表面靜電和環(huán)境濕度對(duì)潔凈織物空氣粒子過(guò)濾效率的影響

朱 蘭,肖坤坤,吳振一

(1.蘇州市纖維檢驗(yàn)院,江蘇 蘇州 215128; 2.蘇州市計(jì)量測(cè)試院,江蘇 蘇州 215128)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)醫(yī)藥、半導(dǎo)體、機(jī)械儀表等行業(yè)迅猛發(fā)展,對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程中的環(huán)境潔凈度要求逐步提高。近年來(lái)國(guó)內(nèi)微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn),世界排名前50的半導(dǎo)體公司絕大多數(shù)在我國(guó)設(shè)立了生產(chǎn)基地,我國(guó)半導(dǎo)體自主研發(fā)基地也在不斷建造投產(chǎn)[1]。在制藥行業(yè),我國(guó)已有6 000多家制藥廠(chǎng),有超過(guò)10 000個(gè)醫(yī)院內(nèi)無(wú)菌室、手術(shù)室和病房等[1]。對(duì)空氣潔凈度有要求、保證內(nèi)部產(chǎn)品質(zhì)量的區(qū)域稱(chēng)為潔凈室,亦稱(chēng)無(wú)塵室、無(wú)塵車(chē)間。目前潔凈室內(nèi)部環(huán)境的空氣凈化技術(shù)已趨于成熟,經(jīng)過(guò)多重處理后,相關(guān)受控環(huán)境內(nèi)的微塵量可控制在相當(dāng)?shù)偷乃?。但研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)設(shè)備工作、人員活動(dòng)等途徑,微生物和微塵仍可進(jìn)入潔凈區(qū)域污染產(chǎn)品,降低產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品良率[2]。在有效降低潔凈室通風(fēng)帶來(lái)的塵埃粒子情況下,潔凈服是隔絕人體向潔凈室散發(fā)微污染最重要的屏障[3]。

潔凈服又稱(chēng)為潔凈室服裝或防靜電無(wú)塵服裝,包括連體服、分體服、潔凈大褂和潔凈內(nèi)衣等。潔凈織物一方面隔離人體和環(huán)境,阻礙人體散發(fā)的顆粒和微生物污染潔凈室環(huán)境,另一方面降低靜電放電對(duì)產(chǎn)品良率的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)潔凈服的研究起步較晚,目前對(duì)于潔凈服潔凈性能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24249—2009《防靜電潔凈織物》和紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 80014—2012《潔凈室服裝通用技術(shù)規(guī)范》。標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定了潔凈織物潔凈度等級(jí)劃分及對(duì)應(yīng)的技術(shù)要求,包括發(fā)塵率和空氣粒子過(guò)濾效率。其中,實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行日常潔凈服空氣粒子過(guò)濾效率檢測(cè)中,經(jīng)常出現(xiàn)同一潔凈織物不同時(shí)間空氣粒子過(guò)濾效率差距過(guò)大的情況,重現(xiàn)性較差,不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2次效率值偏差不超過(guò)15%,需要重新進(jìn)行測(cè)試,直至2次結(jié)果差值滿(mǎn)足要求。

潔凈服由纖維過(guò)濾材料制成,其過(guò)濾空氣粉塵粒子主要通過(guò)慣性效應(yīng)、攔截效應(yīng)、靜電效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)和重力效應(yīng)單種或多種機(jī)制共同作用[4-6]。不同潔凈織物過(guò)濾空氣粉塵粒子的影響因素需要考慮實(shí)際測(cè)試時(shí)的樣品和測(cè)試參數(shù),包括環(huán)境溫度和濕度、潔凈布料表面靜電和上下游壓差、標(biāo)準(zhǔn)粒子粒徑和上游濃度等[7-9]。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室前期積累的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),按照GB/T 24249—2009《防靜電潔凈織物》附錄D中防靜電潔凈織物空氣粒子過(guò)濾效率測(cè)試方法進(jìn)行潔凈織物實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,潔凈織物表面靜電以及環(huán)境濕度是影響空氣粒子過(guò)濾效率的主要因素。由此,本文通過(guò)摩擦法改變織物表面靜電以及將織物提前放入恒溫恒濕間靜置來(lái)分別調(diào)控表面電壓和測(cè)試環(huán)境濕度大小,探究表面靜電和環(huán)境濕度對(duì)潔凈織物空氣粒子過(guò)濾效率的具體影響,以期提高潔凈織物潔凈度檢測(cè)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性,為客戶(hù)進(jìn)行潔凈服優(yōu)選提供重要參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材 料

聚苯乙烯(PSL)標(biāo)準(zhǔn)微球(單分散粒子,直徑0.5μm,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院);4塊潔凈織物(織物材質(zhì)為滌綸,規(guī)格見(jiàn)表1,上海創(chuàng)勢(shì)紡織科技有限公司)。

表1 潔凈織物規(guī)格Tab.1 Clean fabrics specification

1.2 測(cè)試環(huán)境及儀器

恒溫恒濕間(南京博森科技有限公司);SX-L2515潔凈布料效率試驗(yàn)臺(tái)(蘇州蘇信環(huán)境科技有限公司,如圖1所示);KF-21離子風(fēng)機(jī)(蘇州海新機(jī)電工業(yè)設(shè)備有限公司);FMX-004靜電測(cè)試儀(日本SIMCO-ION公司);錦綸布(面密度108 g/m2,紗線(xiàn)線(xiàn)密度22.2 tex,蘇州文昌祥紡織品有限公司);特氟龍生料帶(PTFE,蘇州晨訊電子材料有限公司)。

1—上游塵埃粒子計(jì)數(shù)器; 2—風(fēng)機(jī)變頻器;3—風(fēng)機(jī);4—孔板流量計(jì);5—上游采樣口;6—樣品夾具;7—下游采樣口;8—?dú)飧?9—?dú)馊苣z發(fā)生器;10—控制顯示器;11—下游塵埃粒子計(jì)數(shù)器;12—高效空氣過(guò)濾器。圖1 潔凈布料效率試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of clean cloth efficiency test bench

1.3 試驗(yàn)方案

潔凈織物的空氣粒子過(guò)濾效率測(cè)試前,將4塊潔凈布料于恒溫恒濕間靜置24 h。通過(guò)調(diào)整恒溫恒濕間的濕度(30%、50%和65%),探究環(huán)境濕度對(duì)過(guò)濾效率的影響。測(cè)試前使用離子風(fēng)機(jī)對(duì)試樣吹5 min,確保試樣初始表面靜電為0 kV。采用摩擦電壓法使?jié)崈艨椢锉砻鎺щ?即使用錦綸布和特氟龍生料帶分別摩擦潔凈織物使其表面初始帶正電荷或負(fù)電荷,調(diào)整摩擦次數(shù)可控制潔凈布料初始表面電荷大小。使用靜電測(cè)試儀的探頭對(duì)準(zhǔn)樣品表面,保持一定距離使探頭發(fā)射光聚焦,按下測(cè)試按鈕,此時(shí)顯示器的讀數(shù)即為該樣品區(qū)域的靜電大小,重復(fù)測(cè)量樣品多個(gè)區(qū)域,以最大靜電示數(shù)作為該樣品表面電荷量。

將樣品放置夾具之間固定,變頻風(fēng)機(jī)負(fù)壓抽氣,使垂直于樣品的氣流通過(guò)樣品兩側(cè)。上游空氣中混有一定粒徑和濃度的標(biāo)準(zhǔn)微球,在一定的壓差下通過(guò)試樣,用塵埃粒子計(jì)數(shù)器分別統(tǒng)計(jì)試樣上下游的粒子濃度,通過(guò)上下游的粒子濃度差計(jì)算潔凈織物空氣粒子過(guò)濾效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始表面靜電對(duì)潔凈織物過(guò)濾效率的影響

圖2為溫度20 ℃、濕度30%條件下初始表面靜電對(duì)4塊潔凈織物樣品過(guò)濾效率的影響。潔凈織物的過(guò)濾效率與織物表面帶電量有關(guān),靜電效應(yīng)對(duì)潔凈織物過(guò)濾性能的影響較大,所有樣品的空氣粒子過(guò)濾效率均隨著初始表面電荷增加而增加。測(cè)試之前的摩擦作用使?jié)崈艨椢锉砻胬w維帶電荷,測(cè)試粒子與空氣和織物的摩擦或其他原因也會(huì)帶上電荷,此時(shí)織物和粒子之間形成一個(gè)電位差,當(dāng)粒子隨氣流趨向織物時(shí),庫(kù)侖力會(huì)促使微粒和纖維碰撞從而使微粒沉積在纖維上而被捕集[9],初始表面電荷增加,庫(kù)侖力變大,更多的空氣粒子被捕集,因而4塊樣品的過(guò)濾效率都隨著表面電荷量的增加而提高。

圖2 潔凈織物在不同初始表面電荷下的過(guò)濾效率Fig.2 Filtration efficiency of clean fabric under different initial surface charges

潔凈織物在不同初始電荷(表面帶正電或者負(fù)電)的過(guò)濾效率如圖3所示,對(duì)于同一樣品,織物初始表面電荷正負(fù)性對(duì)過(guò)濾效率影響較小。在不同的濕度條件,初始表面電荷為0的情況下樣品的過(guò)濾效率最低,并且無(wú)論電荷的正負(fù)性,隨著電荷量的增加,過(guò)濾效率都會(huì)逐漸增加。因?yàn)殪o電效應(yīng)產(chǎn)生的吸附只與織物和粒子之間的庫(kù)侖力大小有關(guān),電荷的正負(fù)性不影響靜電吸附效率[10-11]。

圖3 潔凈織物在不同初始電荷(表面帶正電或者負(fù)電)的過(guò)濾效率Fig.3 Filtration efficiency of clean fabric at different initial charges (positive or negative surface charge).(a) Temperature 20℃, humidity 50%RH;(b) Temperature 20℃, humidity 65%RH

50組空氣粒子過(guò)濾性能測(cè)試前后織物表面帶電荷量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示,測(cè)試后潔凈織物表面帶電量均低于測(cè)試前。這與織物的材質(zhì)有關(guān),潔凈織物具有低起靜電、高放靜電的特性,電荷存在的時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng),這也正是潔凈服能有效降低人員穿著靜電放電,提高產(chǎn)品優(yōu)良率的原因。

圖4 潔凈織物表面電荷量測(cè)試前后對(duì)比Fig.4 Comparison of surface charge of clean fabrics before and after testing

2.2 環(huán)境濕度對(duì)潔凈織物過(guò)濾效率的影響

在環(huán)境溫度相同、初始表面電荷為0 kV的條件下,環(huán)境濕度(30%和50%)對(duì)潔凈織物樣品過(guò)濾效率的影響如圖5所示。對(duì)于織物A1,濕度的增加會(huì)對(duì)空氣過(guò)濾效率產(chǎn)生一定的抑制作用。這是因?yàn)檫^(guò)濾氣流的濕度增加以后,濕空氣使靜電效應(yīng)減弱,布朗運(yùn)動(dòng)減弱,使微粒的擴(kuò)散系數(shù)提高,微粒易被后來(lái)的氣流夾帶繼續(xù)穿透,從而降低了過(guò)濾效率[12]。然而,對(duì)于織物A2、A3和A4,空氣粒子過(guò)濾效率隨著空氣濕度的增加而增加。這是因?yàn)楫?dāng)空氣濕度較高時(shí),織物纖維表面可能會(huì)冷凝形成一層水膜,增加纖維與空氣粒子的接觸面且不易反彈,因此過(guò)濾效率可能會(huì)有一定提升[13]。因此,空氣濕度對(duì)過(guò)濾效率有一定影響,抑制或者促進(jìn)和空氣濕度大小可能與織物表面材質(zhì)有關(guān),具體機(jī)制有待進(jìn)一步探索。

圖5 潔凈織物在不同濕度下的過(guò)濾效率Fig.5 Filtration efficiency of clean fabric under different humidity

圖6為隨機(jī)選取實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的25組潔凈服數(shù)據(jù),縱坐標(biāo)為2次測(cè)得過(guò)濾效率(分別記為B1和B2)差值的絕對(duì)值與第1次過(guò)濾效率(B1)之比。在保持織物樣品初始表面電荷和環(huán)境濕度一定的情況下,即測(cè)試前放置濕度為65%的恒溫恒濕室24 h,且進(jìn)行消靜電處理(改進(jìn)后),樣品的2次過(guò)濾效率之差平均為0.08,但未控制靜電量和環(huán)境濕度2種外界因素條件下(改進(jìn)前),2次過(guò)濾效率之差平均為0.27?？梢?jiàn),對(duì)樣品進(jìn)行消靜電處理和調(diào)控環(huán)境濕度為65%之后,樣品的測(cè)試結(jié)果更為穩(wěn)定,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24249—2009《防靜電潔凈織物》中要求的2次效率測(cè)得值相差小于0.15。由此,控制樣品初始表面電荷和環(huán)境濕度,對(duì)提高潔凈織物空氣粒子過(guò)濾效率檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性,實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化至關(guān)重要。

圖6 25組潔凈織物過(guò)濾效率差值分布Fig.6 Distribution of filtration efficiency difference values for 25 groups of clean fabrics

3 結(jié) 論

通過(guò)研究靜電量和環(huán)境濕度對(duì)潔凈織物空氣粒子過(guò)濾效率的影響發(fā)現(xiàn),潔凈織物初始表面靜電和環(huán)境濕度對(duì)于潔凈織物空氣粒子過(guò)濾效率影響較大,空氣粒子過(guò)濾效率隨著織物表面帶電荷量的增而提高,而空氣濕度對(duì)空氣粒子過(guò)濾效率的影響與具體空氣濕度大小和織物表面材質(zhì)有關(guān);鑒于織物表面帶電荷量難以調(diào)控,應(yīng)使用離子風(fēng)機(jī)在測(cè)試前對(duì)潔凈織物表面進(jìn)行消靜電處理,而環(huán)境濕度建議調(diào)控為統(tǒng)一的環(huán)境濕度,可以通過(guò)對(duì)表面靜電和環(huán)境濕度的控制提高空氣粒子過(guò)濾效率,有效提升潔凈織物檢測(cè)能力,確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性,助力產(chǎn)品優(yōu)選和潔凈織物質(zhì)量改進(jìn)。