驻极处理对聚乳酸熔喷材料性能的影响

任 煜， 李 猛， 尤祥银

(1. 南通大学 纺织服装学院， 江苏 南通 226007； 2. 东华大学 纺织学院， 上海 201620；3. 南通丽洋新材料开发有限公司，江苏 南通 226007)



驻极处理对聚乳酸熔喷材料性能的影响

任 煜1， 李 猛2， 尤祥银3

(1. 南通大学 纺织服装学院， 江苏 南通 226007； 2. 东华大学 纺织学院， 上海 201620；3. 南通丽洋新材料开发有限公司，江苏 南通 226007)

采用生物可降解性聚乳酸(PLA)为原料，采用熔喷工艺开发了一种高性能过滤材料，并利用外置式电晕放电技术对材料进行驻极处理。分析了驻极过程中电晕放电电压、时间以及电极之间距离等工艺参数对材料表面电位、透气性及过滤性能的影响。采用扫描电子显微镜观察了驻极处理后PLA熔喷材料表面形貌结构的变化。结果表明：驻极后PLA熔喷材料表面粗糙度增加；材料在驻极电压增加过程中出现反极性充电现象。随着驻极电压和时间的增加，材料表面静电电位逐渐增加，然后又呈现下降的趋势。驻极处理后材料的透气性略有提高，过滤效率显著提高。

PLA； 熔喷非织造材料； 驻极； 电晕放电； 过滤性能

纤维过滤材料具有过滤效率高、压力降低小的优点，已经成为空气净化的最主要方法。但是，对于普通的过滤材料来说，过滤材料和粒子之间的静电吸附作用很弱，机械阻挡起主要作用，对微小颗粒物的过滤不够彻底，尤其当颗粒物直径小于1 μm 时，机械沉积作用下降，不能获得很好的过滤效果。而且过滤材料的表面容易产生有害的微生物，可能会对过滤的空气产生再次污染，远远达不到净化空气的作用[1-2]。

静电力在纤维过滤材料中的应用对提高过滤效率具有显著优势。驻极体气体过滤器中纤维材料本身带电，通过库伦力作用捕获带电粉尘。其纤维以低密度形成疏松和开放式结构，过滤阻力降低。在功效相同时，其流阻仅是机械型过滤器的10%左右[3-5]。常用作驻极材料的聚丙烯纤维原料来自石油资源，不可实现资源的循环利用，故需要寻找一种可代替聚丙烯的纤维，实现可持续发展。聚乳酸(PLA)从玉米等谷物中获得，是一种生物降解性材料。其废弃后经微生物作用可分解为二氧化碳和水，且焚烧时，不会散发出毒气，不会造成大气污染[6]。

目前国内外对熔喷PLA非织造材料进行驻极处理的研究报道非常少。本文采用熔喷工艺开发一种PLA高性能过滤材料，并利用电晕放电技术对材料进行驻极处理。通过改变驻极处理工艺参数，来分析讨论处理后材料的表面电位、透气性及过滤性能的变化。开发的生物可降解PLA高效驻极过滤材料，对于开发节能环保的高效过滤材料具有重大的意义。

1 实验部分

1.1 材料与设备

6252D聚乳酸母粒，美国Natureworks公司生产，密度为1.24 g/cm3，熔体流动速率为70～80 g/10 min。

ROC-MB300型熔喷机，南通丽洋新材料开发有限公司和南通大学联合开发；DZ4型静电电位计，日本西西帝株式会社；YG(B)461E型数字式织物透气性能测试仪，温州大荣纺织仪器厂；LZC-H型过滤效率测试仪，苏州华达仪器设备有限公司；KYKY2800型扫描电子显微镜，中科院科学仪器发展有限公司。

1.2 实验方法

熔喷材料生产流程：聚乳酸母粒→真空干燥→熔融挤压→过滤→计量→喷丝板挤出→冷却成形→卷绕→熔喷材料成品。

驻极处理：采用外置式电晕充电方法对聚乳酸熔喷非织造材料进行驻极处理。处理时，先将安装多针电极的上极板和下极板对准，然后将PLA熔喷非织造材料平铺在下极板上。打开高压静电发生器，电极针尖附近的空气产生局部电晕放电，使试样带上电荷。电晕驻极处理装置如图1所示。

图1 电晕驻极处理装置示意图Fig.1 Schematic diagram of corona discharge for electret apparatus

1.3 测试方法

表面电位：采用DZ4型静电电位计测试试样表面的静电位。探头距试样的垂直距离约为30 mm。

透气性：采用YG(B)461E型数字式织物透气性能测试仪，参照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》，试样的两面设定压差为100 Pa。

过滤效率：采用LZC-H型过滤效率测试仪，通过测定被捕捉的微粒量与原空气含微粒量百分比测试材料的过滤性能。

微观形态：采用KYKY2800型扫描电子显微镜观察聚乳酸熔喷非织造过滤材料内纤维表面形貌。将试样经喷金处理后放入样品室扫描观察。

2 结果与分析

2.1 驻极电压的影响

图2示出驻极电压增大过程中聚乳酸熔喷材料表面电位变化情况。可看出：虽然电晕充电时施加的电压极性理论上与驻极体表面电位的极性应该是相同的，但是当施加的电压在0～10 kV这个区间时，驻极聚乳酸熔喷材料表面出现了与所加高压极性相反的电位。在接近10 kV及以后，则恢复正电位，产生了一种反极性充电现象。在外加电场作用下，聚合物可以得到同极性的电荷注入，也可以得到反极性的电荷注入。在电晕放电过程中，电子或其他带电粒子在电场的作用下通过平板电极与聚合物材料之间的间隙由前者向后者的方向运动，形成与强场注入极性相反的电荷注入，出现反极性充电现象。这个现象在周远翔等[7-8]的研究中也被发现。 在驻极电压大于10 kV时，随着驻极电压的增大，材料表面电位增加。在驻极电压为15 kV时，材料表面电位达到最大值，这时若继续增大电压，表面电位下降，这是由于材料局部被过大的驻极电压击穿，无法继续保留高密度的电荷，导致材料整体表面电位的下降。

注：驻极时间2 s,驻极隔距45 mm。图2 电晕放电电压对PLA熔喷非织造 材料表面电位的影响Fig.2 Influence of corona discharge voltage on surface voltage of PLA melt-blown nonwoven material

图3示出PLA熔喷非织造材料经驻极处理后的透气率变化情况。可看出，PLA熔喷非织造材料的透气率略有提高，但提升幅度并不明显。材料通过驻极处理，其表面与近表面会积聚大量的同种电荷，由于同种电荷之间是相互排斥的，这就导致纤维之间相互排斥移动，使材料形成开放型结构，增大了材料的透气量。但是由于PLA熔喷材料的三维结构并没有因为驻极过程而发生根本性改变，故对材料的透气性影响很小，材料的透气性只是略有改善。

注：驻极时间 2 s，驻极隔距 45 mm。图3 驻极处理后PLA熔喷非织造材料的透气率Fig.3 Air permeability of PLA melt-blown nonwoven material after corona discharge

2.2 驻极隔距的影响

图4示出电晕放电处理隔距对PLA熔喷非织造材料表面电位的影响规律。可看出，随着驻极隔距的增大，PLA熔喷非织造材料表面电位会降低。在35～55 mm这个距离区间内，材料的表面电位变化很小，这可能是由于PLA 材料的可驻极性比较强，在35～55 mm这个区间内，PLA 材料都可以很好地进行驻极。外置式电晕放电驻极产生的电场分布是由上至下逐渐减弱[9]，当上下电极的距离增加时，在空气中流失的电场粒子增多，试样捕获的电场粒子减少[10]。因此，随着电极与被处理材料之间距离的增加，材料表面捕获的电场粒子减少，其表面电位相应地也会减少。

注：驻极电压15 kV，驻极时间2 s。图4 电晕放电处理隔距对PLA熔喷非织 造材料表面电位的影响Fig.4 Influence of corona discharge distance on surface voltage of PLA melt-blown nonwoven material

2.3 电晕放电时间的影响

图5示出驻极过程中电晕放电时间对PLA熔喷非织造材料表面静电位的影响规律。可看出，随着电晕放电时间的增加，PLA材料表面的电位增加，但随着时间进一步增加，材料表面电位反而有所下降。这是由于在刚开始驻极的时候，随着驻极时间的增加，材料表面的电荷密度随着也增加，故测得的材料表面电位上升。但随着驻极时间的进一步增加，材料表面的电荷密度已很高，针尖下方高密度电荷将会向低密度的地方转移，此时该处测得的表面电位会略有下降。因此，驻极时间再增加时，材料的表面静电荷略有减少。

注：驻极电压15 kV，驻极隔距35 mm。图5 电晕放电时间对PLA熔喷非织造材料 表面电位的影响Fig.5 Influence of corona discharge time on surface voltage of PLA melt-blown nonwoven material

2.4 过滤效率分析

图6示出PLA熔喷非织造材料经驻极处理前后过滤性能的变化。可看出，随着颗粒物直径的减小，PLA熔喷非织造材料的过滤效率显著下降。PLA熔喷非织造材料对大粒径粒子的过滤效率较高，未经驻极处理的PLA熔喷非织造材料对10 μm以上颗粒的过滤效率达到100%，而对小粒径颗粒的过滤效率较差，对3 μm粒径颗粒过滤效率为64.9%，对0.3 μm 颗粒过滤效率仅为20.5%。PLA熔喷非织造材料经电晕放电驻极处理后，其过滤性能显著提高，尤其是对于较小粒径颗粒的过滤效率改善更加明显。且随着驻极电压的增加，驻极材料的过滤效率进一步增大。在驻极电压为15 kV时，过滤效率达到最高。这是因为在此时PLA熔喷非织造材料的表面电位达到最大值。当驻极电压为15 kV时，对于粒径为1 μm的微粒，驻极PLA熔喷非织造材料的过滤效率达到100%；对于粒径为0.3 μm的微粒，驻极PLA熔喷非织造材料的过滤效率达到89.8%。 在不影响透气性能的前提下，驻极PLA熔喷非织造材料对空气中直径≤2.5 μm的微细颗粒物(PM2.5)有良好的过滤效果，对环境和人体健康可以起到很好的保护作用。

注：驻极隔距45 mm，驻极时间2 s。图6 电晕放电电压对PLA熔喷非织造材料过滤效率的影响Fig.6 Influence of corona discharge voltage on filtration efficiency of PLA melt-blown nonwoven materials

2.5 微观形态分析

注：驻极时间2 s，驻极隔距45 mm。图7 不同驻极电压下PLA熔喷非织造材料 的结构变化(×2 000)Fig.7 SEM images of PLA nonwovens fabrics under different corona discharge voltages (×2 000). (a) Control; (b) 5 kV; (c) 10 kV; (d) 15 kV

图7示出电晕放电处理前后聚乳酸熔喷非织造材料的表面形态结构。从图7(a)可看出，聚乳酸熔喷非织造材料中纤维直径分布不均匀，纤维呈三维网状结构排列，纤网中空隙较多，电晕放电处理前纤维表面较光滑。从图中可发现，经过驻极处理后，聚乳酸熔喷非织造材料表面粗糙度增加，材料表面出现条痕状的刻蚀槽痕。这是由于电晕放电过程中，电场粒子对聚乳酸纤维表面进行轰击，使纤维表面分子链产生断裂并堆积在纤维表面生成隆起，从而使材料表面形貌粗糙。

3 结 论

1)PLA熔喷非织造材料在驻极过程出现反极性充电现象，材料表面电位最高点出现在驻极电压为15 kV左右。

2)随着驻极时间增加，PLA熔喷非织造材料表面的电位增加，但随着时间的进一步增加，材料表面电位反而有所下降。在驻极时间为4 s时，材料表面电位达到最大值。

3)随着驻极隔距的增大，PLA熔喷非织造材料表面电位降低。

4)驻极后PLA熔喷非织造材料的透气性略有改善，表面粗糙度增加。

5)PLA熔喷非织造材料经电晕放电驻极处理后，其过滤性能显著提高；特别对于PM2.5可以起到很好的过滤效果。

FZXB

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Influence of corona electret treatment on melt-blow PLA nonwovens material

REN Yu1， LI Meng2， YOU Xiangyin3

(1.SchoolofTextileandClothing,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226007,China; 2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201260,China; 3.NantongLiyangNewMaterialDevelopmentCo.,Ltd.,Nantong,Jiangsu226007,China)

Biodegradable polylactic acid (PLA) was chosen as raw material to develop high performance melt-blown filter material and the material was electrified by the external corona discharge. The influence of treatment voltage, time and distance from top electrode to samples on the surface potential, gas-permeability and filtration efficiency of the filter materials were discussed. The change of surface morphology of the material was analyzed by SEM. The SEM images show that the roughness of PLA melt-blown non-woven materials increased after the electret treatment. The results show that the voltage increased, the polarity charging phenomenon appeared. With the increase of electret treatment time and voltage, the surface electrostatic potential increases and then tends to decay with the futher increase of voltage and time. After the electet treatment, the air permeability of PLA melt-blown nonwoven materials increased slightly，while filtration efficiency increased significantly.

PLA; melt-blown nonwoven material; electret; corona discharge; filtration efficiency

10.13475/j.fzxb.20140901405

2014-09-11

2014-11-14

江苏省自然科学基金青年基金项目(BK20140431)；国家自然科学基金青年科学基金项目(51303085)；南通大学自然科学项目(14ZY004)

任煜(1979—)，女，副教授，博士。研究方向为纺织材料的改性处理。E-mail:ren.y@ntu.edu.cn。

TS 174.3

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