空气过滤材料驻极工艺的研究

胡 树，陈祥超，黎 鹏，郭 辉,2

(1.深圳市新纶科技股份有限公司，广东 深圳 518132；2.深圳市新纶先进材料科学研究院有限公司，广东 深圳 518052)

空气过滤材料驻极工艺的研究

胡 树1，陈祥超1，黎 鹏1，郭 辉1,2

(1.深圳市新纶科技股份有限公司，广东深圳518132；2.深圳市新纶先进材料科学研究院有限公司，广东深圳518052)

文章研究了采用高压极化法制备驻极体高效低阻空气滤材的工艺。通过正交实验，研究了驻极电压、驻极距离、驻极速度、驻极温度等工艺参数以及栅网电极、二次驻极对驻极体滤材的表面静电势和过滤效率的影响。结果表明：驻极电压对驻极体空气过滤材料的表面静电势和过滤效率影响最为显著，其次为驻极速度和充电距离，驻极温度的影响最小。增加栅网电极有助于空气过滤材料获得均匀稳定的表面静电势，而二次驻极有利于驻极体空气滤材获得更高的表面静电势和过滤效率，电荷存储性也更佳。

驻极体；过滤材料；电压；栅网电极

1 引言

随着工业的高速发展和人类生产、生活的影响，当前我国城市空气质量状况堪忧，可吸入肺颗粒物(PM2.5)吸入体内后会引发哮喘、支气管炎等疾病，严重危害人体健康[1]。解决空气质量问题最有效的方法之一就是空气过滤，其核心是空气过滤材料。传统空气过滤材料的滤材由细小的纤维或多孔材料构成，主要通过拦截、惯性、扩散等效应来捕获粉尘粒子。但是空气中的大多数粉尘(如香烟中的尼古丁、工业粉尘中的石英和玻璃纤维、石棉及各类压电陶瓷等、工业粉尘)和各类病毒、细菌都是亚微米级和纳米级粒子，因此传统空气过滤材料为达到较高过滤效果，采用夯实致密或加厚的结构，这样极大地增加了空气阻力，导致产品透气性差，给使用者带来不适[2]。驻极体针刺空气过滤材料，具有比表面积大、密度小、结构疏松、容尘量大、过滤效率高、耐化学腐蚀性好、抗褶皱能力强等特点。它在传统空气过滤材料的碰撞、拦截和扩散等机械捕集机理的基础上，通过驻极处理增加了静电吸附作用，进一步提高了对微小颗粒的过滤效率，却不提高气流阻力，减少了过滤器材的能耗，延长滤材的使用寿命；同时具有一定灭菌抑菌的功能，在医疗卫生、生物制药工业、食品加工及旅馆酒店、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[3-6]。传统薄膜和空气滤材的驻极工艺研究，多为基础理论的研究，在科技成果产业化转化时并无实际借鉴意义。本研究利用高压极化充电法，通过对空气滤材进行在线连续驻极处理，在传统驻极工艺的研究基础上，对栅网电极和二次驻极对驻极体空气过滤材料的过滤性能和电荷储存性的影响进行了研究，对驻极体空气过滤材料的生产和应用具有一定的参考价值。

2 实验部分

2.1材料及设备

材料：深圳市新纶科技股份有限公司自制的针刺无纺空气过滤棉(膜裂纤维制备)，克重为90 g/m2，纤维平均直径25 μm。

设备：高压直流电源，DW-SA503-1ACF1，-50KV～+50KV；高压极化装置，深圳市新纶先进材料科学研究院有限公司自制，主要由两套驻极辊、弧形驻极板和弧形栅网、若干导辊以及放、收卷装置构成，驻极板、栅网通过导线与高压直流电源连接，驻极辊、导辊做包胶处理，并接地，如图1所示。弧形驻极板上均匀分布着高压静电发生针，材质为加硬钢针表面镀硬铬；自动滤料测试仪，Certi Test 8130型；织物透气性测试仪，YG461DA；透湿性试验仪，YG501D；静电场测试仪，Kleinwachter EFM-023。

图1 驻极装置示意图

2.2实验方法

高压极化法：空气过滤材料经放卷装置放卷，经导辊牵引依次通过第一驻极辊和第二驻极辊，再经导辊进入收卷装置，收卷包装备用。驻极板连接高压直流电源，驻极板上均匀分布有高压静电发生针，与接地的驻极辊形成较均匀的高压电场。空气过滤材料通过高压电场过程中，驻极板针端下方的空气产生电晕电离，产生局部击穿放电，载流子受到电场的作用而沉积到样品表面，一部分载流子会深入表层被陷阱捕获，过滤材料随着驻极辊的转动而行进，均匀地接受驻极处理，从而使过滤材料成为驻极体高效低阻空气滤材[7]。驻极原理示意图，如图2所示。通过高压直流电源可以调整输出电压及电性，可通过电源开关控制单次驻极和二次驻极。

图2 驻极原理示意图

2.3分析与测试

过滤效率和气流阻力：采用自动滤料测试仪，分别参照GB/T 2626—2006《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》和GB/T 19083—2010《医用防护口罩技术要求》测试过滤材料的的过滤效率和气流阻力。采用0.3 μm NaCl颗粒进行测试，气体流量为30 L/min。测试环境：样品在洁净室环境中(22.0℃±3℃/RH 50%±5%)预处理48 h。

透气率：使用织物透气性测试仪，按照GB/T 5456—1997《纺织品 织物透气性的测定》测试过滤材料的透气性，测试压力200 Pa。

透湿率：使用透湿性试验仪，按照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法》，测试过滤材料的透湿性。

电荷储存稳定性：使用Kleinwachter EFM-023静电场测试仪，测试过滤材料的电荷储存稳定性，测试距离为20 mm。分别测定放置24 h、7 d、28 d和90 d后，测量空气过滤材料的表面静电势变化情况。

3 实验与结果

3.1驻极工艺参数的研究

根据现有设备和实验条件，经过前期探索性实验，选取A驻极电压、B驻极距离、C驻极温度和D驻极速度四个因素，每个因素取4个水平数设计正交实验。驻极电压为驻极板连接的高压电源的输出电压及极性；驻极距离为驻极针尖到过滤材料表面的平均距离；驻极速度为驻极过程中过滤材料的行进速度；驻极温度为驻极前将过滤材料在红外烘道中进行预处理的温度，处理时间为10 min。驻极工艺参数的因素与水平如表1所示。

表1 驻极工艺参数因素水平表

在保证使用样本能够真实反映总体情况的前提下，添加一个空白列，采用L16(45)表来设计正交实验。将16组实验样品编号，在不同的驻极参数下测得各组样品的表面静电势和过滤效率。正交设计实验表和所得测试结果如表2所示。

表2 L16(45)正交设计实验表

表3 表面静电势的正交实验结果

表4 过滤效率的正交实验结果

其中：Ki-该因子第i水平的实验指标值之和；ki-该因子第i水平的平均实验指标值；R-极差，对某因子R=kmax-kmin。

由表3和表4可以看出，因素A驻极电压对应的表面静电势和过滤效率的极差均为最大值，表明驻极电压对样品的表面静电势和过滤效率影响最为显著，其次为驻极速度和充电距离，驻极温度的影响最小。结合表2可以看出，当驻极工艺参数为A3B2C4D3组合时，测得的过滤材料的表面静电势最低(-1800 V)，此时测得的过滤效率也达到最大值(93.01%)。即在本实验条件下，选取驻极电压-12 kV，驻极速度9 m/min，驻极温度为80℃，充电距离1 cm时，能够获得较理想的表面静电势和过滤效率。从表2～表4还可以看出，驻极体过滤材料的过滤效率与表面静电势之间存在一定的正相关关系。

在一定范围内，过滤材料的表面静电势随着驻极电压的增加而增加。当驻极电压超过某一值后，充电电压与过滤材料之间的空气介质被击穿，导致过滤材料上的静电荷逃逸，表面静电势降低。当驻极距离较小时，也会出现这种情况。因此，在驻极距离为0.5 cm时，过滤材料并没有获得较高的表面静电势。在本实验中，虽然驻极时间较短(低于10 s)，但驻极体过滤材料的表面静电势并没有随着驻极速度的增加而降低，反而出现了一个先增加后下降的趋势。这可能是因为开始驻极的很短的时间内介质材料的静电荷迅速达到饱和，而进一步的驻极可能使部分介质表面电荷被击穿，导致滤料表面静电荷的减少[8]。

3.2栅网电极的研究

在工艺参数为A3B2C4D3组合(对应样品10)的条件下，在原有驻极设备上增加一个栅网电极，通过驻极试验得到样品17，测试其表面静电势与过滤效率，与样品10对比见表5。

由表5可以看出，增加栅网电极后滤材的表面静电势大于无栅网时，且其方差远小于后者。这说明栅网电极的存在，不但提高了驻极滤材的表面静电势，而且有助于滤材获得均匀分布的表面静电势。这可能是由于针尖放电产生的电场强度在空气介质间不是均匀分布的，不同位置的滤材从空气中获得的静电荷也就不是均匀的，而栅网电极使得空气介质的场强分布更加均匀，因此提高了驻极材料的表面静电势和过滤效率[9]。

3.3单次驻极和二次驻极的研究

在工艺序号17的基础上，对比研究了单次驻极与二次驻极对空气过滤材料的表面静电势和过滤效率的影响(栅板电极相应增加)，结果如表6所示。

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表5 栅网对驻极材料表面静电势和过滤效率的影响

表6 驻极次数对过滤材料表面静电势和过滤效率的影响

由表6可以看出，二次驻极后的驻极体空气过滤材料的表面静电势明显高于单次驻极，同时过滤效率也有所提高，说明二次驻极有助于驻极体空气过滤材料获得更高的表面静电势，有助于制备过滤效率更高的驻极体空气过滤材料。

3.4综合性能测试

对工艺序号18制作的驻极体空气过滤材料进行综合性能测试，包括过滤效率、透气性、透湿性和电荷储存稳定性等，结果如表7和表8所示。

表7 驻极体空气过滤材料过滤性能及舒适性测试

表8 驻极体空气过滤材料电荷稳定性测试

由表7和表8可以看出，驻极体空气过滤材料的表面电荷衰减主要发生在储存初始阶段(7 d内)，后来基本保持不变。通过高压驻极处理，驻极体材料表面和内部含有空间电荷和极化电荷两种电荷。存储过程中由于环境的影响(温湿度)，空间电荷会逐渐减少，而极化电荷将一直存储在滤材中，因此滤材的表面静电势会呈现下降的趋势。对于高压极化处理的驻极体，电荷大部分集中在纤维的表面附近，形成空间电荷分布。在电荷衰减的初始阶段，试样上表面处电荷密度很大，随着空气中湿度的增加，电荷大量衰减。而存储后期极化电荷一直存储在滤料内部中基本不变[10]。

本研究制备的驻极体空气过滤材料具有较高的过滤效率和极低的气流阻力，以及优异的透气性和透湿性，并且储电性能也非常好，可将其应用于个人呼吸防护、空气过滤器、真空吸尘器、汽车空气净化、室内空气净化等领域。并且随着对驻极体过滤材料研究和开发的深入，其在空气净化领域的应用会更加广泛。

4 结论

4.1驻极体空气过滤材料的表面静电势与驻极电压、驻极距离、驻极速度、驻极温度有关。正交实验表明，驻极电压对表面静电势的影响尤为显著，驻极速度对表面静电势的影响一般显著，驻极距离对表面静电势的影响次之，驻极温度对表面静电势的影响最小。

4.2驻极体空气过滤材料的过滤效率与表面静电势呈现一定的正相关关系。

4.3添加栅网装置有助于空气过滤材料获得均匀稳定的表面静电势。

4.4二次驻极有助于驻极体空气过滤材料获得更高的表面静电势，有助于制备过滤效率更高的驻极体空气过滤材料。

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Abstract: This article studied the air filter ation material of high efficiency and low resistance prepared by the method of electric field polarization. Through orthogonal experiment, the influences of process parameters on the surface electrostatic potential and filtration efficiency were studied. The results showed that the most significant influence factor was the charging voltage, followed by charging speed and distance, and the temperature was minimum. Besides, it was found that grid electrode could contribute to form uniform and stable surface charge. Twice polarizing treatment was conducive to obtain higher surface electrostatic potential, filtration efficiency and better storage of charge.

Keywords: electret； filter material； voltage； mesh electrode

合理使用资源造福子孙后代

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StudyonElectretTechnologyofAirFiltrationMaterial

HuShu1，ChenXiangchao1，LiPeng1，GuoHui1,2

(1.Shenzhen Selen Science & Technology Co., Ltd., Shenzhen 518132， China; 2.Shenzhen Selen Advanced Material Technology Research Institute Ltd., Shenzhen 518052， China)

TS176+.3

A

1009-3028(2017)05-0001-05

2017-08-11

深圳市战略新兴产业发展专项资金资助(JSGG20153024152817)

胡 树(1984—)，男，湖北黄石人，工程师。