针刺非织造过滤材料驻极处理研究*

臧传锋 任 煜 王辉生

(南通大学，南通，226019)

由于我国工业的快速发展，产生了大量的废气、烟尘，加剧了大气污染，雾霾天气产生的频率越来越高，范围越来越大，几乎覆盖了我国大部分区域［1-2］。大气中直径小于 2.5 μm 的颗粒污染物(PM2.5)吸入体内后会直接进入支气管，引发包括哮喘、支气管炎、尘肺和心血管病等疾病，对人们的身体健康造成了巨大危害，已引起世界各国的严重关注［3-6］。驻极体过滤材料利用机械阻隔和静电吸附双重机制捕获微细颗粒物，相对于单纯靠机械阻隔来过滤微细颗粒物的普通过滤材料，具有更高的过滤效率［7-9］。

本文以涤纶针刺过滤毡为原料，通过驻极处理，制备了一种针刺高效精细过滤材料，通过改变驻极处理的工艺参数(驻极电压、极间距、驻极次数)，探索了驻极体涤纶针刺非织造材料较优的驻极处理工艺，以及放置时间对驻极效果的影响，分析了涤纶针刺非织造过滤材料驻极处理前后过滤性能的变化。

1 试验部分

1.1 原材料

涤纶针刺非织造过滤材料(以下简称滤料)，面密度618 g/m2，厚度3.06 mm，南通新绿叶非织造布有限公司提供。

1.2 驻极处理

把高压直流电源两极的高压分别与正、负极板连接，由于放电针尖端的曲率半径很小，当电压上升到一定值，放电针尖端附近电流很强时，空气将局部发生强烈的电离和激发，但电极间并未击穿，放电针尖端产生电晕放电，这时将试样以一定速度匀速通过放电针与负极板间的放电区完成驻极［10］。图1为驻极装置的结构示意图。

1.3 测试方法

1.3.1 表面静电势

采用DZ4表面静电电位计(日本电子株式会社)测定表面电位。将静电电位计的探头放置在离滤料2 mm的上方，当红外光点显示为正方形时，保持不动，读数，从而获得滤料一点静电势的数据，如此反复，测得不同位置点静电势的数据，通过计算得出平均静电势。

图1 驻极装置结构示意

1.3.2 过滤性能

用美国的TSI 8130自动滤料测试仪测试。依据标准GB19083—2003《医用防护口罩技术要求》，分别对驻极处理前后的滤料进行过滤阻力和过滤效率的测试，探究流速-过滤阻力的关系以及粒子直径对过滤效率的影响。测试条件：测试面积176.6 cm2，温度12.6℃，湿度54.5%。

2 结果与分析

2.1 驻极工艺优化

2.1.1 水洗次数对驻极滤料表面静电势的影响

采用浴比1∶30，水浴温度100℃对滤料进行水洗。水洗时间1 h/次，每次洗完换水，分别水洗0～7次，烘干，室温下静置冷却12 h。对各滤料进行驻极处理后，5 mim内进行表面静电势测定。水洗次数与驻极处理后滤料表面的静电势关系曲线见图2。

图2 水洗次数与表面静电势的关系曲线

由图2可以看出：未经水洗的滤料经驻极处理后，表面静电势为0;随着水洗次数的增加，驻极处理后滤料表面的静电势先增加后保持稳定。这是由于在纺丝后加工过程中，纤维经上油工序，表面覆盖抗静电剂，使电荷无法积聚，故未经水洗的滤料在驻极后其表面静电势为0;而当滤料水洗次数达到5次时，纤维表面的抗静电剂已基本清洗干净，故驻极后滤料表面的静电势保持稳定。

2.1.2 驻极间距对驻极滤料表面静电势的影响

滤料经5次水洗后，进行驻极处理。驻极电压25 kV，驻极次数1次，改变驻极间距，分别为35、45、55、65和75 mm。驻极后5 mim内进行表面静电势测定。驻极间距与表面静电势的关系曲线见图3。

图3 驻极间距与表面静电势的关系曲线

由图3可知，随着驻极间距的增加，滤料表面的静电势先增加后减小。在驻极间距为35 mm时，滤料表面的静电势最小，这是是因为间距过小，滤料部分被击穿所致。当驻极间距超过45 mm后，随驻极间距的增加，极化电场变弱，极化电荷减少，捕获在样品表面的电荷也减少，导致驻极后滤料的表面静电势变小。驻极间距为45 mm时，刚好处于极化电场强，但尚未达到击穿的强度，因而滤料表面的静电势高，有很好的驻极效果。

2.1.3 驻极电压对驻极滤料表面静电势的影响

滤料经5次水洗后，控制驻极间距45 mm，驻极次数1次，改变驻极电压，分别为15、20、25和30 kV。驻极电压与表面静电势的关系曲线见图4。

由图4可知，随着驻极电压的增加，驻极滤料的表面静电势先增加后减小。当驻极电压达到25 kV时，驻极滤料的表面静电势达到最大值。这是由于随驻极电压的增加，极化电场增强，捕获在样品表面的电荷越多，表面电位就越大。但当驻极电压超过25 kV后，随着电压增大，部分介质被击穿，表面电荷慢慢减少，导致驻极滤料表面静电势减小。

图4 驻极电压与表面静电势的关系曲线

2.1.4 驻极次数对驻极滤料表面静电势的影响

滤料经5次水洗后，当驻极间距45 mm，驻极电压25 kV时，改变对滤料的驻极次数。驻极次数与表面静电势的关系曲线见图5。

图5 驻极次数与表面静电势的关系曲线

由图5可知，随着驻极次数的增加，驻极滤料表面的静电势先增加后减少。驻极次数增加即驻极时间增长，越来越多空间的电荷经外加电场的作用，沉积到介质表面或注入到介质表层一定深度，被介质表面或内部的各种陷阱捕获，导致驻极滤料表面的静电位升高［11］。随着驻极时间的不断增长，部分介质表面电荷被击穿，导致驻极处理滤料的表面静电荷减少。

2.2 表面静电势的耗损分析

滤料经5次水洗后，驻极间距45 mm，驻极次数1次，驻极电压分别为15、20、25和30 kV，驻极后滤料密封保存 12、24、36、48、72 和 96 h，分别测试各个时间段表面静电势的平均值，结果见图6。

驻极滤料中的电荷主要分为空间电荷和极化电荷。由图6可知：在最初的12 h内，曲线的斜率最大，驻极滤料表面静电势的下降速度最快;当存放时间超过24 h时，曲线的斜率明显减小，表面静电势下降速度变缓;当放置时间达96 h时，滤料的表面静电势下降到最初的12%左右。由此可见，滤料储存电量的能力还有待进一步加强。

图6 放置时间与表面静电势损耗的关系曲线

2.3 过滤性能分析

滤料经5次水洗后，在驻极电压25 kV、驻极间距45 mm的条件下进行3次驻极处理，驻极后滤料密封保存72 h，与未经驻极处理的滤料一起进行过滤性能测试。

2.3.1 驻极前后滤料阻力的变化

将驻极处理前后的滤料分别在流量为1.70、2.59、3.39、4.39、6.18 和9.17 m3/h 下进行过滤阻力测试。气流速度与过滤阻力的关系曲线见图7。

图7 气流速度与过滤阻力的关系曲线

由图7可知，随着气流速度的不断增加，滤料的阻力随之增大。这是由于随着流速增大，气流量增加，虽然滤料对颗粒物的筛分作用和静电作用不受影响，但扩散效应和重力沉降作用下降，导致过滤阻力增加。由图7还可以看出，未经驻极处理滤料的阻力大于经驻极处理滤料的阻力。这是由于驻极处理后滤料中的纤维因静电排斥作用扩散成网状空洞，使滤料中纤维间的空隙变大，透气率增大，对气流的阻力减小［10］。

2.3.2 驻极前后滤料过滤效率的变化

将驻极处理前后的滤料分别用直径为0.2、0.23、0.43、0.74、1.39、1.73、2.15、2.66、3.29 和4.59 μm的粒子，在测试风量为3.4 m3/h(相当于风速5.33 cm/s)条件下，测试其过滤效率。粒径与过滤效率的关系曲线见图8。

图8 粒径与过滤效率的关系曲线

由图8可以看出，在相同的粒径下，经驻极处理滤料的过滤效率高于未经驻极处理滤料的过滤效率。非织造过滤材料捕集微粒的效应主要有拦截效应、惯性效应、扩散效应、重力效应和静电效应。未经驻极处理的滤料没有静电效应，而经驻极处理的滤料因驻极带上静电荷，具有静电效应，所以过滤效率较高。当粒径为4.59 μm时，未经驻极处理滤料的过滤效率为90%，而经驻极处理滤料的过滤效率已达到100%。

3 结论

通过对涤纶针刺非织造过滤材料驻极处理后表面静电势及其损耗，以及对滤料驻极前后过滤性能的测试分析，可以得到以下结论：

(1)对涤纶针刺非织造过滤材料进行高温水洗处理，能有效去除纤维纺丝后加工过程中添加的抗静电剂，可以获得更好的驻极效果。

(2)涤纶针刺非织造过滤材料最优的驻极工艺参数为驻极电压25 kV，驻极间距45 mm，驻极次数3次。

(3)经驻极处理的涤纶针刺非织造过滤材料的过滤阻力比未经驻极处理的滤料小，过滤效率比未经驻极处理的滤料更高。驻极处理可以使滤料获得低阻高效的良好效果。

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