維變化趨勢

圖4 不同紫外線照射時間下聚酯纖維濾料纖維變化趨勢

對于聚丙烯濾料，在濾料接收紫外輻射強度為50W/m2，輻射至第144h時，拉伸斷裂強度已下降至原始值的7.1%，中間聚丙烯熔噴層纖維開始斷裂（圖3d）。第168h時，聚丙烯紡粘層纖維也開始斷裂，大部分中間聚丙烯熔噴層纖維已破裂（圖3b,e）。第192h時，大部分的聚丙烯紡粘層纖維也已經斷裂，且濾料已經出現(xiàn)粉末化現(xiàn)象（圖3c）。

與聚丙烯濾料相比，聚酯纖維濾料更加耐紫外線輻射。在濾料接收紫外輻射強度為50W/m2，輻射至第264h時，聚酯濾料的拉伸斷裂強度已下降至原始值的4.0%，纖維開始發(fā)生斷裂（圖4a）。從圖4c 發(fā)現(xiàn)，經過長時間的紫外線輻射（336h），絕大部分的聚酯纖維已經完全斷裂。從圖3 和圖4 發(fā)現(xiàn)，隨著紫外線輻射時間延長，濾料纖維先出現(xiàn)裂紋，之后逐漸累積變多，有斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)。接著，大部分纖維斷裂，最后出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。紫外線輻射使得濾料拉伸斷裂強度不斷下降，從宏觀上看，主要是纖維斷裂程度的加劇，直至完全粉化破碎。從微觀上看，在紫外線、水分與氧氣的共同作用下，聚合物大分子鏈在光氧化下斷裂降解，主要表現(xiàn)為碳氫鍵斷裂，最終形成帶有含氧基團的短鏈烴以及水和氧氣等小分子。

長時間的紫外線輻射使聚丙烯及聚酯纖維濾料，由原始的塑性材料變成脆性材料，從而失去使用價值。如圖2所示，在濾料接收的紫外輻射強度為50W/m2時，輻射至第72h時，兩種濾料的拉伸斷裂強度均已下降至30%左右；在加速試驗中，濾料接收的紫外輻射強度增大到100W/m2時，輻射至36h時，兩種濾料的拉伸斷裂強度也已經下降至30%左右。這驗證了以互易定律[16]為基礎的壽命預測模型的可行性。

在通風空調箱中，濾料的拉伸斷裂強度下降至30%時，大風量送風情況下，濾料極易發(fā)生破損，因此建議使用時間3 天以內。實際空調箱中紫外線輻射強度一般為70W/m2左右，由互易定律[16]推算使用聚丙烯及聚酯纖維等材料制成的過濾器的使用壽命為2.2天。若要滿足一個月的更換周期，需調整過濾器至紫外光源距離為1.5m，濾料接收的紫外輻射強度減小至10 W/m2。

3.2 外觀顏色及形貌變化

原始聚丙烯纖維濾料為黃色，經過紫外輻射逐漸褪色，第72h時已完全褪變?yōu)榘咨?。之后，濾料顏色保持不變。原始聚酯纖維濾料未染色，顏色沒有變化，一直均為白色。紫外線輻射使得濾料的顏色逐漸褪去，主要是由于染料分子鏈的斷裂，顯色基團被破壞，從而材料顏色消失。本文著重探究紫外輻射對濾料的形貌及力學性能的影響，因此，對于濾料的褪色機理不做深入的研究。

聚丙烯纖維濾料由上下兩層聚丙烯纖維紡粘層和中間聚丙烯纖維熔噴層組成。從圖5a和5c可見未老化的濾料纖維表面光滑且未有斷裂現(xiàn)象。在濾料接收的紫外輻射強度為50W/m2時，紫外輻射至第144h時，中間熔噴層纖維開始斷裂，上下紡粘層纖維未有變化。第168h時，熔噴層纖維大部分斷裂，紡粘層纖維也開始斷裂。由圖5b和5d可以明顯觀察到，經過長時間（192h）的紫外老化作用下，大部分的紡粘層和熔噴層纖維均已斷裂。從SEM 圖中，發(fā)現(xiàn)大部分紡粘層纖維直徑為30um 左右，而熔噴層纖維只有10um 左右。正是由于紡粘層和熔噴層的纖維直徑不同，纖維的強度存在差異，從而導致紡粘層纖維耐受紫外線輻射能力強于熔噴層纖維。

通過圖5e和5f對比，可以明顯觀察到，在濾料接收的紫外輻射強度相同情況下，紫外輻射至第336h，聚酯纖維大部分斷裂，濾料嚴重破碎。雖然聚酯纖維直徑大部分在20um，小于聚丙烯紡粘層纖維，但所接受的紫外輻射強度相同的情況下，聚酯纖維完全斷裂的時間比聚丙烯纖維長很多。這主要是由于兩者材質差異，聚酯類材料要比聚烯類材料的耐紫外線能力更強。在實際應用中，若用戶的空調箱中，過濾器所接收的紫外輻射強度大時，建議選用聚酯類濾料制成的過濾器，使用周期長，從而降低更換成本。

圖5 不同材料在不同紫外輻射時間的高倍SEM 形貌

表2 紫外線輻射后濾料的元素分析結果

3.3 紫外線輻射后濾料的化學組成變化

隨著紫外輻射時間延長，聚合物分子長鏈持續(xù)斷裂，并引入大量的含氧基團，主要以羰基(C=O)、羥基(COH)、羧基(COOH)等形式存在[4-6]。從表2可以看出，經過紫外線的輻射，兩種濾料都發(fā)生光氧化，氧含量都有所增加。紡粘層纖維的氧含量增加了11.4%，而聚丙烯纖維（熔噴）只增加了3.3%，紡粘層纖維的氧含量增加比例遠大于熔噴層纖維，這主要是紡粘層纖維位于濾料上層，其所受紫外線輻射量較多。

與聚丙烯濾料相比，聚酯纖維濾料氧含量僅增加了1.5%，該型濾料光氧化速度緩慢，與拉伸斷裂強度下降速度基本一致，這也進一步驗證聚酯類材料比聚烯類材料的耐紫外線能力要好。

3.4 紫外線輻射后試驗箱內臭氧濃度變化

從圖6中發(fā)現(xiàn)，試驗箱體內臭氧濃度比環(huán)境高5～10 ppb。這驗證紫外線輻射有利于產生臭氧，但是試驗箱內臭氧含量增加較少（如圖6所示）。同時，由于箱內本身的臭氧濃度較低（30ppb左右），因此，臭氧因素對于濾料的影響微小，可以忽略。由于超過一定濃度的臭氧也是一種對環(huán)境污染的物質，我國的環(huán)境空氣質量標準[17]中最高允許濃度為150ppb，因此，此次試驗中紫外線輻射導致臭氧濃度上升，但不足以對人體產生影響。同時，在一般通風空調箱中，末段都會安裝化學過濾器，臭氧濃度會進一步被降低，從而無需擔憂室內的空氣質量。

圖6 不同紫外線照射時間下試驗箱內外臭氧變化趨勢

4 結論

在大氣環(huán)境下，紫外線輻射對聚丙烯及聚酯纖維的性能影響非常明顯。紫外線輻射效應使濾料纖維力學性能發(fā)生變化，拉伸斷裂強度大幅度下降。長時間的紫外線輻射使聚丙烯及聚酯纖維濾料性能下降，從典型的塑性材料變成脆性材料，從而失去使用價值。與聚丙烯濾料相比，聚酯纖維濾料更加耐紫外線輻射。在空調箱及潔凈設備中使用紫外線殺菌消毒，同時，也需要使用過濾器時，本文試驗數(shù)據(jù)對于過濾器的及時更換具有一定的指導價值。

紫外線輻射對濾料的顏色影響非常明顯，很短時間內，使得濾料快速褪色。對于外觀形貌的變化，濾料纖維先出現(xiàn)裂紋，逐漸累積，接著開始發(fā)生斷裂，直至絕大部分斷裂，最后出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。

在濾料紫外老化的過程中，濾料含氧量增加，主要是聚合物分子長鏈斷裂，并引入大量的含氧基團。紫外線輻射也有利于產生臭氧，但由于試驗箱內本身的臭氧濃度和增加量均較低，滿足環(huán)境空氣質量標準，因此，可以忽略臭氧對于過濾材料及人體的影響。