超低压降静电辅助PET/PVDF织造结构滤材的制备及其空气过滤性能

翟雯 韩世娇 范伟思 芦路路 李源 蒋秋冉

摘要：为攻克空气滤材高滤效低压降难以兼顾的瓶颈，进一步提高滤材的过滤性能，在导电机织滤材的研究基础上增附储电层。以聚对苯二甲酸乙二酯（PET）机织结构织物为基底，利用化学原位反应构筑结合层与导电层，而后采用静电喷涂技术构筑具有微米颗粒结构的聚偏氟乙烯（PVDF）储电层，最终获得具有超疏松结构导储结合特性的静电负载功能滤材。研究静电喷涂参数对滤材表观形貌、厚度、力学性能、电学性能、透气性的影响，并在有源静电负载条件下研究滤材的过滤性能以及积尘分布情况，基于电场模拟分析过滤机理。结果表明：随PVDF喷涂溶液质量分数提升和喷涂时间延长，在保证无细丝产生的条件下，PVDF附着量可在0～19.2 μg/cm2之间调整；3%噴涂质量分数、3 min的喷涂时间为最佳参数；滤材厚度、表面比电阻、顶破强力、透气率不随PVDF附着量变化而有显著变化；滤材压降也无明显变化，可维持在超低值（6.7 Pa），但对PM2.5的滤效随PVDF附着量增加和电压的提高而提升，可达94.29%，品质因子高达0.43 Pa-1；静电辅助下，积尘量减少，可推测静电排斥为除尘机理之一，有利于提升过滤性能，延长滤料使用寿命。

关键词：静电辅助；空气过滤；PM2.5；PVDF；静电喷射；织物基滤料

中图分类号：TS105.5

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2023）02-0112-10

随着现代工业的进步和社会的发展，空气污染愈发严重，由此引起的环境问题和造成的健康危害不容忽视。相较大尺度颗粒物，空气动力学当量直径不大于2.5 μm的细颗粒物（PM2.5）极易随呼吸进入肺部，沉积在肺泡，甚至渗入血液，引发呼吸系统及心血管系统疾病［1］，因此对PM2.5的高效过滤成为控制PM2.5危害的主要手段，也是近年来的研究热点。

传统空气过滤技术以机械过滤为主，包括惯性效应、重力效应、扩散效应和拦截效应。其过滤效率直接受到滤材纤维堆积密度及厚度的影响，通常滤阻较大，无法满足高通量、低耗能的过滤需求。而基于静电作用的过滤技术，因其显著增强的过滤效果而备受关注，常见类型包括驻极体过滤器、静电除尘器（Electrostatic precipitator，ESP），以及在二者基础上发展而来的有源静电辅助空气过滤器。驻极体过滤器主要依靠预充电荷的静电吸附作用去除空气中的细颗粒物。由于存储电荷有限，且会随使用而衰减，其过滤效率的稳定性不佳。驻极体滤材结构多为静电纺纳米纤维或非织造结构，强度有限，且一般结构致密，滤阻较大。ESP体系通过在平行金属极板上负载高压静电，产生极板间强电场，将荷电的细颗粒物吸附到板上，但该技术不仅对亚微米级细颗粒物的单次收集效率较低，而且易发生二次扬尘。有源静电辅助空气过滤器将ESP的有源特性和驻极滤材的纺织材料基底特性相结合，可分为两类，一种是将可极化的电绝缘材料置于通电支架形成的电场中极化，产生极化电场［2-7］；另一种是将高压静电直接连通至导电滤料上，在滤料周围产生静电场，从而实现对细颗粒物的过滤效果［8-10］。有源静电辅助过滤器，因具有积极供电的设计，滤材所负电荷不会因逸散而减损。本团队前期研究已在织物基底上利用化学原位反应制备了导电层，并探究了导电层相关参数对过滤效率的提升效果影响规律。然而，仅具有电荷传导功能的有源静电负载滤材对电荷的存贮能力有限。为进一步提升滤材过滤效果，本文在团队前期研究成果及结论的基础上，在导电层上增附储电层，并集中对储电层的设计进行讨论研究。通过采用导储结合的设计理念，在超疏松机织聚对苯二甲酸乙二酯（涤纶，PET）基材上构建结合层、导电层、储电层的多层结构，开发一种新型导储复合型静电辅助空气滤材，将充电电场和极化电场两个独立部分结合，集导电滤料与电介质滤料的优势于一体。导储复合型滤料的导电层既能起到直接构建静电场的作用，又可以为上层的储电层（电介质层）提供极化静电场，产生静电响应，进一步增强整体电场的作用范围及强度，有利于细颗粒物的静电捕获。在诸多电介质聚合物中，聚偏氟乙烯（PVDF）具有优良的机械强度、化学稳定性和热稳定性［11］，其结构内氟原子的存在，赋予PVDF极强的电偶极矩，因而PVDF及其共聚物是具有最高介电常数和电活性响应的聚合物家族［12］，这也是本文选用PVDF构建储电层的原因。此外，鉴于电场的复合可显著提升过滤效率，本文所开发滤材摒弃传统紧密的非织造结构，采用疏松的机织结构，不仅其超大的孔隙可辅助实现超低滤阻，且机织材料具有比非织造结构更优的机械性能。本文通过场发射扫描电镜（SEM）、厚度测试、顶破实验、表面比电阻测试、透气率测试等表征方法对复合滤材形貌及性能进行分析，并采用静电负载空气过滤测试体系对滤材的PM2.5过滤性能进行测试，最后通过COMSOL Multiphysics软件对复合滤材的负载特征电场进行模拟，为滤材的过滤行为提供理论解释。

1实验

1.1实验材料与仪器

实验材料：PET平纹组织机织基材（平方米质量55 g/m2，嘉兴益泰乐电子有限公司）；盐酸（AR，昆山晶科微电子材料有限公司）；多巴胺盐酸盐（DA·HCl，北京百灵威科技有限公司）；PVDF（FR904，上海三爱富新材料股份有限公司）；超细试验粉尘（ISO 12103-1，A1， 美国PTI公司）；硝酸银、葡萄糖、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮（AC）等药品，均为AR，由上海凌峰化学试剂有限公司提供。

实验仪器：微量注射推泵（LSP01-1A型，保定兰格恒流泵有限公司）；高压静电源（TD2202型，大连泰斯曼有限公司）；场发射扫描电子显微镜（FlexSEM 1000型，日立高新技术公司），透气性测试仪（YG461型，温州方圆仪器有限公司），织物厚度测试仪（YG141型，常州新纺检测仪器设备有限公司），电子织物强力仪（HD026NE型，上海三思实验仪器有限公司），双显示屏数字万用表（34450A型，安捷伦科技有限公司）；粉尘气溶胶发生器（RBG 1000型，德国帕剌斯仪器公司）；粒子计数器（Fidas Frog型，德国帕剌斯仪器公司）；数字微压计（9565P型，美国TSI公司）。

1.2滤材制备

将PET织物用丙酮浸渍洗涤20 min，洗涤烘干后，浸没在30 ℃的多巴胺水溶液（2 g/L， pH 8.5）中处理1 h，干燥后，将已建立结合层的织物置于硝酸银处理液（10 g/L， pH 11）中继续处理0.5 h。随后将葡萄糖溶液（20 g/L）作为还原剂滴加入处理液中，以在织物上进一步构建金属Ag导电层。PVDF分别以1%～6%质量分数置于DMF/AC混合溶液（质量比4∶1）中，在70 °C下以240 r/min的速度搅拌溶解10 h。溶解后溶液采用静电喷射技术喷涂在固定于接收板的织物基底上（推速1.0 mL/h，电压15 kV，接收距离9 cm）。经过烘干后，称量喷涂 PVDF前后的濾材，并计算增重。

1.3性能测试

1.3.1形貌表征

测试样品尺寸为0.5 mm × 0.5 mm，表面喷金10 s后通过SEM以10 kV的加速电压在300倍和450倍放大倍数下观察表面形貌。

1.3.2厚度测试

厚度测试参照标准GBT 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定标准》，选择加压重块为50 cN，连续加压10 s，在每种样品的5个不同位置测试厚度，如有异常值则剔除重新测试，计算平均值。

1.3.3顶破强力测试

参考标准GBT 19976—2005《纺织品顶破强力的测定钢球法》，测试样品为直径6.0 cm的圆形，将试样固定在内径为2.5 cm的夹布圆环内。以100 mm/min的下落速度和5.0 cm的初始间隔测量滤料的顶破强力，每种样品测试5个试样。

1.3.4透气性测试

透气性测试参照标准EN ISO 9237－1995《的纺织品纤维织物透气性测定》，试样面积为20 cm2，试样压差选择25 Pa，每种样品分别选取三块试样，每份试样测试5个不同位置计算透气率平均值及标准差。

1.3.5表面比电阻测试

参照标准GBT22042—2008《服装防静电性能表面电阻率试验方法》，试样尺寸为60 mm×30 mm，将样品进行预调湿后，在标准温、湿度环境中使用数字万用表测试表面电阻。每种样品测试5个试样，在每个试样上选取3个不同位置。表面比电阻根据式（1）计算：

Rs=ρs×LW（1）

式中：ρs是表面电阻率，Ω；L、W分别是试样宽度和长度，mm。

1.4空气过滤性能测试

依据标准EN779—2002《一般通风用空气颗粒

过滤器-过滤性能测定》和GB/T 6165—2008《高效空气过滤器性能试验方法效率和阻力》，设计并搭建空气过滤测试体系，如图1所示。将试验粉尘装载于粉尘气溶胶发生器中，经过气泵分散，随着洁净空气通过变速风机吸入管道，形成细颗粒物浓度稳定的测试气流（1.0 mg/m3）。在测试段，通过高压静电源向复合滤材供给正极静电（0～40 kV）。过滤过程中，在滤材前后各15 cm距离处通过粒子计数器测定PM2.5浓度，并由数字微压计测量滤材前后压降，根据式（2）、式（3）计算得出过滤效率E及品质因子QF，以综合表征滤料的整体过滤性能。

E/%=1-cc0×100（2）

式中：C0、C分别为管道内过滤前后空气中的PM2.5浓度，mg/m3。

QF=-ln（1-E）ΔP（3）

式中：E为过滤效率；ΔP为压降，Pa。

1.5COMSOL模拟及静电场分析

本文使用COMSOL Multiphysics 5.5软件对复合滤材在不同静电负载情况下的电势、电场强度等电学特性进行模拟及计算。研究采用了静电场分析方法，即滤材所形成的电场正比于表面负载的电压。为进一步明晰电场在滤材织造结构内的分布，仿真几何模型选取局部四根交织纱线作为模拟研究对象，主体包括纱线、过滤管道及空气介质（计算区域尺寸简化为直径20 cm、高度60 cm的圆柱体），根据实际情况设置域内电荷守恒及纱线终端负载不同电压、管道接地等边界条件，以便后续进行参数化扫描。构建物理场控制网格，根据计算需要选择细化四面体网格结构进行研究。

2结果与讨论

2.1复合滤材形貌特征分析

由图2所示，本研究所构筑滤材是由直径约60 μm的单丝以平纹结构织造而成的织物作基底。滤材孔洞约65 μm，远高于常规尺度纤维无纺布滤材（3～50 μm）［13-14］及静电纺结构滤材（2～10 μm）［15］，且滤材仅为单层，这种超疏松和超薄设计，为超低压降的过滤效果奠定了结构基础。

静电喷涂PVDF溶液的质量分数一定程度上影响滤材表面形态。如图2（a）—（c）所示，单丝基底表面光滑，喷涂质量分数1%、2%的PVDF溶液后，表面形成薄膜，在交织点处易脱落。PVDF质量分数提至3%后，单丝表面覆膜完整，并出现几百纳米至几微米的均匀分布的颗粒状凸起（见图2（d）），提高至4%后，纤维表面覆膜增厚，且部分颗粒状凸起连块（见图2（e））。继续增加PVDF质量分数至5%～6%，单丝表面覆层均匀度进一步降低，且在单丝间的孔洞出现丝状、片状甚至粒状物质（见图2（f）—（g））。由以上结果可知3%为PVDF静电喷涂最佳质量分数参数。通过调整喷涂时间，同样可调控纤维表面形态。经过1 min喷涂，PVDF以小颗粒形式少量附着于单丝表面（见图3（a））。随喷涂时间延长至2～3 min，PVDF颗粒在单丝表面的排布更密集（见图3（b）－（c）），但颗粒尺寸并未如质量分数提升时一样增大，且未出现细丝状物。当喷涂时间增加到4 min（见图3（d）），PVDF颗粒因覆叠而出现团聚，最终导致PVDF颗粒尺寸及尺寸不匀率增大，且易脱落，同时单丝之间出现少量细丝，因此喷涂时间需设置为4 min以下。调节喷涂时间可控制PVDF在织物上的附着量。由图3（e）显示，PVDF的附着量随处理时间延长显示出线性增加趋势，从6.4 μg/cm2提升至19.2 μg/cm2，增加速率大致为6.4 μg/（cm2·min）。不同PVDF附着量的滤材厚度基本在0.08 mm （见图4），无显著差异，证明PVDF的附着极薄，不会对滤材厚度产生宏观影响。

2.2复合滤材力学性能分析

在使用中，滤材承受来自空气流体的单向压力，其顶破强力影响滤材的可用性及其寿命。如图5所示，复合滤材虽具有超疏松结构，但因其特殊的机织结构，滤材的顶破强力高达420 N，相较常规非织造滤料（50～400 N）［16］提高了数倍。由此结果可推断，本研究所开发的机织结构滤材，可承受更高风速的过滤，也可提供更长的服务期。此外，滤材的顶破强力并未随PVDF的附着量发生改变，证明该静电喷涂工艺过程既不会破坏滤材基础结构，或造成任何化学降解，所附层的PVDF也不会为滤材的力学性能提供额外的增强。

2.3复合滤材电学性能分析

鉴于本研究中高压静电需通过滤材导电层加载至滤材上，且滤材的储电层也需要传导至滤材上的高压电场来极化。因此，滤材的导电性能对其后续过滤性能是十分重要的。但表面喷涂的PVDF材料本体导电性较差，需要对喷涂处理后的滤材进行导电性的评价，以调控喷涂工艺，从而在储电和导电之间达到应用所需的合理设计。未处理的PET织造基底的表面比电阻过高，无法测得。但构建导电层后，滤材的表面比电阻可降至仅15.56 Ω/m2（见图6）。当进一步构建PVDF储电层时，表面比电阻随PVDF附着量的提升而逐步提高，但提高幅度很小。少量的PVDF附着（6.4 μg/cm2）并未引起滤材表面比电阻的显著变化（15.72 Ω/m2）。当PVDF附着量提升至12.8 μg/cm2时和19.2 μg/cm2时，滤材表面比电阻升高至16.06 Ω/m2和16.29 Ω/m2，相较未喷涂滤材，变化率仅为3.21%和4.69%。此结果证明了，即便附加非导电材料PVDF，复合滤材仍维持其优异的导电性，并不会影响高压静电在织物上的负载。

2.4复合滤材的空气过滤性能

2.4.1复合滤材的透气性能

滤材的透气性能直接影响滤材的滤阻及能耗。良好的透气性有利于降低风机的能耗，从而实现节能减排的目的。在25 Pa压力下，未经喷涂处理的滤材，其透气率为1128.45 mm/s（见图7），是普通非织造滤材的1～2倍［14］。静电喷涂6.4～19.2 μg/cm2 PVDF涂层后，复合滤材的透气率最低降至1096.01 mm/s，最大变化率仅2.87%，且经过统计分析，与未喷涂处理样品间并无显著差异。该结果证明喷涂处理并未明显影响处理后滤材的透气性，这主要是因为滤材基底本身的结构极其疏松，基础透气率较高，且PVDF喷涂颗粒层超薄，使得基材良好的透气性能得以保留。

2.4.2复合滤材的过滤性能

与无储电层的导电滤材相比，不同附着量PVDF处理后滤材的过滤性能如图8所示。图8（a）显示了不同样品在加载0～40 kV电压时的过滤效率。在电压未负载时，有无PVDF覆层的滤材显示出较为接近且较低的过滤效率。无PVDF覆层滤材的过滤效率仅为21.47%，而覆层滤材的过滤效率随PVDF附着量的增加，从24.66%微量提升至26.53%。此时的过滤效果僅依靠机械过滤。当10 kV的高压静电加载于滤材上时，无覆层和低附着量滤材的滤效分别提高至42.5%和44%，而中、高附着量滤材的过滤效率可提升至55%和67%，分别提高了2至3倍，由此可证明，即便加载了较低的电压，只要滤材附着足量的PVDF，便可通过极化电场的附加作用，提升过滤效果。随着电压的升高，有无覆层滤材的过滤效率也逐步提升。在40 kV电压加载下，中、高附着量滤材的过滤效率已较为接近，可达88.00%和94.29%，对比无电压过滤效果，提高率可达62.68%和67.76%，而无覆层和低附着量滤材的过滤效率也较为接近，但仅有67.02%和73.91%，提高幅度为45.55%和49.25%。图8（b）显示了不同滤材在10 cm/s风速下的压降，鉴于各滤材在加载不同电压时，其压降并无变化，在此仅显示平均结果。有无PVDF覆层滤材的压降都较为接近，约6.5～6.7 Pa，而常规非织造滤材的压降在20～300 Pa［14， 17］，是本研究中滤材压降的3～50倍。超低的滤阻主要得益于滤材超疏松的机织结构，这一结果与透气率结果一致。品质因子由过滤效率和压降计算得出，正比于滤效而反比于压降，可综合表达滤材的过滤效果。如图9（c）所示，当负载电压为0 kV时，因滤材滤效较低，所有样品的品质因子仅为0.036～0.046 Pa-1。随着负载电压逐步提升至40 kV，无覆层滤材的品质因子提升至0.166 Pa-1，增加了3.59倍，而PVDF覆层的滤材品质因子可达0.207、0.321和0.427 Pa-1，分别提升了3.75、6.26和8.29倍。这一结果充分证明，不堵塞织物孔隙的PVDF覆层，可大幅提升滤材的综合过滤性能。

为了进一步明确过滤性能提升的原因，本研究使用COMSOL Multiphysics软件对PVDF覆层的滤材在管道中的电场强度分布进行了仿真模拟研究。如图9（a）所示，随着施加电压的升高，滤材产生的电场覆盖范围逐步扩大，且越接近滤材平面处的电场强度越高。图9（b）-（c） 显示了电场强度最大值随施加电压和PVDF附着量的变化规律。电场强度最大值与施加电压成正比线性关系，这符合电场与电压成正比的规律。PVDF附着量的提升也会引起电场强度最大值近似线性的提升。这一结果说明，滤材所产生的电场范围及强度可通过施加电压及PVDF附着量进行线性调控，向滤材靠近的细颗粒物所受电场力也会随着距离的缩短和供给电压的提升而增加。

2.4.3复合滤材表面细颗粒物沉积特点分析

图10展示了PVDF覆层滤材过滤前后及电压施加前后表面积尘状态。附着量为19.2 μg/cm2的滤材在滤前表面仅有均匀排布的PVDF凸起。在无高压静电负载条件下，经过5 h的机械过滤，被直接拦截的细颗粒物松散堆积在单丝表面，部分聚集的颗粒物形成较大块状物（见图10（b）），在单丝交织点缝隙易堆积较多颗粒。在负载20 kV电压过滤5 h后，滤材上细颗粒物的量明显减少（见图10（c））。值得关注的是，相较无电压负载时，电压负载滤材的滤效提升了2.55倍。计算可知，经过5 h过滤，电压负载条件下从空气中所清除的细颗粒物总量是无电压条件下的3.55倍，但滤材表面积尘量情况却正相反。由此可推断，本研究所开发有源静电负载过滤体系的过滤机理并不仅是机械过滤或静电吸附。

分析可知，電压负载为0 kV时，滤材的过滤效果仅依靠机械过滤作用，即惯性效应、重力效应、扩散效应和拦截效应。但超疏松的机织滤材结构所能产生的机械过滤作用有限，因此滤效较低，且滤材表面积尘量不多。因孔径超大，即便经过5 h的长时间过滤，滤材表面依然无法形成完整的滤饼层，孔洞结构依然可见。当高压静电负载于滤材上，以滤材为中心，在其周围形成了枣核形态电场（见图9（a））。进入电场范围内的颗粒物将依据荷电极性的不同而受到不同作用。负载相同电荷的颗粒物，会被滤材排斥，而负载异性电荷的颗粒物或产生镜像电荷的颗粒物会被滤材捕获，从而获得更高效的过滤效果。但滤材上所负载为正极高压静电，在电场覆盖范围内甚至周边空间，为缺电子空间，因此颗粒物更倾向表现为正电，从而受到静电排斥力而远离滤材表面。最终，虽然滤效在加载电压时有显著提高，但是滤材上的积尘量并未增加，反而有所降低。这不仅将大幅降低滤材的污染速度，延长滤材的清理周期，同时可减少过滤过程的总体能耗。

对滤材局部四根纱线结构的电场负载进行模拟后得知，鉴于滤材中单丝具有良好的导电性，每根单丝所负载电压在各处强度基本相同，电场强度在最靠近单丝处最强（见图11（a））。在单丝交织点上，两根单丝所产生电场叠加，起到增强效果（见图11（b）），细颗粒物在交织点所受静电力更强，进一步降低了在交织点处的堆积程度（见图10（c））。

3结论

本文采用表面原位化学改性及静电喷涂技术，在构建了结合层、导电层的超疏松机织结构PET基底上进一步构建储电层，形成多层功能层，实现静电负载功能滤材的构筑，分析了PVDF喷涂工艺对滤材本体性能和负载静电下过滤性能的影响，得到结论如下：

a）静电喷涂PVDF溶液质量分数为3%，喷涂时长为3 min时，织物表面可均匀附着颗粒状PVDF涂层，无成丝堵塞现象。

b）PVDF附着量在0～19.2 μg/cm2的范围内，滤材的厚度、顶破强度、表面比电阻、透气性无显著变化。

c）过滤过程中滤材压降不随PVDF附着量而改变，维持在超低值6.7 Pa，但滤效和品质因子随之增加，在附着量为19.2 μg/cm2，负载电压为40 kV时，对PM2.5的过滤效率可达94.29%，品质因子达到0.43 Pa-1。

d）根据积尘减少的现象和电场模拟的结果，可推断，静电排斥可能是过滤作用方式之一，可大幅降低滤材污染速度，减少运行时压降与耗能，延长滤材单次使用时长。

参考文献：

［1］ZHANG A， LIU Y， ZHAO B， et al. Indoor PM2.5 concentrations in China： A concise review of the literature published in the past 40 years［J］. Building and Environ-ment， 2021， 198： 107898.

［2］TIAN E， XIA F， WU J， et al. Electrostatic air filtration by multifunctional dielectric heterocaking filters with ultralow pressure drop［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2020， 12（26）： 29383-29392.

［3］FENG Z， CAO S J. A newly developed electrostatic enhanced pleated air filters towards the improvement of energy and filtration efficiency［J］. Sustainable Cities and Society， 2019， 49： 101569.

［4］TIAN E， MO J. Toward energy saving and high efficiency through an optimized use of a PET coarse filter： The deve-lopment of a new electrostatically assisted air filter［J］. Energy and Buildings， 2019， 186： 276-283.

［5］MO J， TIAN E， PAN J. New electrostatic precipitator with dielectric coatings to efficiently and safely remove sub-micro particles in the building environment［J］. Sustainable Cities and Society， 2020， 55： 102063.

［6］CHEN Z， TIAN E， MO J. Removal of gaseous DiBP and DnBP by ionizer-assisted filtration with an external electros-tatic field［J］. Environmental Pollution， 2020， 267： 115591.

［7］TIAN E， YU Q， GAO Y， et al. Ultralow resistance two-stage electrostatically assisted air filtration by polydopamine coated PET coarse filter ［J］. Small， 2021， 17（33）： 2102051.

［8］CHOI D Y， AN E J， JUNG S-H， et al. Al-coated conductive fiber filters for high-efficiency electrostatic filtration： Effects of electrical and fiber structural properties［J］. Scientific Reports， 2018， 8： 5747.

［9］XIA F， GAO Y， TIAN E， et al. Fast fabricating cross-linked nanofibers into flameproof metal foam by air-drawn electrospinning for electrostatically assisted particle removal

［J］. Separation and Purification Technology， 2021， 274： 119076.

［10］KIM M-W， AN S， SEOK H， et al. Transparent metallized microfibers as recyclable electrostatic air filters with Ionization［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2020， 12（22）： 25266-25275.

［11］SHEN L， ZHANG Y， YU W， et al. Fabrication of hydrophilic and antibacterial poly（vinylidene fluoride） based separation membranes by a novel strategy combining radiation grafting of poly（acrylic acid） （PAA） and electroless nickel plating［J］. Journal of Colloid and Interface Science， 2019， 543： 64-75.

［12］MARTINS P， LOPES A C， LANCEROS-MENDEZ S. Electroactive phases of poly（vinylidene fluoride）： Determination， processing and applications［J］. Progress in Polymer Science， 2014， 39（4）： 683-706.

［13］LIN J H， LOU C W， LEI C H， et al. Processing condi-tions of abrasion and heat resistance for hybrid needle-punched nonwoven bag filters［J］. Composites Part A-Applied Science and Manufacturing， 2006， 37（1）： 31-37.

［14］KARA Y， MOLNAR K. A review of processing strategies to generate melt-blown nano/microfiber mats for high-efficiency filtration applications［J］. Journal of Industrial Textiles， 2021， 5： 101569.

［15］SANYAL A， SINHA-RAY S. Ultrafine PVDF nanofibers for filtration of air-borne particulate matters： A compre-hensive review ［J］. Polymers， 2021， 13（11）： 1864.

［16］趙博.纺黏玻璃纤维非织造布滤材性能的测试与分析［J］.聚酯工业，2019，32（6）：1-6.

ZHAO Bo. Test and analysis of the performance of the filter material of spunbond glass fiber nonwovens［J］. Polyester Industry， 2019， 32（6）： 1-6.

［17］LI Z， SONG J， LONG Y， et al. Large-scale blow spinning of heat-resistant nanofibrous air filters［J］. Nano Research， 2020， 13（3）： 861-867.

Preparation of static-electrical assistant PET/PVDF woven structural filter with ultralow pressure drop and its air filtration properties

ZHAI Wen， HAN Shijiao， FAN Weisi， LU Lulu， LI Yuan， JIANG Qiuran

（College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： With the rapid development of industry， air pollution has gradually become a serious threat to public health. Fine particulate matter， such as PM2.5， is the main component of air pollutants and also the main carrier of other types of air pollutants. The efficient filtration technology of indoor fine particulate matter has received increasing attention. The traditional filtration technology mainly includes mechanical filtration and electrostatic assisted filtration. The improvement of mechanical filtration efficiency based on physical interception effect mainly depends on the increase in the thickness and fiber density of filters， but provokes the elevation of filtration resistance and energy consumption. Thereby， it is difficult to achieve high filtration efficiency while maintaining the low pressure drop. The electrostatic assisted filtration system includes electrostatic precipitator and electret filtration system. The removal of particulate matter depends on the electrostatic interaction between the fine particulate matter and filter material， which can greatly reduce the resistance to air. However， the traditional electrostatic precipitator shows low efficiency in capturing fine particulate matter， and the electret filtration system has limited capability to carry sufficient charges for long-time serving， and the decay in charges often occurs. Therefore， the development of long-term， stable， highly efficient and low-resistant filtration systems has long been an obstacle in the field of air filtration. Our team has developed an electrostatic assisted filtration system in the early stage. Using a high voltage power supply， the filtration system maintains stable charge loading during the whole serving life and establishes a strong electrostatic field which is able to charge fine particles and remove them through electrostatic interaction. This system can overcome the above-mentioned disadvantages of the traditional electrostatic filtration systems. However， the charging efficiency is still limited. The difficulty in further elevation of the filter charging capacity thwarts the improvement of the filtration efficiency.

To combine the electrical conductivity and storage capabilities， the current study first constructed a polydopamine binding layer and a silver conductive layer by in-situ chemical reaction on the super-loose woven polyethylene terephthalate （PET） substrate， and then constructed the micro-nano structure polyvinylidene fluoride （PVDF） electrical storage layer by using electrostatic spraying technology. This study successfully prepared a super-loose electrostatic loaded filter system by controlling the adhesion amount and structure of PVDF on the substrate through different spraying parameters， while retained the super-loose woven structure of the substrate fabric. We systematically characterized the basic properties of the PVDF attached filters， including surface morphology， thickness， mechanical properties， electrical properties and air permeability， and investigated the filtration performance and the particle distribution with different electrostatic voltage supplies. The filtration mechanism was deduced with the simulation of the electric fields.

The results proved that electrostatic spraying concentration and spraying duration could adjust the loading amount of PVDF and their accumulation morphology. The filters coated with 3 % PVDF for 3 min showed uniform high-loading of PVDF without fibrous structure. The PVDF amount exerted limited influence on the thickness， surface specific resistance， breaking strength， air permeability and pressure drop of the filters， but displayed significant effects on the filtration efficiency and quality factor of PM2.5. By raising the PVDF amount from 0 to 19.2 μg/cm2， the filtration efficiency could be enhanced from 42.5 % to 67 % at a low voltage （10 kV）， and from 67.02 % to 94.29 % at a high voltage （40 kV）， while still maintained an ultra-low pressure drop of 6.7 Pa. Hence， the quality factor was able to reach 0.43 Pa-1. The active electrostatic assisted filtration system loaded with PVDF could not only achieve a high filtration efficiency at an ultra-low pressure drop， but also reduce the amount of dust accumulation on the filter surface. The possible reason might be the existence of electrostatic repulsion.

The design of this system was based on the combination of electrical conductivity and storage. PVDF electrical storage layer was constructed on conductive substrates to incorporate the advantages of the conductive and the electrical storage materials. This design could achieve further enhancement in filtration performance by establishing more stable， stronger electrostatic field with larger coverage area.

In this work， we further improved the performance of woven filters with active electrostatic charging by loading PVDF. This work might promote the development of ultra-low resistance woven filters， and provide inspiration for the future development of the core filter design with low-carbon emission. This filter system has the potential to be applied for vehicle air cleaning， air conditioner and central ventilation system. Meanwhile， via the observation of dust accumulation and electric field simulation analysis， the filtration mechanism of the active electrostatic assisted air filtration system was revealed， which provided a theoretical foundation for the further development of filtration systems with high efficiency and low resistance.

Keywords： electrostatic assistant; air filtration; PM2.5; PVDF; electrostatic spraying; fabric filter

收稿日期：20220507

網络出版日期：20220816

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2232022D-13）

作者简介：翟雯（1998—），女，山东烟台人，硕士研究生，主要从事静电辅助空气滤材方面的研究。

通信作者：蒋秋冉，E-mail：jj@dhu.edu.cn