駐極處理對熔噴空氣過濾材料過濾性能的影響

(湖南工程學院紡織服裝學院，湘潭，411100)

空氣過濾材料對于防止顆粒污染物進入人體，減少可入肺顆粒物對健康的損害和預防疾病的傳播具有重要的作用［1］。聚丙烯超細纖維熔噴過濾材料已大量應用于空氣凈化及醫療衛生行業，如用作空調濾網、醫用防護口罩和防塵口罩等。

影響熔噴過濾材料過濾性能的因素很多，如纖維線密度，以及纖網結構、厚度和密度等。作為空氣過濾材料，不僅要提高其過濾效率，而且要盡可能地降低其呼吸阻力，而呼吸阻力和過濾效率是一對矛盾體，最有效的解決辦法就是對熔噴過濾材料進行駐極處理。

1 熔噴過濾材料結構特點

1.1 纖維直徑細

聚丙烯熔噴過濾材料的纖維平均直徑為1.5～3 μm，屬于超細纖維范疇。圖1是紡粘/熔噴/紡粘(SMS)材料的掃描電鏡(SEM)照片，其表層為紡粘層，在紡粘層下面為熔噴層，可見紡粘層纖維的纖維直徑遠大于熔噴層纖維。

圖1 SMS材料的SEM照片

1.2 纖維三維交錯雜亂排列，多彎道結構

聚丙烯超細纖維熔噴材料的纖維形成多層縱橫交錯的網狀結構，且呈隨機三維分布，使得纖網內含有大量微小空隙。纖維的隨機和隔層交叉排列，構成了熔噴材料多彎曲通道結構，如圖2所示。該類結構可以大大提高過濾時空氣中顆粒物與纖維產生碰撞而被滯留的概率，適合用作過濾材料。

圖2 熔噴材料的多彎道結構

1.3 孔隙率高，孔徑小

由于纖維直徑細，纖網呈三維網狀立體結構，且分布均勻，形成大量的立體曲徑通道體系，因而孔隙率高，且平均孔徑小［2］。如圖1所示，單位面積中下層熔噴層的孔隙數量明顯大于表層紡粘層，而平均孔徑明顯小于紡粘層。高孔隙率和小孔徑有利于提高熔噴過濾材料在使用過程中對顆粒物的阻擋率。

1.4 結構蓬松

由于熔噴材料是依靠自身纖維熱黏合而成，手感柔軟，結構較蓬松，在相同面密度條件下，厚度較其他非織造材料厚，在過濾時增加了顆粒物通過材料的路徑長度，因而進一步提高了熔噴材料的過濾效率。

2 過濾機理

在熔噴過濾材料的過濾機理中，普遍認可的機理主要有布朗擴散、截留、慣性碰撞、重力沉降和靜電吸附五種過濾機理［1］。前四種原理都是機械阻擋粉塵，因此本文將過濾機理分成機械阻隔和靜電吸附兩部分進行討論。

2.1 機械阻隔

機械阻隔可以分為以下幾種情況:

(1)空氣中粒徑大于5 μm的飛沫可以被過濾材料阻隔在外;

(2)微塵直徑小于3 μm時，由于口罩過濾材料中纖維隨機和隔層交叉排列成型，構成多彎曲通道的纖維過濾層，當微粒經過各種類型的彎曲通道或路徑時，微塵便被機械過濾式的范德華力吸附在纖維表面;

(3)當顆粒粒徑與氣流速度都較大時，氣流接近過濾材料因受阻而繞流，而顆粒由于慣性作用脫離流線直接與纖維碰撞被捕獲;當顆粒粒徑很小且流速很低時，顆粒因布朗運動產生擴散而撞擊到纖維上被捕獲。

2.2 靜電吸附

靜電吸附是指當過濾材料的纖維帶電時，通過荷電纖維(駐極體)的庫侖力實現對灰塵的捕獲。如圖3所示，當粉塵經過過濾材料時，靜電力不僅能有效地吸引帶電粉塵，而且以靜電感應效應捕獲感應極化的中性粒子，隨著靜電勢提高，靜電吸附作用越強［3］。

圖3 過濾材料的靜電吸附機理

3 駐極處理對熔噴過濾材料過濾性能的影響

在理論上，纖維越細，纖維交織越緊密，孔隙越多，孔徑越小，過濾效率自然越高。例如，塑料膜對顆粒物的阻擋率幾乎可以達到100%，但是塑料膜不能用于空氣過濾，因為塑料膜在阻擋顆粒物的同時，空氣也無法通過。作為空氣過濾材料，保證過濾性能固然重要，但保證空氣的順利通過也非常重要。設想人們在使用防護口罩時，如果材料太緊密，孔隙太小，呼吸阻力太大，使用者無法順利吸入空氣，口罩也就失去了使用價值。正是因為熔噴過濾材料在阻擋顆粒物的同時，又能讓空氣順利流通，才被普遍用作空氣過濾材料。因此，作為空氣過濾材料需在保證正常呼吸阻力范圍內盡量提高過濾效率。

駐極處理就是解決呼吸阻力和過濾效率這對矛盾體的最好辦法。本文設計了兩組實驗。第一組實驗是對5組相同的未駐極純聚丙烯熔噴材料加以不同電壓進行駐極處理，駐極時間均為22 s，采用單面電暈法駐極，以確定駐極處理對材料過濾性能的影響;第二組實驗是選擇一種已經駐極的優質熔噴過濾材料，在其表面作噴涂納米纖維的對比實驗，以進一步驗證駐極處理對提高材料過濾性能的作用。

過濾性能檢測儀器為TSI8130型自動過濾材料測試儀。基本參數:氣溶膠為NaCl非油性顆粒物，氣溶膠流量32 L/min，平均顆粒直徑0.26 μm，過濾效率測試精度為99.999%。

3.1 駐極處理實驗

駐極處理實驗結果列于表1。由表1可見，未駐極熔噴過濾材料的過濾效率只有30.16%，而駐極后的過濾材料其過濾性能發生了跳躍性的變化，增大到80%左右，并且隨著駐極電壓的增大，過濾效率呈現上升的趨勢。原因是駐極過程使在相同的時間內過濾材料表面積聚的電荷數變多，表面電位變高，過濾材料表面形成更開闊的開放型結構，增強了對粉塵的捕捉效果［4］。隨著駐極電壓的增大，過濾材料表面的電荷密度增加，對顆粒的吸附極化作用增強，所以過濾效率隨著駐極電壓的增大而上升。經駐極處理后的熔噴材料過濾效率明顯提高，然而其呼吸阻力變化很小。這是因為駐極處理只是使熔噴纖維帶上靜電荷，對熔噴材料的纖維結構沒有影響，因而對呼吸阻力幾乎沒有影響。駐極處理實驗說明駐極處理可在不增加呼吸阻力條件下大幅度提高過濾效率，是空氣過濾材料一種重要的處理工藝。

表1 不同駐極電壓對熔噴過濾材料過濾性能的影響

3.2 表面噴涂對比實驗

選擇一種已經駐極的優質熔噴過濾材料，取兩塊尺寸均為20 cm×20 cm的樣品。在其中一塊上均勻噴涂用質量分數為1%的聚乙烯醇/聚乙烯(PVA-co-PE)溶液制得的納米纖維，晾干;分別測試兩塊樣品的過濾性能。

圖4是噴涂納米纖維前后熔噴過濾材料的SEM照片。對比發現，經納米纖維噴涂后的熔噴過濾材料表面布滿了納米纖維，孔徑明顯小于未經噴涂的材料。按常理推斷，經過納米纖維噴涂后的熔噴過濾材料，由于孔隙很小，使得顆粒物幾乎無法通過，過濾效率會更高，但測試結果并非如此。

圖4 納米纖維噴涂處理前后熔噴過濾材料的SEM照片

表2為噴涂前后過濾材料過濾性能的測試結果。經過納米纖維噴涂后的熔噴過濾材料過濾效率反而低于未經噴涂的熔噴過濾材料，且呼吸阻力急劇上升，遠遠超過國家標準對口罩呼吸阻力≤350 Pa的要求。導致該結果的主要原因是:由于PVA-co-PE需溶解在一定的溶劑中，然后再進行納米纖維噴涂，而這些溶劑含有大量水分，經駐極處理的熔噴過濾材料上的靜電荷遇水便會消失，因此經納米纖維噴涂后的熔噴過濾材料需完全依靠布朗擴散、截留、慣性碰撞和重力沉降等機械阻擋作用來過濾空氣中的微粒。雖然噴涂納米纖維的熔噴材料孔徑已經非常小，但還是無法完全阻擋顆粒物，并且由于納米纖維堵塞了大量的孔隙，使得空氣無法順暢流通，呼吸阻力急劇上升，因此該材料無法用作自吸過濾式的空氣過濾材料。

表2 噴涂納米纖維前后材料過濾性能比較

對比實驗結果進一步說明了經過駐極處理的熔噴過濾材料具有高效率、高集塵能力、低流阻和節能環保等特點。

4 結論

(1)駐極處理能夠大幅度提高熔噴過濾材料的過濾效率，而呼吸阻力幾乎保持不變，并隨著駐極電壓的增大，材料過濾效率提高。

(2)噴涂納米纖維的熔噴空氣過濾材料的過濾效率低于經駐極處理的熔噴過濾材料，而呼吸阻力卻急劇上升，遠遠超過國家標準的要求。

(3)駐極處理的熔噴過濾材料具有高效率、高集塵能力、低流阻和節能環保等特點，駐極處理方法可廣泛應用于空氣過濾用熔噴材料的生產。

［1］ 羅伶.防塵口罩阻塵效率和呼吸阻力影響因素的探討［J］.中國個體防護裝備，2004(5):13-16.

［2］ 石波，安樹林.熔噴法聚丙烯非織造布濾材［J］.天津紡織科技，2000，41(1):25-28.

［3］ 周晨，靳向煜.聚丙烯熔噴駐極過濾材料表面靜電勢的研究［J］.過濾與分離，21(1):16-19.

［4］ 周晨，劉超，靳向煜.醫用防護口罩熔噴過濾材料外置式駐極性能研究［J］.非織造布，2011，18(6):38-41.