驻极体非织造材料在空气过滤方面的应用特点

武松梅，袁传刚

(安徽职业技术学院，安徽 合肥 230011)

1 概述

我国处于高速发展工业时期，生产方式以粗放型为主，能源消耗比较大。其中重工业、能源工业及原材料工业的生产工艺及设备相对落后，造成严重的空气污染。这些有害有毒的气体和粉尘微粒，严重地危及人类的健康。粉尘是六种大气污染源之一，空气中99.9%的粉尘粒径是亚微米级的。随着人们对空气质量和生活环境要求越来越高，如何处理有害粉尘，净化空气成为人们关注的焦点。但传统的空气过滤材料对粒径小于1μm的微粒的过滤并不是十分有效[1]，因此，开发高性能、低成本新型过滤材料是当前非常重要的课题。

常用纤维材料过滤的机理，就是使尘粒与纤维碰撞而将它从气流中分离出来，尘粒与纤维碰撞的原因，主要依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、直接拦截等机械阻挡作用。尘粒及纤维都有可能因某种原因而带上静电。普通的过滤材料没有带静电荷，材料和尘粒之间静电吸附作用甚弱。如果过滤材料带有电荷形成荷电纤维(即驻极体)，当尘粒经过纤维过滤材料时，过滤中除原有的机械阻挡作用外，荷电纤维(驻极体)利用电荷的静电力有效地吸附尘粒，大大提高了对粉尘粒子的捕集效率。驻极体过滤材料因其具有高效、低阻除尘，灭菌功能及对具有致癌作用的亚微米级粒子突出的捕获能力，在医疗设施、制药工业和生物制品、高新科技产业及旅馆酒店、家庭和公共场所洁净等方面的应用上，显示出独特的优势，成为应用前景广泛的新型空气过滤材料。

2 空气过滤材料驻极体机理

驻极体是指具有长期储存空间(真实)和极化电荷能力的固体电介质材料，具有在无外电场的条件下能自身产生静电作用力的特性[2]。

驻极体用作过滤材料,最初是1976年由J.Van Tum hout 等人制成切割成小条状的聚丙烯薄膜，将这种带电小条加工成折皱状态即形成驻极体纤维。鉴于驻极体空气过滤器具有低流阻、高效率及长寿命，高集尘能力及节省能源等优点，使得这类空气过滤材料的研究发展十分迅速。

3 驻极体非织造过滤材料的应用特点

普通空气过滤材料性能测试的最主要指标是：过滤效率、压力损失和最大容尘量。这些指标也是所有空气过滤材料必须遵循的基本指标。但对于具有特定过滤性能的空气滤材来说,其性能测试指标应该考虑其特殊的性能。比如，驻极体空气过滤材料产生的静电力对过滤材料性能的影响及后果等。因此，驻极体非织造过滤材料其静电性对其过滤性能产生的影响带来如下特点。

3.1 过滤效率与压力损失

过滤材料的过滤性能很大程度上决定于滤料的内部结构。普通的空气过滤材料仅仅依靠机械作用进行过滤，因此只有当过滤材料处于夯实状态，而非常细密状态时，才能高效地捕获细微粉尘，过滤效率提高。但这样将极大地增加流阻。对于普通过滤材料很难做到高效低阻。而驻极体空气滤材的过滤效率一般较高,尤其是压降损失很小，这可减少过滤器的能耗,增大过滤速度,延长滤材的使用寿命,降低过滤器的使用及运行费用。这主要由于驻极纤维过滤材料利用了静电捕集,其捕集效率比普通纤维过滤材料的捕集效率要高得多,但过滤材料结构密度较低，表现出低阻力。尤其是对于亚微细数量级的粒子,捕集效果更为显著。许多学者的研究结果证实了这一点[3-5]，例如某熔喷聚丙烯材料的过滤效率可由未驻极时的58.1%提高到驻极后的93.8%[7]。

采用驻极体材料的空气过滤器的医院病房净化效率明显高于采用普通过滤材料的空气过滤器的医院病房[6]。

驻极过滤材料与普通过滤材料具有同样的过滤效率时，其驻极过滤材料的阻力比普通过滤材料显著降低。例如，在同等过滤效率条件下，某高效玻纤过滤器与驻极体过滤器的气流阻力分别为118.6 Pa和10.8 Pa[8]。

3.2 容尘量和使用寿命

容尘量是过滤材料的一个重要的性能指标。容尘量越大，滤料的使用寿命越长。与传统的空气过滤材料相比，驻极体空气过滤材料的容尘量大，使用寿命长。

3.3 过滤速率

有报道称，过滤速率对驻极熔喷/纺粘复合驻极体过滤材料的静电效应至关重要。随着过滤比速的增大，使得微粒运动速度加快，纤维带上的电荷对微尘颗粒所产生的静电吸附力相对减弱，造成过滤性能降低。所以，驻极体空气滤材若要保持较高的过滤效率，它的过滤速率一般都不大。目前对于高效驻极体空气滤材，使用滤速以2.5～3 cm/s为主[9]，对于中效驻极体空气滤材而言，它的过滤速率比高效驻极体空气滤材的要大许多。因此，对于驻极体空气过滤材料在使用时必须要选择合适的过滤风速才能达到更好的效果。

3.4 静电性能

驻极体空气过滤材料所带静电荷的多少以及静电荷的稳定性对过滤性能产生很大影响。静电荷衰减是驻极体空气滤材静电性能不稳定性的因素之一。其电荷储存的稳定性以及静电荷的多少主要取决于驻极方法、材料、电荷分布状态、加工条件等。

3.4.1驻极方法

空气过滤材料使其驻极化的方法有很多，主要有电晕放电、摩擦起电、静电纺丝、热极化和低能电子束轰击。

空气过滤材料的驻极方法不同导致了所形成的驻极体的性质亦不大相同。不同的驻极方法对过滤材料的单位面积上电荷量以及电荷埋藏的深度有所不同。就过滤性能而言，驻极体过滤材料各处的电荷密度均匀性越好，电荷埋藏的深度一致性越好，越有利于其过滤性能。

目前，电晕放电法是最佳的静电驻极方法。该驻极方法可有效地控制样品电荷密度及其横向均匀性，并且设备简单，操作方便。

3.4.2过滤材料的厚度

当驻极空气过滤材料较薄时，静电吸附机理是主要的。随着过滤材料厚度的增加，机械阻挡机理的作用增强，直至两种机理变得同样重要。因此驻极体非织造空气过滤材料的厚度对其静电吸附尘粒影响较大。

3.4.3加工条件

有资料表明，空气过滤材料的处理条件对其电荷的稳定性起到很大影响。如，热处理的温度对PP非织造布所产生电荷的稳定程度影响不同。经高温充电后正负极性PP非织造过滤材料驻极体的电荷稳定性都比常温充电样品有了明显提高[10]。相对于恒压电晕充电,恒流电晕充电的PP非织造布虽然电荷稳定性降低,但体内沉积了更高的电荷密度,从而可能有效地改善用作过滤材料的PP非织造布的过滤效率[11]。

控制空气过滤材料驻极时的条件可以产生不同的表面电位。研究人员将聚丙烯熔喷纤维空气过滤材料采用电晕充电方法对其进行驻极，得出充电电压越高越好，但充电电压超过一定极限便会出现火花放电现象，材料被击穿，因此，为使材料获得良好的充电效果，需要选择合适的充电电压。充电距离以及充电时间对表面点位的影响规律与充电电压的影响类似。为使过滤材料获得较高的表面电位，必须选择合适的充电电压、充电距离和充电时间[12]。

3.4.4驻极的方向

驻极的方向对空气过滤材料的电荷稳定性也会产生影响。驻极体非织造布按照极性的方向分为两类。第一类传统方向，其极性沿厚度方向随机分布，没有特定的方向，随着时间的推移极化电场容易消失，静电效应显著下降，过滤材料过滤性能受到影响。第二类，沿厚度方向定向极化，可在分布的周围产生较高的电场，比传统的驻极体非织造布具有更好的电荷保存性，吸附性能也优于传统的驻极非织造布。日本某公司推出的新型驻极体非织造过滤材料就是采用了电极精确定向技术，该材料的电荷保持时间较长，静电场较强，静电吸附效果较好[13]。

3.4.5表面静电荷势值

驻极体空气滤材的表面电荷均匀分布有利于其过滤效率的稳定，即要求过滤材料的表面静电势值差要小。如对国内某熔喷驻极体空气过滤材料的静电势进行测试，测点间距为3 cm,一列测点为7个，共测试了35个点的静电势值，结果如表1所示。

表1 熔喷驻极体空气过滤材料的静电势测试值

从表1中可看出，熔喷驻极体空气过滤材料静电势最大差值为340，它等于最高静电势的绝对值。可以看出该驻极体空气滤材表面静电势的均匀性比较差。驻极体空气滤材的静电势多高才能使其过滤性能最佳，目前还处在研究阶段。同时，静电势的高低与其滤材的生产和驻极工艺有关。不过就现在的生产技术水平和静电过滤机理来看，驻极体空气滤材的静电势高一些为好，这样可以提高其过滤性能。这一结论可以从表2[14-15]中看出。

3.4.6驻极所使用的材料

好的驻极体空气过滤材料对静电驻极材料的选择也有要求。这些材料都具有优异的介电性能，如高体电阻和表面电阻，高介电击穿强度、低吸湿性和透气率等。用作驻极体空气过滤材料很多，主要以高聚物为主的有机驻极体材料，如非极性材料：聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟乙烯；聚四氟乙烯共聚物等；极性材料或弱极性材料：聚三氟乙烯、聚丙烯(共混)及聚酯等[16]。

表2 驻极体空气过滤材料的静电势及性能

从电荷的保持和稳定性的角度来看,驻极纤维的原料大多采用聚丙烯或者聚丙烯共聚物,也有部分采用聚碳酸酯。有报道称驻极体空气过滤材料采用聚碳酸酯和聚氨酯，它们在静电纺丝过程中保留电荷，其初始过滤效率都很高，但容尘后其过滤效率下降[17]。

近年来报道，由降冰片和乙烯单体经催化共聚形成的环烯共聚物COC(Cycoolefin Copoplymer)是一种典型的完全非晶态非极性的驻极体材料。因其具有优异的力学特性及突出的储电能力和疏水特性，用作驻极体空气过滤材料其过滤性能将明显地优于传统驻极体纤维滤材[18]。

3.4.7使用湿度

驻极体过滤材料对湿度有着很高的稳定性，即使在饱和蒸汽态下其过滤性能也几乎不发生改变。但根据过滤机理，驻极体空气滤材不宜在高湿度环境中长期使用[19]。

3.5 使用温度

驻极体空气滤材在温度变化情况下的过滤效率如表3所示，在温度高的环境中使用,其过滤效率有所下降。综合来看，驻极体空气滤材在常温环境中使用可长时间保持良好的过滤性能。即使在100℃饱和蒸汽状态下，其过滤性能也几乎不发生改变。但是，驻极体过滤材料的使用最高工作温度不宜高于100℃，最低工作温度也不能过低。

3.6 抗病菌性

驻极体空气过滤材料不仅过滤性能优良，而且可以抑制细菌繁殖，杀灭细菌。其抗菌机理是依靠驻极体材料所产生的强静电场和微电子流来抑制或杀灭细菌，使其蛋白质和核酸变异损伤，破坏细菌的表面结构，导致细菌死亡。最新研究结果表明：-500～-1500V驻极体作用于金黄色葡萄球菌24 h后，对该菌有90%以上的杀灭率，灭菌效果随驻极体的表面电位升高而增加[20]。因此，用驻极体空气过滤材料可以制作无菌室滤布、抗菌防尘口罩和防SARS医用隔离服等，不仅可以用于医院病房、旅馆酒店、家庭和公共场所，而且可以扩展到航天、航空、密闭仓及坑道作业环境中[21]。

表3 驻极体空气过滤材料过滤性能的稳定性

注：1#样品20 g/m2;2#样品50 g/m2。测定风速为1.5 m/min。

4 结语

驻极体空气过滤材料能有效改善环境空气品质, 降低空气中细菌、粉尘浓度, 是理想的过滤材料。随驻极理论研究和技术不断进步，驻极纤维生产成本降低，价格趋于合理化，在环境净化方面的开发应用一定具有广阔的应用前景。

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