駐極工藝對PP熔噴非織造過濾材料靜電性能的影響

姚翠娥，王榮武

（東華大學，上海201620）

目前凈化空氣的主要手段是應用空氣過濾器和過濾材料。由于一般的空氣過濾材料不能有效去除細小微粒，而且如果不及時清理過濾器，容易滋生有害微生物，造成二次污染。作為空氣過濾材料使用的熔噴駐極非織造材料比一般過濾材料的過濾效率高，而且對具有致癌作用的亞微米級粒子具有特殊的捕獲作用。

熔噴非織造布作為過濾材料使用時，其具有的高過濾效率在很大程度上受其所帶的電荷影響。當材料暴露于特殊環境中時，其所帶的電荷會出現不同程度的衰減，導致過濾性能下降。因此，過濾材料駐極后的電荷穩定性是決定其能否實際應用的關鍵。本文采用電暈充電對熔噴非織造布進行駐極處理，通過單因子和多因子正交試驗研究了充電電壓、充電距離、充電時間、環境濕度等因素對駐極熔噴非織造布表面靜電勢衰減的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與儀器

實驗材料為東華大學非織造工程中心自制的聚丙烯熔噴非織造布，面密度45g／m2，厚度0.5 mm，纖維平均直徑2.47μm。

采用YG401織物感應式靜電測試儀測試樣品的靜電電量。參考標準《GBT12703.3－2009紡織品靜電性能的評定 第3部分：電荷量》準備測試試樣，每次取樣數3個，探頭與試樣間距15 mm，轉盤轉速1500rpm。

1.2 電暈充電方法

采用電暈充電進行駐極處理，充電裝置如圖1所示。充電時，將樣品平放在接地的平板電極上，針狀電極上接有高壓電源（一般5～10kV）。當施加高壓時，針端下方的空氣產生電暈電離，產生局部擊穿放電，載流子受到電場的作用而沉積到樣品表面，一部分載流子會深入表層被陷阱捕獲，從而使樣品成為駐極體材料。

圖1 電暈充電示意圖

2 熔噴非織造布駐極后的靜電性能分析

熔噴駐極過濾材料主要通過機械阻擋和靜電吸附雙重作用來捕獲粒子。機械阻擋作用與材料的結構以及性質密切相關；當熔噴過濾材料通過電暈充電處理后帶有幾百到幾千伏電壓，由于靜電的排斥作用使纖維擴散成網狀孔洞，纖維的間隙尺寸遠大于粉塵的尺寸，從而形成了一種開放式結構。當粉塵經過熔噴過濾材料時，靜電作用不僅能有效地吸引帶電粉塵粒子，而且以靜電感應效應捕獲感應極化的中性粒子，材料靜電勢越大，靜電吸附作用越強。由公式（1）可知，靜電電勢越高，材料的電荷面密度越大，帶電電荷越多，靜電作用越強。

表面電荷密度

式中：V 是表面電位，ε是聚合物的介電常數；d是聚合物厚度。

3 結果與討論

3.1 單因子試驗

以下分別研究充電電壓、充電距離、充電時間、環境濕度等單因素對熔噴駐極非織造布靜電性能的影響。

最后, 如果將駐定模態和兩對行波模態的中性曲線放在一起, 盡管最不穩定的模態是駐定模態, 但它的臨界點發生在中等波長區域, 并且截斷波數隨著Reynolds數增大趨于3.9. 這樣, 對于在x坐標方向受限的情況下, 如果x坐標方向受限尺度小于方腔高度(k>2π), 這時駐定模態無法出現, 而行波模態基于它的短波特征可能會最先失穩.

3.1.1 充電電壓

在充電距離為8mm，充電時間為10min，環境濕度為35%下，分別用6kV、8kV、10kV對試樣進行電暈駐極處理，研究不同充電電壓對試樣靜電性能的影響。

由圖2可看以出，當其他參數不變時，隨著充電電壓的增加，熔噴駐極體材料表面靜電勢增大。這是因為隨著充電電壓的增大，駐極材料的極化電場增強，在樣品表面俘獲的電荷越多，故表面靜電勢也就越大。同時由圖2可以看出，隨著存放時間的增大，熔噴駐極材料的表面靜電勢有所衰減，在不同充電電壓下材料表面靜電勢衰減的趨勢相同，保留率相差不大，并且在30天左右時趨于穩定。由此可知，熔噴聚丙烯駐極材料具有良好的靜電性能。這說明，要獲得較好的靜電性能，充電電壓越大越好，但不能超過一定極限，如充電電壓超過10kV時，會出現火花放電現象，導致現材料被擊穿，因此要合理選擇充電電壓。

圖2 不同充電電壓下樣品的表面靜電勢變化趨勢圖

3.1.2 充電時間

在充電距離為8mm，充電電壓為10kV，環境濕度為35%時，研究不同充電時間對熔噴聚丙烯駐極過濾材料靜電性能的影響，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著充電時間的增加，熔噴駐極體材料的表面靜電勢增大，其變化規律和充電電壓的影響類似。當充電時間越長時，樣品表面俘獲的電荷越多，從而有更多的電荷被俘獲在較深的阱陷中，所以表面靜電勢越大。但是，當充電到一定時間時，若樣品表面俘獲的電荷達到飽和狀態，俘獲的電荷不會隨充電時間的延長而增加，此時表面靜電勢也趨于穩定。故要獲得較高的表面靜電勢，應該根據實際情況選擇合適的充電時間。

圖3 不同充電時間下樣品的表面靜電勢變化趨勢圖

3.1.3 充電距離

在充電時間為10min，充電電壓為10kV，環境濕度為35%時，考察不同充電距離對熔噴駐極過濾材料靜電性能的影響。

圖4 不同充電距離下樣品的表面靜電勢變化趨勢圖

3.1.4 環境濕度

在常溫常濕條件下，PP熔噴駐極濾料具有很良好的電荷儲存穩定性，但當樣品在儲存在高濕環境時，由于水分子中的極性基團、大氣中的異性離子等對纖維上面電荷的補償效應而造成電荷大量損失。因此環境濕度是影響PP熔噴駐極濾料在常溫下電荷儲存穩定性的重要因素。在充電電壓為10kV，充電時間為10min，充電距離為8 mm時，考察不同環境濕度對熔噴聚丙烯駐極過濾材料靜電性能的影響。

由圖5可看出，試樣的表面靜電勢隨環境濕度的增大而逐漸減小，并且濕度越高，下降趨勢越快。高濕引起材料靜電性能下降的重要原因是熔噴駐極非織造材料是多孔材料結構，存在較大的表面積和開放型孔洞，存放在高濕環境下增加了材料表面與環境中水分子的接觸機會，水中離子影響了材料本身的駐極電極性，其靜電吸附作用隨之減弱，從而表面電位下降，電荷儲存呈現不穩定性，隨時間而變化。由此可知，環境濕度越大，表面靜電勢越低，并且表面靜電勢的保留率也越小。

圖5 不同環境濕度下樣品的表面靜電勢變化趨勢圖

3.2 多因子正交試驗

通過多因子正交設計的方法，可以方便地分析在設定的參數及取值范圍內的最佳工藝條件以及各因素的影響程度。這是單因子試驗做不到的。選取充電時間、充電距離、充電電壓、環境濕度4個因素，每個因素取3個水平，進行正交試驗設計，駐極工藝參數水平表如表1所示。

表1 駐極工藝參數因子水平表

在保證使用有代表性的樣本來最真實地反映總體情況的前提下根據正交試驗方法，對四因子三水平采用L9（34）表來設計試驗，正交試驗設計及材料的靜電性能測試如表2所示。采用極差分析法得出各因素對熔噴非織造布進行駐極處理的最優工藝條件。

表2 L9（34）正交設計實驗表

其中：Ki—該因子第i水平的試驗指標值之和；

ki—該因子第i水平的平均試驗指標值；

R—極差，對某因子R＝kmax－kmin，R值越大，則該因素對所考察指標的影響越大。

通過正交計算可知，因素C充電電壓對應的極差最大，所以其對樣品的駐極效果影響最顯著，其次是環境濕度和充電距離，充電時間對樣品的駐極效果影響最小。同時由表2可得出初始表面靜電勢最高的是7號樣品，這4個駐極工藝參數的最佳組合A3B1C3D2，即在本實驗條件下進行駐極處理時，選取充電電壓10kV，充電時間15 min，充電距離8mm，環境濕度35%，最有利于樣品的駐極處理，達到較好的靜電駐極效果。

4 結論

4.1 PP熔噴非織造過濾材料的表面靜電勢隨充電電壓、充電時間的增加而增大，而隨著充電距離和環境濕度的增大而減小。其中，充電電壓對樣品的駐極效果影響最明顯，其次是環境濕度和充電距離，充電時間對樣品的駐極效果影響最小。

4.2 充電電壓、充電距離及充電時間對駐極穩定性的影響不大，而環境濕度對駐極穩定性的影響較大，且環境濕度越大，駐極穩定性越差，電荷衰減得越多。在本實驗條件下進行駐極處理時，選取充電時間15min，充電距離8mm，充電電壓10 kV，環境濕度35%，最有利于樣品的駐極處理，達到較好的駐極效果。

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