電暈駐極熔噴聚丙烯駐極體非織造布的電荷捕獲特性

高 猛，王增元，漏琦偉，陳鋼進(jìn)

(杭州電子科技大學(xué) 駐極體及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

病毒的主要傳播途徑是氣溶膠和飛沫[1]，因此，個(gè)體防護(hù)用口罩成為了人們的日常必需品。熔噴聚丙烯(MBPP)駐極體非織造布是口罩中使用的主要過(guò)濾介質(zhì)[2-3]?，F(xiàn)有研究表明，MBPP駐極體非織造布出色的過(guò)濾性能主要源于其捕獲在MBPP體內(nèi)的電荷所建立的靜電場(chǎng)。材料的孔隙類(lèi)似于無(wú)數(shù)個(gè)無(wú)源集塵電極，當(dāng)氣流中的帶電微粒，尤其是亞微米級(jí)粒子通過(guò)這些孔隙時(shí)，在電場(chǎng)力作用下被阻擋或捕獲[4]，因此，確保材料具有穩(wěn)定、高密度的電荷至關(guān)重要。

為賦予材料以駐極體特性，需要采用一定的手段將電荷注入到材料內(nèi)，這一過(guò)程稱(chēng)為駐極[5]。目前，MBPP駐極體非織造布駐極的方法主要有電暈放電法[6]，可分為正電暈放電和負(fù)電暈放電。正電暈放電時(shí)，在電場(chǎng)力作用下電子和陰離子向曲率半徑小的電極移動(dòng)，正離子向鋪有MBPP的電極移動(dòng)；負(fù)電暈放電時(shí)則相反。

現(xiàn)有實(shí)踐表明，不同電暈駐極條件下獲得的MBPP駐極體非織造布的過(guò)濾效率存在差異，但其機(jī)制并不清楚。表面電位大小是用來(lái)表征薄膜駐極體性能的一個(gè)重要參數(shù)，但對(duì)非織造布而言，表面電位高低與其過(guò)濾效率并沒(méi)有很好的相關(guān)性[7]。另外，駐極體電荷在使用環(huán)境下的穩(wěn)定性也是影響其應(yīng)用性能的一個(gè)重要因素[8]。針對(duì)以上問(wèn)題，本文采用熱刺激放電(TSD)和表面電位分布測(cè)量技術(shù)，研究了MBPP駐極體非織造布的電荷存儲(chǔ)和電荷分布特性，分析了MBPP駐極體非織造布的電荷存儲(chǔ)機(jī)制，對(duì)造成產(chǎn)品性能差異的機(jī)制也進(jìn)行了討論。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

材料：MBPP單層膜，面密度為25 g/m2，阻力不隨駐極條件的改變而變化，為(77±1)Pa，中國(guó)石化儀征化纖有限公司；酒精，分析純，市售。

儀器：ZFT全自動(dòng)過(guò)濾效率測(cè)試儀，浙江朝暉過(guò)濾技術(shù)股份有限公司；PG201W半自動(dòng)化可移動(dòng)平臺(tái)，美國(guó)Guatek公司；347靜電電位計(jì)，美國(guó)Trek公司；DH-TSC熱刺激電流測(cè)試儀，杭州澤勝儀器有限公司。

1.2 試樣的制備

采用線(xiàn)對(duì)面型電暈駐極方法對(duì)MBPP樣品進(jìn)行駐極處理。首先，將樣品置于接地電極板上，在其上方一定距離處均勻放置連接高壓電源的金屬絲電極；然后，通過(guò)改變駐極條件制備具有不同駐極性能的MBPP樣品，駐極參數(shù)設(shè)置如表1所示。其中駐極電壓包括正、負(fù)2種。未特別說(shuō)明的駐極條件為：駐極距離4 cm,駐極電壓±30 kV,駐極溫度26 ℃,駐極時(shí)間30 s。

表1 駐極條件參數(shù)表

最后，將駐極處理前后的MBPP樣品懸空置于存放酒精或水溶液塑料方盒中密封12 h進(jìn)行熏蒸處理，探究熏蒸處理?xiàng)l件對(duì)MBPP駐極體非織造布性能的影響。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 過(guò)濾效率測(cè)試

采用ZFT全自動(dòng)過(guò)濾效率測(cè)試儀測(cè)試不同駐極條件下和熏蒸處理前后樣品的過(guò)濾效率。儀器采用粒徑為0.3～0.5 μm的NaCl氣溶膠，測(cè)試流速為85 L/min，測(cè)試樣品面積為100 cm2。過(guò)濾效率η按照下式計(jì)算：

式中：η為過(guò)濾效率，%；Cu為測(cè)量?jī)x器中所含的初始?xì)馊苣z顆粒物個(gè)數(shù)；Cd為樣品經(jīng)過(guò)后留下的氣溶膠顆粒物個(gè)數(shù)。

1.3.2 表面電位測(cè)量

采用半自動(dòng)化可移動(dòng)平臺(tái)和靜電電位計(jì)測(cè)量了±30、±24 kV電暈駐極樣品和±30 kV電暈駐極樣品熏蒸前后的表面電位分布。表面電位Vs根據(jù)補(bǔ)償法測(cè)量，其計(jì)算公式為

式中：Vs為表面電位，V；σ為材料上表面電荷密度，C/cm2；d為材料厚度，cm；ε為材料相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空相對(duì)介電常數(shù)。

1.3.3 熱刺激放電譜圖測(cè)量

采用熱刺激電流測(cè)試儀測(cè)量了±30、±24 kV電暈駐極樣品和±30 kV電暈駐極樣品熏蒸前后的短路熱刺激放電譜圖。儀器升溫速率為3 ℃/min。測(cè)試樣品面積為28 cm2。熱刺激放電峰峰溫按照下式計(jì)算：

式中：Tm為熱刺激放電峰峰溫，℃；τ0為弛豫時(shí)間，min；H為對(duì)載流子的束縛能，J；k為玻爾茲曼常數(shù)，J/K；β為升溫速率，℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 駐極條件對(duì)電荷捕獲特性的影響

電暈駐極條件對(duì)MBPP樣品過(guò)濾效率的影響如圖1所示。結(jié)果顯示，正電暈駐極效果明顯優(yōu)于負(fù)電暈駐極。由圖1(a)可確定，隨著駐極距離的增加，MBPP駐極體非織造布的過(guò)濾效率逐漸下降，但負(fù)電暈駐極時(shí)下降幅度比正電暈駐極大。由圖1(b)可知：隨著駐極電壓的增加，非織造布的過(guò)濾效率逐漸增加；但負(fù)電暈駐極時(shí)，過(guò)濾效率開(kāi)始增加很少，到16 kV后過(guò)濾效率增速加快，到28 kV左右過(guò)濾效率幾乎達(dá)到恒定。而正電暈駐極時(shí)，在駐極電壓小于16 kV時(shí)，非織造布的過(guò)濾效率就增加很快，但其后增加幅度減緩，駐極電壓達(dá)到28 kV左右時(shí)過(guò)濾效率達(dá)到恒定。由圖1(c)和(d)可看出，MBPP駐極體非織造布過(guò)濾效率不隨駐極溫度的升高和駐極時(shí)間的延長(zhǎng)而變化，但正電暈駐極的過(guò)濾效率高于負(fù)電暈駐極。

圖1 MBPP駐極體非織造布過(guò)濾效率與駐極條件的相關(guān)性

通常正電暈駐極時(shí)，在電場(chǎng)力作用下負(fù)電荷向放電電極移動(dòng)，正電荷向電介質(zhì)所在電極移動(dòng)并被捕獲。負(fù)電暈駐極時(shí)則相反，負(fù)電荷向電介質(zhì)表面移動(dòng)并被捕獲。在相同駐極電壓下，駐極距離小，則放電電極附近場(chǎng)強(qiáng)大，電離作用強(qiáng)，電暈電流脈沖峰值高，電荷流駐傳播速度快，空間電荷遷移快。而駐極距離較大時(shí)，放電電極附近低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域延長(zhǎng)，極間所需的擊穿電壓升高，電荷流駐不易達(dá)到樣品表面，因此，駐極電壓相同駐極距離不同時(shí)，樣品過(guò)濾效率不同。由圖1(a)可知，正電暈駐極時(shí)，駐極距離在12～14 cm之間時(shí)過(guò)濾效率的快速下降說(shuō)明了這一點(diǎn)。在相同駐極距離下，隨著駐極電壓的增大，正電暈放電依次經(jīng)歷起始流駐傳播、輝光和擊穿流駐，負(fù)電暈放電依次經(jīng)歷特里切爾脈沖放電和輝光放電階段[9]，因此，圖1(b)所示的不同駐極電壓下樣品過(guò)濾效率的不同是由于電暈放電過(guò)程不同所致。劉民等[10]的研究表明，放電距離為3.5 cm的情況下，正電暈放電在電壓大于9.8 kV時(shí)進(jìn)入輝光放電階段，而負(fù)電暈放電則要在電壓大于25.4 kV時(shí)才進(jìn)入。正電暈擊穿電壓低于負(fù)電暈，正電暈放電效果要高于負(fù)電暈，圖1(b)所示正電暈與負(fù)電暈駐極時(shí)過(guò)濾效率變化規(guī)律不同正與此相關(guān)。

2.2 駐極電壓對(duì)樣品表面電位分布的影響

表面電位是評(píng)價(jià)駐極體靜電性能的一個(gè)基本手段，反映了對(duì)應(yīng)區(qū)域的電荷積累情況，可用來(lái)表征樣品的電荷存儲(chǔ)性能[11]。由圖1(b)可知：在30 kV駐極電壓下，正負(fù)電暈駐極非織造布的過(guò)率效率相差不大，而在24 kV駐極電壓下，正負(fù)電暈駐極非織造布過(guò)濾效率相差23%。為探究造成上述結(jié)果的原因，選取±30和±24 kV電暈駐極樣品進(jìn)行表面電位分布測(cè)量和熱刺激放電實(shí)驗(yàn)，其表面電位測(cè)量結(jié)果如圖2所示?？芍篗BPP駐極體非織造布的表面電位分布并不均勻，正負(fù)電位共存；+30 kV電暈駐極樣品的表面電位主要呈現(xiàn)正極性，表明注入電荷主要為正電荷，-30 kV電暈駐極樣品表面電位主要呈現(xiàn)為負(fù)極性，表明其注入電荷主要為負(fù)電荷；而±24 kV電暈駐極樣品的平均表面電位接近中性，表明樣品中同時(shí)存在大量正電荷和負(fù)電荷。由圖中結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)：正負(fù)電荷呈塊狀分布，-30 kV電壓下駐極時(shí)樣品的表面電位正值、負(fù)值和平均值都比+30 kV駐極時(shí)高，但過(guò)濾效率并不比+30 kV駐極時(shí)高?！?4 kV駐極時(shí)，平均表面電位差異不大，但過(guò)濾效率卻相差23%，因此，僅通過(guò)測(cè)量局部點(diǎn)的表面電位高低來(lái)表征其過(guò)濾性能具有隨機(jī)性，不能全面反映其過(guò)濾性能的優(yōu)劣。

圖2 不同駐極電壓下獲得的MBPP駐極體非織造布的表面電位分布圖

2.3 不同駐極電壓樣品TSD放電譜圖

TSD技術(shù)是研究被束縛在不同陷阱能級(jí)內(nèi)的空間電荷脫阱行為的有效手段[12]。±30和±24 kV駐極電壓下獲得的MBPP樣品的TSD譜如圖3所示?？芍核袠悠吩?32 ℃附近都有一個(gè)強(qiáng)峰，這表明MBPP駐極體非織造布捕獲的正、負(fù)電荷具有相同的陷阱能級(jí)；在30～105 ℃區(qū)間都有1個(gè)電流很小的饅頭峰，其極性與強(qiáng)峰相反，這說(shuō)明僅有少量駐極體電荷釋放，且此區(qū)間釋放的電荷與主峰極性相反。

圖3 不同駐極電壓下的MBPP駐極體非織造布的熱刺激放電譜圖

由圖3(a)還可發(fā)現(xiàn)，±30 kV電暈駐極形成的MBPP駐極體非織造布的TSD電流曲線(xiàn)幾乎對(duì)稱(chēng)，峰溫相同，正、負(fù)電暈駐極樣品的峰值電流分別為-100和77 pA，相差23 pA，說(shuō)明MBPP駐極體非織造布的正負(fù)電荷捕獲陷阱能級(jí)相同，但對(duì)正、負(fù)電荷的捕獲能力稍有不同，對(duì)正電荷的捕獲能力強(qiáng)于負(fù)電荷。圖3(b)所示±24 kV的TSD電流曲線(xiàn)與圖3(a)類(lèi)似，峰溫相同，但正、負(fù)電暈駐極樣品的峰值電流差別很大，峰值電流分別是-70和15 pA，相差55 pA。這一現(xiàn)象與上述電暈放電過(guò)程分析一樣，是由于不同電暈駐極極性和電壓下電暈放電效果不同，MBPP駐極體非織造布捕獲的電荷量不同所致。正電暈駐極樣品的電荷捕獲量多于負(fù)電暈駐極，高電壓駐極樣品的電荷捕獲量多于低電壓駐極。隨著駐極電壓的升高，正負(fù)電荷捕獲量的差異逐漸減小。根據(jù)TSD原理，熱刺激放電峰峰溫僅受束縛能的影響。束縛能越大，電荷陷阱能級(jí)越高，放電電流峰峰溫越高，注入電荷越不容易脫阱，電荷存儲(chǔ)越穩(wěn)定[13]。

根據(jù)圖3所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，不同駐極電壓下，電暈駐極樣品的TSD峰的峰溫基本相同，說(shuō)明其電荷陷阱基本相同，電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性相同;但根據(jù)TSD譜面積求得的電荷存儲(chǔ)量看，±30 kV和±24 kV電暈駐極4種樣品電荷存儲(chǔ)量分別是2.11、1.33、1.21和0.311 μC，其過(guò)濾效率分別為93%、91%、90%和67%。說(shuō)明電荷存儲(chǔ)量是改變樣品過(guò)濾效率的關(guān)鍵因素，電荷存儲(chǔ)量高的樣品過(guò)濾效率也高。

2.4 熏蒸處理對(duì)電荷存儲(chǔ)性能的影響

MBPP駐極體非織造布在高濕度及醫(yī)用環(huán)境下的電荷穩(wěn)定性是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[14]。為深入了解應(yīng)用環(huán)境所造成的過(guò)濾效率衰減情況及與電荷存儲(chǔ)性能的相關(guān)性，使用酒精和水對(duì)±30 kV電暈駐極樣品進(jìn)行了12 h的熏蒸處理。經(jīng)酒精熏蒸后，其過(guò)濾效率從原來(lái)的93%、91%降為33%，過(guò)濾效率下降嚴(yán)重；經(jīng)水熏蒸后過(guò)濾效率仍有92%和89%。圖4示出酒精和水熏蒸后MBPP駐極體非織造布的表面電位分布圖。由圖4(a)、(b)測(cè)試結(jié)果可知：經(jīng)酒精熏蒸后樣品的表面電位大幅降低，平均表面電位低于50 V以下，說(shuō)明酒精熏蒸時(shí)電荷衰減嚴(yán)重。由圖4(c)、(d)可知：水熏蒸樣品表面電位仍保持較高值，說(shuō)明水熏蒸僅造成了電荷的少量損失，其原因是水和酒精與聚丙烯的親和力不同。酒精可通過(guò)擴(kuò)散作用，滲透到聚丙烯體內(nèi)，使電荷消失[15]。

圖4 酒精和水熏蒸后MBPP駐極體非織造布的表面電位分布圖

圖5示出酒精和水熏蒸前后樣品的TSD譜圖。可知：酒精熏蒸后樣品的TSD譜中沒(méi)有放電峰，說(shuō)明酒精熏蒸后樣品中的電荷幾乎已完全衰減。水熏蒸后樣品的TSD譜與未熏蒸樣品幾乎相同，放電峰峰溫也相同，只是放電電流值略低于未熏蒸樣品，說(shuō)明電荷只有少量衰減。這與過(guò)濾效率和表面電位分布的測(cè)試結(jié)果一致，酒精熏蒸將造成駐極體電荷衰減，過(guò)濾效率下降；水熏蒸對(duì)樣品的電荷存儲(chǔ)性能和過(guò)濾性能影響很小。

圖5 酒精和水熏蒸MBPP駐極體非織造布的熱刺激放電譜圖

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)改變電暈駐極條件和利用水、酒精熏蒸處理制備得到具有不同電荷捕獲特性的熔噴聚丙烯(MBPP)駐極體非織造布，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能研究得到以下結(jié)論。

1)駐極溫度和時(shí)間對(duì)MBPP駐極體非織造布過(guò)濾效率的影響較小，駐極電壓和距離對(duì)其過(guò)濾效率的影響顯著，正電暈駐極優(yōu)于負(fù)電暈駐極。MBPP駐極體非織造布的表面電位分布極不均勻，電荷密度呈塊狀分布，僅從表面電位高低不能準(zhǔn)確判斷材料過(guò)濾性能的好壞。

2)電暈駐極MBPP駐極體非織造布中存在與駐極電源極性相同和相反的2種電荷。正負(fù)電暈駐極時(shí)得到的電荷陷阱能級(jí)相近。與駐極電源極性相同的電荷放電峰為強(qiáng)峰，與駐極電源極性相反的電荷放電峰為饅頭峰。熱刺激放電過(guò)程中釋放的電荷量與材料過(guò)濾性能呈正相關(guān)性。

3)酒精熏蒸時(shí)電荷衰減嚴(yán)重，材料的過(guò)濾性能急劇下降；水熏蒸時(shí)電荷衰減很少，材料過(guò)濾性能幾乎沒(méi)有改變。本文的研究成果可為MBPP駐極體非織造布材料的生產(chǎn)及其在高濕度及醫(yī)用環(huán)境下的使用提供參考。

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