驻极处理对熔喷空气过滤材料过滤性能的影响

2013-10-14湖南工程学院纺织服装学院湘潭411100

产业用纺织品 2013年5期

关键词：颗粒物阻力口罩

(湖南工程学院纺织服装学院，湘潭，411100)

空气过滤材料对于防止颗粒污染物进入人体，减少可入肺颗粒物对健康的损害和预防疾病的传播具有重要的作用［1］。聚丙烯超细纤维熔喷过滤材料已大量应用于空气净化及医疗卫生行业，如用作空调滤网、医用防护口罩和防尘口罩等。

影响熔喷过滤材料过滤性能的因素很多，如纤维线密度，以及纤网结构、厚度和密度等。作为空气过滤材料，不仅要提高其过滤效率，而且要尽可能地降低其呼吸阻力，而呼吸阻力和过滤效率是一对矛盾体，最有效的解决办法就是对熔喷过滤材料进行驻极处理。

1 熔喷过滤材料结构特点

1.1 纤维直径细

聚丙烯熔喷过滤材料的纤维平均直径为1.5～3 μm，属于超细纤维范畴。图1是纺粘/熔喷/纺粘(SMS)材料的扫描电镜(SEM)照片，其表层为纺粘层，在纺粘层下面为熔喷层，可见纺粘层纤维的纤维直径远大于熔喷层纤维。

图1 SMS材料的SEM照片

1.2 纤维三维交错杂乱排列，多弯道结构

聚丙烯超细纤维熔喷材料的纤维形成多层纵横交错的网状结构，且呈随机三维分布，使得纤网内含有大量微小空隙。纤维的随机和隔层交叉排列，构成了熔喷材料多弯曲通道结构，如图2所示。该类结构可以大大提高过滤时空气中颗粒物与纤维产生碰撞而被滞留的概率，适合用作过滤材料。

图2 熔喷材料的多弯道结构

1.3 孔隙率高，孔径小

由于纤维直径细，纤网呈三维网状立体结构，且分布均匀，形成大量的立体曲径通道体系，因而孔隙率高，且平均孔径小［2］。如图1所示，单位面积中下层熔喷层的孔隙数量明显大于表层纺粘层，而平均孔径明显小于纺粘层。高孔隙率和小孔径有利于提高熔喷过滤材料在使用过程中对颗粒物的阻挡率。

1.4 结构蓬松

由于熔喷材料是依靠自身纤维热黏合而成，手感柔软，结构较蓬松，在相同面密度条件下，厚度较其他非织造材料厚，在过滤时增加了颗粒物通过材料的路径长度，因而进一步提高了熔喷材料的过滤效率。

2 过滤机理

在熔喷过滤材料的过滤机理中，普遍认可的机理主要有布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降和静电吸附五种过滤机理［1］。前四种原理都是机械阻挡粉尘，因此本文将过滤机理分成机械阻隔和静电吸附两部分进行讨论。

2.1 机械阻隔

机械阻隔可以分为以下几种情况:

(1)空气中粒径大于5 μm的飞沫可以被过滤材料阻隔在外;

(2)微尘直径小于3 μm时，由于口罩过滤材料中纤维随机和隔层交叉排列成型，构成多弯曲通道的纤维过滤层，当微粒经过各种类型的弯曲通道或路径时，微尘便被机械过滤式的范德华力吸附在纤维表面;

(3)当颗粒粒径与气流速度都较大时，气流接近过滤材料因受阻而绕流，而颗粒由于惯性作用脱离流线直接与纤维碰撞被捕获;当颗粒粒径很小且流速很低时，颗粒因布朗运动产生扩散而撞击到纤维上被捕获。

2.2 静电吸附

静电吸附是指当过滤材料的纤维带电时，通过荷电纤维(驻极体)的库仑力实现对灰尘的捕获。如图3所示，当粉尘经过过滤材料时，静电力不仅能有效地吸引带电粉尘，而且以静电感应效应捕获感应极化的中性粒子，随着静电势提高，静电吸附作用越强［3］。

图3 过滤材料的静电吸附机理

3 驻极处理对熔喷过滤材料过滤性能的影响

在理论上，纤维越细，纤维交织越紧密，孔隙越多，孔径越小，过滤效率自然越高。例如，塑料膜对颗粒物的阻挡率几乎可以达到100%，但是塑料膜不能用于空气过滤，因为塑料膜在阻挡颗粒物的同时，空气也无法通过。作为空气过滤材料，保证过滤性能固然重要，但保证空气的顺利通过也非常重要。设想人们在使用防护口罩时，如果材料太紧密，孔隙太小，呼吸阻力太大，使用者无法顺利吸入空气，口罩也就失去了使用价值。正是因为熔喷过滤材料在阻挡颗粒物的同时，又能让空气顺利流通，才被普遍用作空气过滤材料。因此，作为空气过滤材料需在保证正常呼吸阻力范围内尽量提高过滤效率。

驻极处理就是解决呼吸阻力和过滤效率这对矛盾体的最好办法。本文设计了两组实验。第一组实验是对5组相同的未驻极纯聚丙烯熔喷材料加以不同电压进行驻极处理，驻极时间均为22 s，采用单面电晕法驻极，以确定驻极处理对材料过滤性能的影响;第二组实验是选择一种已经驻极的优质熔喷过滤材料，在其表面作喷涂纳米纤维的对比实验，以进一步验证驻极处理对提高材料过滤性能的作用。

过滤性能检测仪器为TSI8130型自动过滤材料测试仪。基本参数:气溶胶为NaCl非油性颗粒物，气溶胶流量32 L/min，平均颗粒直径0.26 μm，过滤效率测试精度为99.999%。

3.1 驻极处理实验

驻极处理实验结果列于表1。由表1可见，未驻极熔喷过滤材料的过滤效率只有30.16%，而驻极后的过滤材料其过滤性能发生了跳跃性的变化，增大到80%左右，并且随着驻极电压的增大，过滤效率呈现上升的趋势。原因是驻极过程使在相同的时间内过滤材料表面积聚的电荷数变多，表面电位变高，过滤材料表面形成更开阔的开放型结构，增强了对粉尘的捕捉效果［4］。随着驻极电压的增大，过滤材料表面的电荷密度增加，对颗粒的吸附极化作用增强，所以过滤效率随着驻极电压的增大而上升。经驻极处理后的熔喷材料过滤效率明显提高，然而其呼吸阻力变化很小。这是因为驻极处理只是使熔喷纤维带上静电荷，对熔喷材料的纤维结构没有影响，因而对呼吸阻力几乎没有影响。驻极处理实验说明驻极处理可在不增加呼吸阻力条件下大幅度提高过滤效率，是空气过滤材料一种重要的处理工艺。

表1 不同驻极电压对熔喷过滤材料过滤性能的影响

3.2 表面喷涂对比实验

选择一种已经驻极的优质熔喷过滤材料，取两块尺寸均为20 cm×20 cm的样品。在其中一块上均匀喷涂用质量分数为1%的聚乙烯醇/聚乙烯(PVA-co-PE)溶液制得的纳米纤维，晾干;分别测试两块样品的过滤性能。

图4是喷涂纳米纤维前后熔喷过滤材料的SEM照片。对比发现，经纳米纤维喷涂后的熔喷过滤材料表面布满了纳米纤维，孔径明显小于未经喷涂的材料。按常理推断，经过纳米纤维喷涂后的熔喷过滤材料，由于孔隙很小，使得颗粒物几乎无法通过，过滤效率会更高，但测试结果并非如此。

图4 纳米纤维喷涂处理前后熔喷过滤材料的SEM照片

表2为喷涂前后过滤材料过滤性能的测试结果。经过纳米纤维喷涂后的熔喷过滤材料过滤效率反而低于未经喷涂的熔喷过滤材料，且呼吸阻力急剧上升，远远超过国家标准对口罩呼吸阻力≤350 Pa的要求。导致该结果的主要原因是:由于PVA-co-PE需溶解在一定的溶剂中，然后再进行纳米纤维喷涂，而这些溶剂含有大量水分，经驻极处理的熔喷过滤材料上的静电荷遇水便会消失，因此经纳米纤维喷涂后的熔喷过滤材料需完全依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞和重力沉降等机械阻挡作用来过滤空气中的微粒。虽然喷涂纳米纤维的熔喷材料孔径已经非常小，但还是无法完全阻挡颗粒物，并且由于纳米纤维堵塞了大量的孔隙，使得空气无法顺畅流通，呼吸阻力急剧上升，因此该材料无法用作自吸过滤式的空气过滤材料。