摩擦驻极对聚四氟乙烯纤维非织造布过滤性能的影响

钱 幺， 赵宝宝， 邓 辉， 钱晓明

(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

摩擦驻极对聚四氟乙烯纤维非织造布过滤性能的影响

钱 幺， 赵宝宝， 邓 辉， 钱晓明

(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

为研究聚四氟乙烯(PTFE)纤维在加工过程中的摩擦效应所产生的静电荷对非织造材料过滤效率的影响机制，制备高效低阻的非织造过滤材料。选取PTFE纤维为原料，经过短纤维梳理、针刺复合制备了不同面密度的PTFE纤维针刺非织造布，测试了摩擦驻极后0～40 d内非织造布的表面静电势以及过滤性能，并分析了针刺非织造布的电荷存储稳定性。结果表明：经过梳理、针刺加工的PTFE纤维非织造布具有很高的过滤效率和较低的过滤阻力；面密度越大，非织造布的表面电势越大，过滤效率越高，面密度为220 g/m2的PTFE纤维摩擦驻极过滤材料对0.26 μm颗粒物的过滤效率可达99%以上，并且静电衰减周期较长；水浸泡对静电衰减的影响较小。

聚四氟乙烯纤维； 针刺； 摩擦起电； 驻极； 静电衰减； 过滤

近年来，我国华北地区备受雾霾气候困扰，究其原因是由于空气中含有大量微小颗粒物。驻极体过滤材料是有效防范和治理PM2.5污染的重要途径，其利用机械过滤机制和静电吸附机制的协同作用实现过滤效率的提高。驻极技术可有效地使纤维质材料带静电，热极化、电晕放电、静电纺丝、摩擦起电等方式是目前研究与应用于非织造过滤材料的常见驻极方法[1-3]。电晕放电是由于非均匀电场引起的空气局部击穿而产生放电现象，产生的离子束轰击纤维电介质材料并沉积在纤维材料内[4-6]。摩擦起电是2种不同电性的纤维在梳理或针刺加工时，由于纤维之间相互摩擦并发生电子转移而带上电荷[7-9]。目前，热极化法和电晕放电法应用广泛，技术成熟，主要用于熔喷[4,6]、针刺[10]、热风[5]等非织造布的驻极加工，通常热极化法加工后的非织造布需再次经过电晕放电法(二次驻极)加工才能达到驻极要求。而研究与实际应用表明，这种驻极非织造布电荷衰减迅速，平均过滤效率低，而摩擦起电法驻极过滤材料具有更持久的静电衰减周期[11]。聚四氟乙烯(PTFE)纤维是一种非极性高聚物[12]，介电性能较好，是理想的驻极材料，其中氟原子的极性强，吸附电子能力极大，因而在摩擦过程中极易吸附聚集电荷，驻极纤维可带有上千伏电压，纤维之间形成的电场可明显提高滤料的过滤效率。本文研究以PTFE纤维为原料，通过摩擦作用使纤维带电，提高非织造布材料的过滤效率，旨在制备高效低阻、抗静电衰减的新型驻极过滤材料，不仅可拓展其在过滤领域的应用，而且可弥补现有驻极过滤材料的不足。

1 摩擦起电理论

静电起电从微观上可分为2类：物体在一定过程中得失电子或离子而引起带电，如摩擦、剥离、吸附、喷电、电解等过程；物体受到外界作用时介质内部电荷重新分布而引起的带电，如压电、热电、感应等作用。对摩擦起电现象人类早有记载和研究，但对摩擦起电机制的认识至今尚未得到一致的意见。目前大多数采用伏特-亥姆赫兹假说，认为摩擦起电是接触效应产生的，摩擦增加了接触点和接触次数[13]。一般认为2个物体摩擦接触时由于功函数的不同，带电符号也就不同，极性高分子的介电常数大，功函数高，易带正电；非极性高聚物的介电常数小，易带负电(如PTFE)。常见物质按照摩擦带电序列进行排序，一般认为静电序列上的位置相距越远的2种物质，摩擦后产生的静电越多，电位差越大。摩擦过程实际上是沿着界面不断进行接触和分离的过程，摩擦引起的温度上升、断裂、热分解、压电效应、热电效应等都会改变静电电量[14]。研究表明，在一定的摩擦次数范围内，带电量随摩擦次数的增加而成反比例增加，直至饱和为止；当摩擦次数过量时，将会导致材料表面的磨损变质，改变材料介电性质，从而使带电量降低[13,15]。

2 实验部分

2.1材料及仪器

PTFE纤维(江苏蓝天环保集团有限公司)，纤维规格为0.333～0.555 tex×51 mm；橘瓣型双组分纺粘水刺非织造布(廊坊中纺新元无纺材料有限公司)，面密度为40 g/m2。

EFM-022型静电场测量仪(德国科纳沃茨特公司)；TSI8130型滤料测试台(美国TSI公司)；YG(B)461E型全自动透气量仪(宁波纺织仪器厂)；YG141LA型数字式织物厚度仪(山东莱州市电子仪器有限公司)；CP224C型数字式电子天平(上海奥豪斯仪器有限公司)。

2.2试样制备

纤维材料在加工过程中的静电产生易受纤维材质、空气湿度、摩擦频率以及纤维摩擦截面的面积等因素的影响。文献[9]指出，在加工PTFE纤维针刺非织造材料时，一般通过调整工艺参数控制纤维的摩擦频率和纤维摩擦截面的面积，减少静电的产生。由于PTFE纤维的比重大，表面光滑，成网过程中纤维易滑移，造成纤维网不匀，影响产品强度；而且纤维与金属针布之间摩擦产生大量电荷，在针刺过程中易散失，因此在PTFE纤维网的上下包覆一层薄型双组分纺粘水刺布，通过针刺加固以复合，不仅可提高纤维网的强度，而且防止PTFE纤维上的静电荷直接逸散。

试样制备工艺路线如图1所示。首先，PTFE纤维经过开松、梳理，形成一定厚度的纤维网，经特殊工艺剥取纤维网，平铺在橘瓣型双组分纺粘水刺非织造布(面密度为40 g/m2)上，同时在PTFE纤维网上面覆盖一层双组分纺粘水刺非织造布(面密度为40 g/m2)，3层结构经过针刺固网加以复合，制得试样。

注：PET—涤纶；PA6—聚酰胺6。图1 试样制备工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of sample preparation

利用实验室梳理、针刺设备制备了4种不同面密度的纤维网，分别为120、150、180、220 g/m2，试样编号分别为1#、2#、3#、4#。

2.3性能测试

2.3.1试样基本性能测试

根据GB/T 24218.2—2009《纺织品 非织造布试验方法 第2部分：厚度的测定》，采用织物厚度仪测量试样的厚度。根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用全自动透气量仪对试样的透气率进行测量，测试压差为200 Pa，测试面积为20 cm2。

2.3.2表面电势测试

采用手持式EFM-022型静电场测量仪测量表面电势，探头距试样的垂直距离约为20 mm，可自动将场强根据选定的测试距离转换为静电位。

2.3.3孔径分布测试

滤料的孔径分布由孔径分布仪测定，测试液表面张力为16 mN/m，待测试样直径为20 mm，样品夹具直径为23 mm，测试流量为2 000 L/h，测试中可得到滤料的孔径分布及平均孔径。

2.3.4水浸泡前后的过滤性能测试

根据EN 1822.1—2009《高效空气滤清器EPA，HEPA和ULPA 第1部分：分类，性能试验，标记》，采用滤料测试台对所制备试样的过滤性能进行测试，所用气溶胶为盐颗粒(NaCl)，平均粒径为0.26 μm，测试气体流量为32 L/min，过滤效率测试精度为99.999%。测试中可读取的测试值为透过率和阻力，需要对过滤效率值进行计算。

E=(1-P)×100%

式中：E为过滤效率，%；P为透过率，%。

用去离子水对试样进行浸泡处理，控制浸泡时间分别为2、4、6 h，然后取出烘干，测量试样在32 L/min流量下的过滤效率、过滤阻力，与浸泡前的测试数据进行对比。

3 结果与分析

3.1试样性能测试结果与分析

各试样的面密度、厚度、透气率、过滤性能、平均孔径的测试结果如表1所示。由表可看出，随着面密度的增加，即单位面积内PTFE纤维含量的增加，过滤效率、过滤阻力均不断增大，非织造布的透气率明显降低。其中试样4#的初始过滤效率可高达99.163%。通过测试各试样的孔径分布可发现，其主体孔径分布在10～30 μm之间，平均孔径比一般熔喷驻极滤料要大，因而具有很好的透气性能和较低的过滤阻力。试样1#的平均孔径最大，因此过滤效率、过滤阻力均最低。

表1 试样性能Tab.1 Properties of samples

3.2PTFE纤维非织造布的电荷稳定性能

通过测试对比各试样的过滤效率、过滤阻力，分析PTFE纤维非织造布的电荷稳定性。图2、3分别示出各试样在存放过程中的过滤效率和过滤阻力变化情况，流量为32 L/min。

图2 试样的过滤效率随时间的变化Fig.2 Filtration efficiency of samples vs. time

图3 试样的过滤阻力随时间的变化Fig.3 Filtration resistance of samples vs. time

从图2中可看出，试样4#前10 d的过滤效率基本不变，到第15 d开始缓慢降低，到第40 d时仍然保持在92%以上的较高过滤效率，而其他试样在前10 d的过滤效率较4#明显。对比4种试样的衰减曲线可看出，面密度越低，过滤效率越低，并且过滤效率衰减相对越快，原因是低面密度的试样其厚度相对较低，而驻极后的捕获电荷储存于纤维表面，纤维内部的电荷向外界转移的路径更小，因此电荷更易泄露、耗散，从而导致静电更快衰减[16]。由图3可看出，4种试样过滤阻力基本无变化，原因是纤维表面静电荷的改变对纤维之间结构几乎无影响，因此试样透气性能保持不变。

图4示出4种试样的表面电势随时间的变化。采用静电场测量仪对样品的表面电势进行测试可看出，在开始一段时间内滤料的表面电势大幅下降，但40 d后仍能保持-4 kV以上的较高静电势，因而具有较高的过滤效率。原因是PET-PA6双组分纺粘水刺布的包覆作用，PTFE纤维的电荷难以传导出去，可很大程度上降低静电泄漏的几率，从而减缓静电衰减的过程。

图4 试样表面电势随时间的衰减Fig.4 Surface potential attenuation of samples

3.3水浸泡对驻极性能的影响

湿度是影响驻极体过滤材料静电衰减的主要原因之一，空气中或纤维中的水分含量直接影响电荷的存储稳定性。通过用去离子水对试样进行浸泡处理，然后烘干测试，研究了试样在水中浸泡时间对过滤效率的影响，结果如表2所示。可看出，试样浸泡后的过滤阻力无变化，过滤效率有所降低，但浸泡处理6 h后，过滤效率仅降低9%左右，表明该滤料具

表2 浸泡时间对过滤性能的影响Tab.2 Influence of soaking time on filtration efficiency

有较高的抗静电衰减性能，与文献[17]的结论一致，但一定浓度的有机溶剂对驻极体的电荷衰减有着显著影响。尽管驻极体过滤材料的静电衰减机制是限制其应用发展的障碍，但是至今也尚未得到明确阐述。

4 结 论

1)PTFE纤维由于具有较强的极性，因此极易摩擦驻极，且带电量大，表面电势高，电荷存储稳定性强，不易衰减；试样在去离子水中浸泡6 h，对过滤效率影响较小。

2)面密度为220 g/m2的PTFE纤维摩擦驻极过滤材料对0.26 μm颗粒物的过滤效率可达99%以上，并且静电衰减周期较长，40 d以后仍然具有较高的过滤效率。

3)PET-PA6双组分超细纤维的比电阻大，纤维回潮率较低，具有优良的电绝缘性，PTFE纤维驻极后的电荷难以通过外层纤维传导出去，很大程度上降低了静电泄漏的概率，减缓了静电衰减的过程。

FZXB

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Filtrationperformanceofpolytetrafluoroethylenefiberelectretfabricchargedbytribo-electricity

QIAN Yao, ZHAO Baobao, DENG Hui, QIAN Xiaoming

(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to study the influence mechanism of static charge generated by friction in the process on the filtration efficiency of polytetrafluoroethylene (PTFE) fiber nonwoven materials, and prepare high filtration efficient low resistance nonwoven filter material, PTFE-fiber was selected as the raw material, and the puncture nonwoven fabric with different weights were prepared by staple combing and needling. The surface electrostatic potential and the filtration performance of the nonwovens were measured in the range from 0 to 40 d after tribo-charging, and the charge storage stability of needled nonwovens was analyzed. The results show that the PTFE-fiber nonwoven fabrics treated by carding and needle punching process have high filtration efficiency and low resistance. The higher the weight is, the higher the surface potential and the filtration efficiency of the nonwovens. PTFE-fiber filter material charged by taibo-electric with the weight of 220 g/m2can capture more than 99% particles of 0.26 μm, and the electrostatic decay cycle is longer. Water soaking has little linfluence on the static decay.

polytetrafluoroethylene fiber; needling; tribo-electric charging; electret; static charge decay; filtration

10.13475/j.fzxb.20170501705

TS 176.4

A

2017-05-05

2017-07-29

国家科技支撑项目(2014BAE09B00)；天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目(15JCZDJC38500)；天津市科技计划项目(14TXGCCX00014)

钱幺(1990—)，男，博士生。主要研究方向为非织造过滤材料。钱晓明，通信作者，E-mail：qxm@tjpu.edu.cn。