电晕驻极熔喷聚丙烯驻极体非织造布的电荷捕获特性

2021-09-27王增元漏琦伟陈钢进

纺织学报 2021年9期

高猛，王增元，漏琦伟，陈钢进

(杭州电子科技大学驻极体及其应用实验室，浙江杭州 310018)

病毒的主要传播途径是气溶胶和飞沫[1]，因此，个体防护用口罩成为了人们的日常必需品。熔喷聚丙烯(MBPP)驻极体非织造布是口罩中使用的主要过滤介质[2-3]。现有研究表明，MBPP驻极体非织造布出色的过滤性能主要源于其捕获在MBPP体内的电荷所建立的静电场。材料的孔隙类似于无数个无源集尘电极，当气流中的带电微粒，尤其是亚微米级粒子通过这些孔隙时，在电场力作用下被阻挡或捕获[4]，因此，确保材料具有稳定、高密度的电荷至关重要。

为赋予材料以驻极体特性，需要采用一定的手段将电荷注入到材料内，这一过程称为驻极[5]。目前，MBPP驻极体非织造布驻极的方法主要有电晕放电法[6]，可分为正电晕放电和负电晕放电。正电晕放电时，在电场力作用下电子和阴离子向曲率半径小的电极移动，正离子向铺有MBPP的电极移动；负电晕放电时则相反。

现有实践表明，不同电晕驻极条件下获得的MBPP驻极体非织造布的过滤效率存在差异，但其机制并不清楚。表面电位大小是用来表征薄膜驻极体性能的一个重要参数，但对非织造布而言，表面电位高低与其过滤效率并没有很好的相关性[7]。另外，驻极体电荷在使用环境下的稳定性也是影响其应用性能的一个重要因素[8]。针对以上问题，本文采用热刺激放电(TSD)和表面电位分布测量技术，研究了MBPP驻极体非织造布的电荷存储和电荷分布特性，分析了MBPP驻极体非织造布的电荷存储机制，对造成产品性能差异的机制也进行了讨论。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

材料：MBPP单层膜，面密度为25 g/m2，阻力不随驻极条件的改变而变化，为(77±1)Pa，中国石化仪征化纤有限公司；酒精，分析纯，市售。

仪器：ZFT全自动过滤效率测试仪，浙江朝晖过滤技术股份有限公司；PG201W半自动化可移动平台，美国Guatek公司；347静电电位计，美国Trek公司；DH-TSC热刺激电流测试仪，杭州泽胜仪器有限公司。

1.2 试样的制备

采用线对面型电晕驻极方法对MBPP样品进行驻极处理。首先，将样品置于接地电极板上，在其上方一定距离处均匀放置连接高压电源的金属丝电极；然后，通过改变驻极条件制备具有不同驻极性能的MBPP样品，驻极参数设置如表1所示。其中驻极电压包括正、负2种。未特别说明的驻极条件为：驻极距离4 cm,驻极电压±30 kV,驻极温度26 ℃,驻极时间30 s。

表1 驻极条件参数表

最后，将驻极处理前后的MBPP样品悬空置于存放酒精或水溶液塑料方盒中密封12 h进行熏蒸处理，探究熏蒸处理条件对MBPP驻极体非织造布性能的影响。

1.3 测试与表征

1.3.1 过滤效率测试

采用ZFT全自动过滤效率测试仪测试不同驻极条件下和熏蒸处理前后样品的过滤效率。仪器采用粒径为0.3～0.5 μm的NaCl气溶胶，测试流速为85 L/min，测试样品面积为100 cm2。过滤效率η按照下式计算：

式中：η为过滤效率，%；Cu为测量仪器中所含的初始气溶胶颗粒物个数；Cd为样品经过后留下的气溶胶颗粒物个数。

1.3.2 表面电位测量

采用半自动化可移动平台和静电电位计测量了±30、±24 kV电晕驻极样品和±30 kV电晕驻极样品熏蒸前后的表面电位分布。表面电位Vs根据补偿法测量，其计算公式为

式中：Vs为表面电位，V；σ为材料上表面电荷密度，C/cm2；d为材料厚度，cm；ε为材料相对介电常数；ε0为真空相对介电常数。

1.3.3 热刺激放电谱图测量

采用热刺激电流测试仪测量了±30、±24 kV电晕驻极样品和±30 kV电晕驻极样品熏蒸前后的短路热刺激放电谱图。仪器升温速率为3 ℃/min。测试样品面积为28 cm2。热刺激放电峰峰温按照下式计算：

式中：Tm为热刺激放电峰峰温，℃；τ0为弛豫时间，min；H为对载流子的束缚能，J；k为玻尔兹曼常数，J/K；β为升温速率，℃/min。

2 结果与讨论

2.1 驻极条件对电荷捕获特性的影响

电晕驻极条件对MBPP样品过滤效率的影响如图1所示。结果显示，正电晕驻极效果明显优于负电晕驻极。由图1(a)可确定，随着驻极距离的增加，MBPP驻极体非织造布的过滤效率逐渐下降，但负电晕驻极时下降幅度比正电晕驻极大。由图1(b)可知：随着驻极电压的增加，非织造布的过滤效率逐渐增加；但负电晕驻极时，过滤效率开始增加很少，到16 kV后过滤效率增速加快，到28 kV左右过滤效率几乎达到恒定。而正电晕驻极时，在驻极电压小于16 kV时，非织造布的过滤效率就增加很快，但其后增加幅度减缓，驻极电压达到28 kV左右时过滤效率达到恒定。由图1(c)和(d)可看出，MBPP驻极体非织造布过滤效率不随驻极温度的升高和驻极时间的延长而变化，但正电晕驻极的过滤效率高于负电晕驻极。

图1 MBPP驻极体非织造布过滤效率与驻极条件的相关性

通常正电晕驻极时，在电场力作用下负电荷向放电电极移动，正电荷向电介质所在电极移动并被捕获。负电晕驻极时则相反，负电荷向电介质表面移动并被捕获。在相同驻极电压下，驻极距离小，则放电电极附近场强大，电离作用强，电晕电流脉冲峰值高，电荷流驻传播速度快，空间电荷迁移快。而驻极距离较大时，放电电极附近低场强区域延长，极间所需的击穿电压升高，电荷流驻不易达到样品表面，因此，驻极电压相同驻极距离不同时，样品过滤效率不同。由图1(a)可知，正电晕驻极时，驻极距离在12～14 cm之间时过滤效率的快速下降说明了这一点。在相同驻极距离下，随着驻极电压的增大，正电晕放电依次经历起始流驻传播、辉光和击穿流驻，负电晕放电依次经历特里切尔脉冲放电和辉光放电阶段[9]，因此，图1(b)所示的不同驻极电压下样品过滤效率的不同是由于电晕放电过程不同所致。刘民等[10]的研究表明，放电距离为3.5 cm的情况下，正电晕放电在电压大于9.8 kV时进入辉光放电阶段，而负电晕放电则要在电压大于25.4 kV时才进入。正电晕击穿电压低于负电晕，正电晕放电效果要高于负电晕，图1(b)所示正电晕与负电晕驻极时过滤效率变化规律不同正与此相关。

2.2 驻极电压对样品表面电位分布的影响

表面电位是评价驻极体静电性能的一个基本手段，反映了对应区域的电荷积累情况，可用来表征样品的电荷存储性能[11]。由图1(b)可知：在30 kV驻极电压下，正负电晕驻极非织造布的过率效率相差不大，而在24 kV驻极电压下，正负电晕驻极非织造布过滤效率相差23%。为探究造成上述结果的原因，选取±30和±24 kV电晕驻极样品进行表面电位分布测量和热刺激放电实验，其表面电位测量结果如图2所示。可知：MBPP驻极体非织造布的表面电位分布并不均匀，正负电位共存；+30 kV电晕驻极样品的表面电位主要呈现正极性，表明注入电荷主要为正电荷，-30 kV电晕驻极样品表面电位主要呈现为负极性，表明其注入电荷主要为负电荷；而±24 kV电晕驻极样品的平均表面电位接近中性，表明样品中同时存在大量正电荷和负电荷。由图中结果还可发现：正负电荷呈块状分布，-30 kV电压下驻极时样品的表面电位正值、负值和平均值都比+30 kV驻极时高，但过滤效率并不比+30 kV驻极时高。±24 kV驻极时，平均表面电位差异不大，但过滤效率却相差23%，因此，仅通过测量局部点的表面电位高低来表征其过滤性能具有随机性，不能全面反映其过滤性能的优劣。

图2 不同驻极电压下获得的MBPP驻极体非织造布的表面电位分布图

2.3 不同驻极电压样品TSD放电谱图

TSD技术是研究被束缚在不同陷阱能级内的空间电荷脱阱行为的有效手段[12]。±30和±24 kV驻极电压下获得的MBPP样品的TSD谱如图3所示。可知：所有样品在132 ℃附近都有一个强峰，这表明MBPP驻极体非织造布捕获的正、负电荷具有相同的陷阱能级；在30～105 ℃区间都有1个电流很小的馒头峰，其极性与强峰相反，这说明仅有少量驻极体电荷释放，且此区间释放的电荷与主峰极性相反。

图3 不同驻极电压下的MBPP驻极体非织造布的热刺激放电谱图

由图3(a)还可发现，±30 kV电晕驻极形成的MBPP驻极体非织造布的TSD电流曲线几乎对称，峰温相同，正、负电晕驻极样品的峰值电流分别为-100和77 pA，相差23 pA，说明MBPP驻极体非织造布的正负电荷捕获陷阱能级相同，但对正、负电荷的捕获能力稍有不同，对正电荷的捕获能力强于负电荷。图3(b)所示±24 kV的TSD电流曲线与图3(a)类似，峰温相同，但正、负电晕驻极样品的峰值电流差别很大，峰值电流分别是-70和15 pA，相差55 pA。这一现象与上述电晕放电过程分析一样，是由于不同电晕驻极极性和电压下电晕放电效果不同，MBPP驻极体非织造布捕获的电荷量不同所致。正电晕驻极样品的电荷捕获量多于负电晕驻极，高电压驻极样品的电荷捕获量多于低电压驻极。随着驻极电压的升高，正负电荷捕获量的差异逐渐减小。根据TSD原理，热刺激放电峰峰温仅受束缚能的影响。束缚能越大，电荷陷阱能级越高，放电电流峰峰温越高，注入电荷越不容易脱阱，电荷存储越稳定[13]。

根据图3所示实验结果可发现，不同驻极电压下，电晕驻极样品的TSD峰的峰温基本相同，说明其电荷陷阱基本相同，电荷存储稳定性相同;但根据TSD谱面积求得的电荷存储量看，±30 kV和±24 kV电晕驻极4种样品电荷存储量分别是2.11、1.33、1.21和0.311 μC，其过滤效率分别为93%、91%、90%和67%。说明电荷存储量是改变样品过滤效率的关键因素，电荷存储量高的样品过滤效率也高。

2.4 熏蒸处理对电荷存储性能的影响

MBPP驻极体非织造布在高湿度及医用环境下的电荷稳定性是人们关注的焦点[14]。为深入了解应用环境所造成的过滤效率衰减情况及与电荷存储性能的相关性，使用酒精和水对±30 kV电晕驻极样品进行了12 h的熏蒸处理。经酒精熏蒸后，其过滤效率从原来的93%、91%降为33%，过滤效率下降严重；经水熏蒸后过滤效率仍有92%和89%。图4示出酒精和水熏蒸后MBPP驻极体非织造布的表面电位分布图。由图4(a)、(b)测试结果可知：经酒精熏蒸后样品的表面电位大幅降低，平均表面电位低于50 V以下，说明酒精熏蒸时电荷衰减严重。由图4(c)、(d)可知：水熏蒸样品表面电位仍保持较高值，说明水熏蒸仅造成了电荷的少量损失，其原因是水和酒精与聚丙烯的亲和力不同。酒精可通过扩散作用，渗透到聚丙烯体内，使电荷消失[15]。

图4 酒精和水熏蒸后MBPP驻极体非织造布的表面电位分布图

图5示出酒精和水熏蒸前后样品的TSD谱图。可知：酒精熏蒸后样品的TSD谱中没有放电峰，说明酒精熏蒸后样品中的电荷几乎已完全衰减。水熏蒸后样品的TSD谱与未熏蒸样品几乎相同，放电峰峰温也相同，只是放电电流值略低于未熏蒸样品，说明电荷只有少量衰减。这与过滤效率和表面电位分布的测试结果一致，酒精熏蒸将造成驻极体电荷衰减，过滤效率下降；水熏蒸对样品的电荷存储性能和过滤性能影响很小。