聚丙烯及聚酯纤维滤料耐紫外老化特性研究

（爱美克空气过滤器（苏州）有限公司 江苏苏州 215007）

1 引言

过滤材料如聚酯纤维[1-2]、聚丙烯纤维[3-4]等在使用过程中不可避免地会受到紫外线、温度、湿气及臭氧等环境因素的影响，这种影响一般会导致材料外观及力学性能的变化，从而引起产品性能下降，甚至导致产品被破坏，这种变化现象称为老化[3]。在过去的很多研究中，已经全面、系统地阐述了紫外线辐射对过滤材料的性能影响。

有研究结果表明[4]，聚合物的光氧化降解是一个具有链引发、链增长、链终止过程的自动氧化连锁反应（如图1所示）。聚丙烯结构中的叔碳原子在光、热和氧的作用下极易生成自由基后，自动催化生成过氧化自由基和大分子过氧化物，过氧化物分解又产生自由基，自由基又可以与聚合物反应，使自由基不断传递，反应延续。自由基相互结合生成稳定的产物，终止链反应[5]。威尔士等发现[4]，经历一段时间的紫外线辐射，聚合物长链发生断裂，并生产很多含氧基团，如羟基、羧基和羰基等。这也是辐射后滤料含氧量大幅度增加的原因。

紫外线是一种电磁波，可分为A波、B波、C波和真空紫外线，其中C波段的紫外线，波长范围为200～275nm。一般认为，杀菌作用最强的波段是254nm左右[5-9]。关于紫外老化的绝大多数研究中，试验中使用的紫外线波长集中在300～410 nm。这主要是大多数纺织纤维及橡胶制品在大气环境下使用，直接暴露于太阳光，而到达地面的太阳光中的紫外线为UVB 和UVA型紫外线，波长大于300nm，因此，使用该波长的紫外线进行紫外老化试验[5-7]。目前，极少有文献考察UVC型紫外线（主要波长集中于254nm）对过滤材料影响。随着大气条件的不断变差及疫情的影响，在很多空调箱及净化设备中紫外灯(UVC型)及过滤器的使用量骤增[9-10]，过滤材料的性能稳定才能确保过滤器的过滤效果。如若使用过程中，滤料发生破损，将会造成极大的损失，因此，人们势必关注该型紫外线辐射对滤料性能的影响[11-12]，研究UVC型紫外线对滤料的影响迫在眉睫。

图1 聚合物的反应机理

在空调箱中，靠近紫外杀菌消毒段，一般为粗中效过滤器，而使用最多的过滤材料是聚丙烯和聚酯纤维材料。因此，基于实际应用的需要，本文以聚丙烯纤维[14-15]和聚酯纤维滤料[2]为研究对象，采用紫外灯管（UVC型）作为光源，并通过设定滤料至光源的距离，从而确定滤料接收的紫外线辐射强度，定量探究紫外线辐射对聚丙烯纤维及聚酯纤维滤料老化的影响，观察试样的形貌变化，测试试样的拉伸断裂强度，考察滤料的含氧量变化及紫外老化箱内臭氧浓度。最后，以试验数据预测滤料实际环境下的使用寿命。已有许多研究报道材料的寿命预测模型，其中最经典的是以互易定律[16]为基础的寿命预测模型。根据互易定律，所有的光化学反应只与所吸收的总能量有关，而与辐射强度和辐射时间无关。本文以拉伸断裂强度数据为基础，推算滤料的使用寿命，从而对于空调箱及净化设备内过滤器的更换具有很重要的指导价值。

2 试验

2.1 试验材料

本文试验以聚丙烯纤维及聚酯纤维滤料为试样。其中，聚丙烯纤维滤料是由3 层聚丙烯纤维超声波焊接而成，上下两层为纺粘纤维，中间层为熔喷纤维。聚酯纤维滤料为单层滤料，详细规格参数如表1所示。

表1 过滤材料规格

2.2 试验方法及过程

紫外线辐射强度是影响紫外光老化速度的主要因素之一[7-8,15]。根据实验室光源曝露试验方法[13]，辐射光源采用紫外灯管（UVC型），主要波长为254 nm，固定紫外灯管至滤料的垂直距离,从而滤料接收的紫外线辐射强度也是定值。关于紫外线辐射强度的理论计算研究[9-10]中，经典的角系数计算公式和任意一点的辐射强度计算公式分别见公式（1）和公式（2）:

式中：Fd1-2-辐射角系数

x-测点到灯的垂直距离cm;

l-灯段的长度cm;

r-灯的半径cm;

Is-任意一点的紫外强度μw/cm2;

Euv-紫外灯输出功率μw；

Ftot-综合辐射角系数。

在自然大气环境下，滤料水平放置在箱体内部，紫外线直接辐射在聚丙烯和聚酯纤维滤料上，每隔24h 取一次样，直至老化断裂为试验终期[5]。为了减小温度对纤维光氧化降解的影响，本实验通过加快空气流通使实验环境温度处于10 °C～20 °C 范围内。紫外线灯由飞利浦公司生产，管长119cm，管径2.8cm，功率75W。

模拟实际空调箱内的过滤器所处的紫外线辐射环境[9-10]，设定滤料至紫外灯垂直距离为40cm，理论计算可得紫外辐射强度为50W/m2。准备15 片滤料原始样（0～14#），检查外观及颜色，并测试0#样品拉伸断裂强度。样品0#留存，将其余样品（1～14#）水平放置于老化测试箱内部，打开光源，样品处于紫外辐射下。每隔24h 取一次样，观察样品外观及颜色，测试拉伸断裂强度，并监测箱内臭氧含量变化，直至样品出现粉化或脆化现象，结束试验。

2.3 性能测试

试样的拉伸断裂强度测试使用的是拉力试验机，由苏州金戈检测设备有限公司生产，拉伸速度为2 mm/s，每组试样为2个，测试样品的尺寸为5x8cm。采用尼康公司生产的LV-100型光学显微镜，分别放大50、100 及200倍观察纤维表面形态。日立公司生产的SU1510型扫描电子显微镜，用以观察各种试样的纤维断裂形态。EDX能谱仪（美国康塔公司）半定量表征材料的元素含量。美国2B型臭氧仪用来监测紫外老化箱内的臭氧浓度变化，对比环境中臭氧浓度。2 种滤料的厚度由织物厚度仪YG141N 测试完成。

3 结果分析

3.1 拉伸性能

通过对滤料的拉伸断裂强度测试，从而在性能上表现滤料试样逐渐断裂的情况。图2显示出，在滤料接收紫外辐射强度分别为50W/m2和100W/m2时，不同紫外线照射时间下聚丙烯和聚酯纤维滤料的拉伸断裂强度变化趋势。经紫外线辐射后，滤料的拉伸断裂强度变化明显。在滤料接收的辐射强度一定时，随着紫外线照射时间的延长，两种滤料的拉伸断裂强度均逐渐下降。在滤料接收紫外辐射强度为50W/m2，辐射至72h时，聚丙烯和聚酯滤料拉伸断裂强度急剧下降至原始值的30%左右，之后下降幅度趋缓。在滤料接收紫外辐射强度为100W/m2，辐射至72h时，聚丙烯和聚酯滤料拉伸断裂强度已下降至原始值的15%左右。如图2所示，相同的辐射时间，滤料接收的辐射强度增大为原始值2倍时，拉伸断裂强度值下降约为原始值的一半。从机理上看，在相同时间内，由于滤料接收的能量成倍增加，在聚合物纤维分子链上，开始形成更多的自由基数量，接着，发生自由基转移和反应延续速度加快，最终导致聚合物分子链断裂数量成倍增加。

图2 辐射强度分别为50W/m2、100W/m2时，不同时间下滤料拉伸断裂强度变化趋势

图3 不同紫外线照射时间下聚丙烯滤料纤维变化趋势

图4 不同紫外线照射时间下聚酯纤维滤料纤维变化趋势

对于聚丙烯滤料，在滤料接收紫外辐射强度为50W/m2，辐射至第144h时，拉伸断裂强度已下降至原始值的7.1%，中间聚丙烯熔喷层纤维开始断裂（图3d）。第168h时，聚丙烯纺粘层纤维也开始断裂，大部分中间聚丙烯熔喷层纤维已破裂（图3b,e）。第192h时，大部分的聚丙烯纺粘层纤维也已经断裂，且滤料已经出现粉末化现象（图3c）。

与聚丙烯滤料相比，聚酯纤维滤料更加耐紫外线辐射。在滤料接收紫外辐射强度为50W/m2，辐射至第264h时，聚酯滤料的拉伸断裂强度已下降至原始值的4.0%，纤维开始发生断裂（图4a）。从图4c 发现，经过长时间的紫外线辐射（336h），绝大部分的聚酯纤维已经完全断裂。从图3 和图4 发现，随着紫外线辐射时间延长，滤料纤维先出现裂纹，之后逐渐累积变多，有断裂现象出现。接着，大部分纤维断裂，最后出现粉化现象。紫外线辐射使得滤料拉伸断裂强度不断下降，从宏观上看，主要是纤维断裂程度的加剧，直至完全粉化破碎。从微观上看，在紫外线、水分与氧气的共同作用下，聚合物大分子链在光氧化下断裂降解，主要表现为碳氢键断裂，最终形成带有含氧基团的短链烃以及水和氧气等小分子。

长时间的紫外线辐射使聚丙烯及聚酯纤维滤料，由原始的塑性材料变成脆性材料，从而失去使用价值。如图2所示，在滤料接收的紫外辐射强度为50W/m2时，辐射至第72h时，两种滤料的拉伸断裂强度均已下降至30%左右；在加速试验中，滤料接收的紫外辐射强度增大到100W/m2时，辐射至36h时，两种滤料的拉伸断裂强度也已经下降至30%左右。这验证了以互易定律[16]为基础的寿命预测模型的可行性。

在通风空调箱中，滤料的拉伸断裂强度下降至30%时，大风量送风情况下，滤料极易发生破损，因此建议使用时间3 天以内。实际空调箱中紫外线辐射强度一般为70W/m2左右，由互易定律[16]推算使用聚丙烯及聚酯纤维等材料制成的过滤器的使用寿命为2.2天。若要满足一个月的更换周期，需调整过滤器至紫外光源距离为1.5m，滤料接收的紫外辐射强度减小至10 W/m2。

3.2 外观颜色及形貌变化

原始聚丙烯纤维滤料为黄色，经过紫外辐射逐渐褪色，第72h时已完全褪变为白色。之后，滤料颜色保持不变。原始聚酯纤维滤料未染色，颜色没有变化，一直均为白色。紫外线辐射使得滤料的颜色逐渐褪去，主要是由于染料分子链的断裂，显色基团被破坏，从而材料颜色消失。本文着重探究紫外辐射对滤料的形貌及力学性能的影响，因此，对于滤料的褪色机理不做深入的研究。

聚丙烯纤维滤料由上下两层聚丙烯纤维纺粘层和中间聚丙烯纤维熔喷层组成。从图5a和5c可见未老化的滤料纤维表面光滑且未有断裂现象。在滤料接收的紫外辐射强度为50W/m2时，紫外辐射至第144h时，中间熔喷层纤维开始断裂，上下纺粘层纤维未有变化。第168h时，熔喷层纤维大部分断裂，纺粘层纤维也开始断裂。由图5b和5d可以明显观察到，经过长时间（192h）的紫外老化作用下，大部分的纺粘层和熔喷层纤维均已断裂。从SEM 图中，发现大部分纺粘层纤维直径为30um 左右，而熔喷层纤维只有10um 左右。正是由于纺粘层和熔喷层的纤维直径不同，纤维的强度存在差异，从而导致纺粘层纤维耐受紫外线辐射能力强于熔喷层纤维。

通过图5e和5f对比，可以明显观察到，在滤料接收的紫外辐射强度相同情况下，紫外辐射至第336h，聚酯纤维大部分断裂，滤料严重破碎。虽然聚酯纤维直径大部分在20um，小于聚丙烯纺粘层纤维，但所接受的紫外辐射强度相同的情况下，聚酯纤维完全断裂的时间比聚丙烯纤维长很多。这主要是由于两者材质差异，聚酯类材料要比聚烯类材料的耐紫外线能力更强。在实际应用中，若用户的空调箱中，过滤器所接收的紫外辐射强度大时，建议选用聚酯类滤料制成的过滤器，使用周期长，从而降低更换成本。

图5 不同材料在不同紫外辐射时间的高倍SEM 形貌

表2 紫外线辐射后滤料的元素分析结果

3.3 紫外线辐射后滤料的化学组成变化

随着紫外辐射时间延长，聚合物分子长链持续断裂，并引入大量的含氧基团，主要以羰基(C=O)、羟基(COH)、羧基(COOH)等形式存在[4-6]。从表2可以看出，经过紫外线的辐射，两种滤料都发生光氧化，氧含量都有所增加。纺粘层纤维的氧含量增加了11.4%，而聚丙烯纤维（熔喷）只增加了3.3%，纺粘层纤维的氧含量增加比例远大于熔喷层纤维，这主要是纺粘层纤维位于滤料上层，其所受紫外线辐射量较多。

与聚丙烯滤料相比，聚酯纤维滤料氧含量仅增加了1.5%，该型滤料光氧化速度缓慢，与拉伸断裂强度下降速度基本一致，这也进一步验证聚酯类材料比聚烯类材料的耐紫外线能力要好。

3.4 紫外线辐射后试验箱内臭氧浓度变化

从图6中发现，试验箱体内臭氧浓度比环境高5～10 ppb。这验证紫外线辐射有利于产生臭氧，但是试验箱内臭氧含量增加较少（如图6所示）。同时，由于箱内本身的臭氧浓度较低（30ppb左右），因此，臭氧因素对于滤料的影响微小，可以忽略。由于超过一定浓度的臭氧也是一种对环境污染的物质，我国的环境空气质量标准[17]中最高允许浓度为150ppb，因此，此次试验中紫外线辐射导致臭氧浓度上升，但不足以对人体产生影响。同时，在一般通风空调箱中，末段都会安装化学过滤器，臭氧浓度会进一步被降低，从而无需担忧室内的空气质量。

图6 不同紫外线照射时间下试验箱内外臭氧变化趋势

4 结论

在大气环境下，紫外线辐射对聚丙烯及聚酯纤维的性能影响非常明显。紫外线辐射效应使滤料纤维力学性能发生变化，拉伸断裂强度大幅度下降。长时间的紫外线辐射使聚丙烯及聚酯纤维滤料性能下降，从典型的塑性材料变成脆性材料，从而失去使用价值。与聚丙烯滤料相比，聚酯纤维滤料更加耐紫外线辐射。在空调箱及洁净设备中使用紫外线杀菌消毒，同时，也需要使用过滤器时，本文试验数据对于过滤器的及时更换具有一定的指导价值。

紫外线辐射对滤料的颜色影响非常明显，很短时间内，使得滤料快速褪色。对于外观形貌的变化，滤料纤维先出现裂纹，逐渐累积，接着开始发生断裂，直至绝大部分断裂，最后出现粉化现象。

在滤料紫外老化的过程中，滤料含氧量增加，主要是聚合物分子长链断裂，并引入大量的含氧基团。紫外线辐射也有利于产生臭氧，但由于试验箱内本身的臭氧浓度和增加量均较低，满足环境空气质量标准，因此，可以忽略臭氧对于过滤材料及人体的影响。