聚丙烯及聚酯纖維濾料耐紫外老化特性研究

（愛(ài)美克空氣過(guò)濾器（蘇州）有限公司 江蘇蘇州 215007）

1 引言

過(guò)濾材料如聚酯纖維[1-2]、聚丙烯纖維[3-4]等在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)受到紫外線(xiàn)、溫度、濕氣及臭氧等環(huán)境因素的影響，這種影響一般會(huì)導(dǎo)致材料外觀及力學(xué)性能的變化，從而引起產(chǎn)品性能下降，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品被破壞，這種變化現(xiàn)象稱(chēng)為老化[3]。在過(guò)去的很多研究中，已經(jīng)全面、系統(tǒng)地闡述了紫外線(xiàn)輻射對(duì)過(guò)濾材料的性能影響。

有研究結(jié)果表明[4]，聚合物的光氧化降解是一個(gè)具有鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈終止過(guò)程的自動(dòng)氧化連鎖反應(yīng)（如圖1所示）。聚丙烯結(jié)構(gòu)中的叔碳原子在光、熱和氧的作用下極易生成自由基后，自動(dòng)催化生成過(guò)氧化自由基和大分子過(guò)氧化物，過(guò)氧化物分解又產(chǎn)生自由基，自由基又可以與聚合物反應(yīng)，使自由基不斷傳遞，反應(yīng)延續(xù)。自由基相互結(jié)合生成穩(wěn)定的產(chǎn)物，終止鏈反應(yīng)[5]。威爾士等發(fā)現(xiàn)[4]，經(jīng)歷一段時(shí)間的紫外線(xiàn)輻射，聚合物長(zhǎng)鏈發(fā)生斷裂，并生產(chǎn)很多含氧基團(tuán)，如羥基、羧基和羰基等。這也是輻射后濾料含氧量大幅度增加的原因。

紫外線(xiàn)是一種電磁波，可分為A波、B波、C波和真空紫外線(xiàn)，其中C波段的紫外線(xiàn)，波長(zhǎng)范圍為200～275nm。一般認(rèn)為，殺菌作用最強(qiáng)的波段是254nm左右[5-9]。關(guān)于紫外老化的絕大多數(shù)研究中，試驗(yàn)中使用的紫外線(xiàn)波長(zhǎng)集中在300～410 nm。這主要是大多數(shù)紡織纖維及橡膠制品在大氣環(huán)境下使用，直接暴露于太陽(yáng)光，而到達(dá)地面的太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)為UVB 和UVA型紫外線(xiàn)，波長(zhǎng)大于300nm，因此，使用該波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)[5-7]。目前，極少有文獻(xiàn)考察UVC型紫外線(xiàn)（主要波長(zhǎng)集中于254nm）對(duì)過(guò)濾材料影響。隨著大氣條件的不斷變差及疫情的影響，在很多空調(diào)箱及凈化設(shè)備中紫外燈(UVC型)及過(guò)濾器的使用量驟增[9-10]，過(guò)濾材料的性能穩(wěn)定才能確保過(guò)濾器的過(guò)濾效果。如若使用過(guò)程中，濾料發(fā)生破損，將會(huì)造成極大的損失，因此，人們勢(shì)必關(guān)注該型紫外線(xiàn)輻射對(duì)濾料性能的影響[11-12]，研究UVC型紫外線(xiàn)對(duì)濾料的影響迫在眉睫。

圖1 聚合物的反應(yīng)機(jī)理

在空調(diào)箱中，靠近紫外殺菌消毒段，一般為粗中效過(guò)濾器，而使用最多的過(guò)濾材料是聚丙烯和聚酯纖維材料。因此，基于實(shí)際應(yīng)用的需要，本文以聚丙烯纖維[14-15]和聚酯纖維濾料[2]為研究對(duì)象，采用紫外燈管（UVC型）作為光源，并通過(guò)設(shè)定濾料至光源的距離，從而確定濾料接收的紫外線(xiàn)輻射強(qiáng)度，定量探究紫外線(xiàn)輻射對(duì)聚丙烯纖維及聚酯纖維濾料老化的影響，觀察試樣的形貌變化，測(cè)試試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度，考察濾料的含氧量變化及紫外老化箱內(nèi)臭氧濃度。最后，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)濾料實(shí)際環(huán)境下的使用壽命。已有許多研究報(bào)道材料的壽命預(yù)測(cè)模型，其中最經(jīng)典的是以互易定律[16]為基礎(chǔ)的壽命預(yù)測(cè)模型。根據(jù)互易定律，所有的光化學(xué)反應(yīng)只與所吸收的總能量有關(guān)，而與輻射強(qiáng)度和輻射時(shí)間無(wú)關(guān)。本文以拉伸斷裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推算濾料的使用壽命，從而對(duì)于空調(diào)箱及凈化設(shè)備內(nèi)過(guò)濾器的更換具有很重要的指導(dǎo)價(jià)值。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)以聚丙烯纖維及聚酯纖維濾料為試樣。其中，聚丙烯纖維濾料是由3 層聚丙烯纖維超聲波焊接而成，上下兩層為紡粘纖維，中間層為熔噴纖維。聚酯纖維濾料為單層濾料，詳細(xì)規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 過(guò)濾材料規(guī)格

2.2 試驗(yàn)方法及過(guò)程

紫外線(xiàn)輻射強(qiáng)度是影響紫外光老化速度的主要因素之一[7-8,15]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法[13]，輻射光源采用紫外燈管（UVC型），主要波長(zhǎng)為254 nm，固定紫外燈管至濾料的垂直距離,從而濾料接收的紫外線(xiàn)輻射強(qiáng)度也是定值。關(guān)于紫外線(xiàn)輻射強(qiáng)度的理論計(jì)算研究[9-10]中，經(jīng)典的角系數(shù)計(jì)算公式和任意一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度計(jì)算公式分別見(jiàn)公式（1）和公式（2）:

式中：Fd1-2-輻射角系數(shù)

x-測(cè)點(diǎn)到燈的垂直距離cm;

l-燈段的長(zhǎng)度cm;

r-燈的半徑cm;

Is-任意一點(diǎn)的紫外強(qiáng)度μw/cm2;

Euv-紫外燈輸出功率μw；

Ftot-綜合輻射角系數(shù)。

在自然大氣環(huán)境下，濾料水平放置在箱體內(nèi)部，紫外線(xiàn)直接輻射在聚丙烯和聚酯纖維濾料上，每隔24h 取一次樣，直至老化斷裂為試驗(yàn)終期[5]。為了減小溫度對(duì)纖維光氧化降解的影響，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)加快空氣流通使實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度處于10 °C～20 °C 范圍內(nèi)。紫外線(xiàn)燈由飛利浦公司生產(chǎn)，管長(zhǎng)119cm，管徑2.8cm，功率75W。

模擬實(shí)際空調(diào)箱內(nèi)的過(guò)濾器所處的紫外線(xiàn)輻射環(huán)境[9-10]，設(shè)定濾料至紫外燈垂直距離為40cm，理論計(jì)算可得紫外輻射強(qiáng)度為50W/m2。準(zhǔn)備15 片濾料原始樣（0～14#），檢查外觀及顏色，并測(cè)試0#樣品拉伸斷裂強(qiáng)度。樣品0#留存，將其余樣品（1～14#）水平放置于老化測(cè)試箱內(nèi)部，打開(kāi)光源，樣品處于紫外輻射下。每隔24h 取一次樣，觀察樣品外觀及顏色，測(cè)試?yán)鞌嗔褟?qiáng)度，并監(jiān)測(cè)箱內(nèi)臭氧含量變化，直至樣品出現(xiàn)粉化或脆化現(xiàn)象，結(jié)束試驗(yàn)。

2.3 性能測(cè)試

試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度測(cè)試使用的是拉力試驗(yàn)機(jī)，由蘇州金戈檢測(cè)設(shè)備有限公司生產(chǎn)，拉伸速度為2 mm/s，每組試樣為2個(gè)，測(cè)試樣品的尺寸為5x8cm。采用尼康公司生產(chǎn)的LV-100型光學(xué)顯微鏡，分別放大50、100 及200倍觀察纖維表面形態(tài)。日立公司生產(chǎn)的SU1510型掃描電子顯微鏡，用以觀察各種試樣的纖維斷裂形態(tài)。EDX能譜儀（美國(guó)康塔公司）半定量表征材料的元素含量。美國(guó)2B型臭氧儀用來(lái)監(jiān)測(cè)紫外老化箱內(nèi)的臭氧濃度變化，對(duì)比環(huán)境中臭氧濃度。2 種濾料的厚度由織物厚度儀YG141N 測(cè)試完成。

3 結(jié)果分析

3.1 拉伸性能

通過(guò)對(duì)濾料的拉伸斷裂強(qiáng)度測(cè)試，從而在性能上表現(xiàn)濾料試樣逐漸斷裂的情況。圖2顯示出，在濾料接收紫外輻射強(qiáng)度分別為50W/m2和100W/m2時(shí)，不同紫外線(xiàn)照射時(shí)間下聚丙烯和聚酯纖維濾料的拉伸斷裂強(qiáng)度變化趨勢(shì)。經(jīng)紫外線(xiàn)輻射后，濾料的拉伸斷裂強(qiáng)度變化明顯。在濾料接收的輻射強(qiáng)度一定時(shí)，隨著紫外線(xiàn)照射時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種濾料的拉伸斷裂強(qiáng)度均逐漸下降。在濾料接收紫外輻射強(qiáng)度為50W/m2，輻射至72h時(shí)，聚丙烯和聚酯濾料拉伸斷裂強(qiáng)度急劇下降至原始值的30%左右，之后下降幅度趨緩。在濾料接收紫外輻射強(qiáng)度為100W/m2，輻射至72h時(shí)，聚丙烯和聚酯濾料拉伸斷裂強(qiáng)度已下降至原始值的15%左右。如圖2所示，相同的輻射時(shí)間，濾料接收的輻射強(qiáng)度增大為原始值2倍時(shí)，拉伸斷裂強(qiáng)度值下降約為原始值的一半。從機(jī)理上看，在相同時(shí)間內(nèi)，由于濾料接收的能量成倍增加，在聚合物纖維分子鏈上，開(kāi)始形成更多的自由基數(shù)量，接著，發(fā)生自由基轉(zhuǎn)移和反應(yīng)延續(xù)速度加快，最終導(dǎo)致聚合物分子鏈斷裂數(shù)量成倍增加。

圖2 輻射強(qiáng)度分別為50W/m2、100W/m2時(shí)，不同時(shí)間下濾料拉伸斷裂強(qiáng)度變化趨勢(shì)

圖3 不同紫外線(xiàn)照射時(shí)間下聚丙烯濾料纖維變化趨勢(shì)

圖4 不同紫外線(xiàn)照射時(shí)間下聚酯纖維濾料纖維變化趨勢(shì)

對(duì)于聚丙烯濾料，在濾料接收紫外輻射強(qiáng)度為50W/m2，輻射至第144h時(shí)，拉伸斷裂強(qiáng)度已下降至原始值的7.1%，中間聚丙烯熔噴層纖維開(kāi)始斷裂（圖3d）。第168h時(shí)，聚丙烯紡粘層纖維也開(kāi)始斷裂，大部分中間聚丙烯熔噴層纖維已破裂（圖3b,e）。第192h時(shí)，大部分的聚丙烯紡粘層纖維也已經(jīng)斷裂，且濾料已經(jīng)出現(xiàn)粉末化現(xiàn)象（圖3c）。

與聚丙烯濾料相比，聚酯纖維濾料更加耐紫外線(xiàn)輻射。在濾料接收紫外輻射強(qiáng)度為50W/m2，輻射至第264h時(shí)，聚酯濾料的拉伸斷裂強(qiáng)度已下降至原始值的4.0%，纖維開(kāi)始發(fā)生斷裂（圖4a）。從圖4c 發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的紫外線(xiàn)輻射（336h），絕大部分的聚酯纖維已經(jīng)完全斷裂。從圖3 和圖4 發(fā)現(xiàn)，隨著紫外線(xiàn)輻射時(shí)間延長(zhǎng)，濾料纖維先出現(xiàn)裂紋，之后逐漸累積變多，有斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)。接著，大部分纖維斷裂，最后出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。紫外線(xiàn)輻射使得濾料拉伸斷裂強(qiáng)度不斷下降，從宏觀上看，主要是纖維斷裂程度的加劇，直至完全粉化破碎。從微觀上看，在紫外線(xiàn)、水分與氧氣的共同作用下，聚合物大分子鏈在光氧化下斷裂降解，主要表現(xiàn)為碳?xì)滏I斷裂，最終形成帶有含氧基團(tuán)的短鏈烴以及水和氧氣等小分子。

長(zhǎng)時(shí)間的紫外線(xiàn)輻射使聚丙烯及聚酯纖維濾料，由原始的塑性材料變成脆性材料，從而失去使用價(jià)值。如圖2所示，在濾料接收的紫外輻射強(qiáng)度為50W/m2時(shí)，輻射至第72h時(shí)，兩種濾料的拉伸斷裂強(qiáng)度均已下降至30%左右；在加速試驗(yàn)中，濾料接收的紫外輻射強(qiáng)度增大到100W/m2時(shí)，輻射至36h時(shí)，兩種濾料的拉伸斷裂強(qiáng)度也已經(jīng)下降至30%左右。這驗(yàn)證了以互易定律[16]為基礎(chǔ)的壽命預(yù)測(cè)模型的可行性。

在通風(fēng)空調(diào)箱中，濾料的拉伸斷裂強(qiáng)度下降至30%時(shí)，大風(fēng)量送風(fēng)情況下，濾料極易發(fā)生破損，因此建議使用時(shí)間3 天以?xún)?nèi)。實(shí)際空調(diào)箱中紫外線(xiàn)輻射強(qiáng)度一般為70W/m2左右，由互易定律[16]推算使用聚丙烯及聚酯纖維等材料制成的過(guò)濾器的使用壽命為2.2天。若要滿(mǎn)足一個(gè)月的更換周期，需調(diào)整過(guò)濾器至紫外光源距離為1.5m，濾料接收的紫外輻射強(qiáng)度減小至10 W/m2。

3.2 外觀顏色及形貌變化

原始聚丙烯纖維濾料為黃色，經(jīng)過(guò)紫外輻射逐漸褪色，第72h時(shí)已完全褪變?yōu)榘咨Ｖ螅瑸V料顏色保持不變。原始聚酯纖維濾料未染色，顏色沒(méi)有變化，一直均為白色。紫外線(xiàn)輻射使得濾料的顏色逐漸褪去，主要是由于染料分子鏈的斷裂，顯色基團(tuán)被破壞，從而材料顏色消失。本文著重探究紫外輻射對(duì)濾料的形貌及力學(xué)性能的影響，因此，對(duì)于濾料的褪色機(jī)理不做深入的研究。

聚丙烯纖維濾料由上下兩層聚丙烯纖維紡粘層和中間聚丙烯纖維熔噴層組成。從圖5a和5c可見(jiàn)未老化的濾料纖維表面光滑且未有斷裂現(xiàn)象。在濾料接收的紫外輻射強(qiáng)度為50W/m2時(shí)，紫外輻射至第144h時(shí)，中間熔噴層纖維開(kāi)始斷裂，上下紡粘層纖維未有變化。第168h時(shí)，熔噴層纖維大部分?jǐn)嗔眩徴硨永w維也開(kāi)始斷裂。由圖5b和5d可以明顯觀察到，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間（192h）的紫外老化作用下，大部分的紡粘層和熔噴層纖維均已斷裂。從SEM 圖中，發(fā)現(xiàn)大部分紡粘層纖維直徑為30um 左右，而熔噴層纖維只有10um 左右。正是由于紡粘層和熔噴層的纖維直徑不同，纖維的強(qiáng)度存在差異，從而導(dǎo)致紡粘層纖維耐受紫外線(xiàn)輻射能力強(qiáng)于熔噴層纖維。

通過(guò)圖5e和5f對(duì)比，可以明顯觀察到，在濾料接收的紫外輻射強(qiáng)度相同情況下，紫外輻射至第336h，聚酯纖維大部分?jǐn)嗔眩瑸V料嚴(yán)重破碎。雖然聚酯纖維直徑大部分在20um，小于聚丙烯紡粘層纖維，但所接受的紫外輻射強(qiáng)度相同的情況下，聚酯纖維完全斷裂的時(shí)間比聚丙烯纖維長(zhǎng)很多。這主要是由于兩者材質(zhì)差異，聚酯類(lèi)材料要比聚烯類(lèi)材料的耐紫外線(xiàn)能力更強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，若用戶(hù)的空調(diào)箱中，過(guò)濾器所接收的紫外輻射強(qiáng)度大時(shí)，建議選用聚酯類(lèi)濾料制成的過(guò)濾器，使用周期長(zhǎng)，從而降低更換成本。

圖5 不同材料在不同紫外輻射時(shí)間的高倍SEM 形貌

表2 紫外線(xiàn)輻射后濾料的元素分析結(jié)果

3.3 紫外線(xiàn)輻射后濾料的化學(xué)組成變化

隨著紫外輻射時(shí)間延長(zhǎng)，聚合物分子長(zhǎng)鏈持續(xù)斷裂，并引入大量的含氧基團(tuán)，主要以羰基(C=O)、羥基(COH)、羧基(COOH)等形式存在[4-6]。從表2可以看出，經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)的輻射，兩種濾料都發(fā)生光氧化，氧含量都有所增加。紡粘層纖維的氧含量增加了11.4%，而聚丙烯纖維（熔噴）只增加了3.3%，紡粘層纖維的氧含量增加比例遠(yuǎn)大于熔噴層纖維，這主要是紡粘層纖維位于濾料上層，其所受紫外線(xiàn)輻射量較多。

與聚丙烯濾料相比，聚酯纖維濾料氧含量?jī)H增加了1.5%，該型濾料光氧化速度緩慢，與拉伸斷裂強(qiáng)度下降速度基本一致，這也進(jìn)一步驗(yàn)證聚酯類(lèi)材料比聚烯類(lèi)材料的耐紫外線(xiàn)能力要好。

3.4 紫外線(xiàn)輻射后試驗(yàn)箱內(nèi)臭氧濃度變化

從圖6中發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)箱體內(nèi)臭氧濃度比環(huán)境高5～10 ppb。這驗(yàn)證紫外線(xiàn)輻射有利于產(chǎn)生臭氧，但是試驗(yàn)箱內(nèi)臭氧含量增加較少（如圖6所示）。同時(shí)，由于箱內(nèi)本身的臭氧濃度較低（30ppb左右），因此，臭氧因素對(duì)于濾料的影響微小，可以忽略。由于超過(guò)一定濃度的臭氧也是一種對(duì)環(huán)境污染的物質(zhì)，我國(guó)的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[17]中最高允許濃度為150ppb，因此，此次試驗(yàn)中紫外線(xiàn)輻射導(dǎo)致臭氧濃度上升，但不足以對(duì)人體產(chǎn)生影響。同時(shí)，在一般通風(fēng)空調(diào)箱中，末段都會(huì)安裝化學(xué)過(guò)濾器，臭氧濃度會(huì)進(jìn)一步被降低，從而無(wú)需擔(dān)憂(yōu)室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

圖6 不同紫外線(xiàn)照射時(shí)間下試驗(yàn)箱內(nèi)外臭氧變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

在大氣環(huán)境下，紫外線(xiàn)輻射對(duì)聚丙烯及聚酯纖維的性能影響非常明顯。紫外線(xiàn)輻射效應(yīng)使濾料纖維力學(xué)性能發(fā)生變化，拉伸斷裂強(qiáng)度大幅度下降。長(zhǎng)時(shí)間的紫外線(xiàn)輻射使聚丙烯及聚酯纖維濾料性能下降，從典型的塑性材料變成脆性材料，從而失去使用價(jià)值。與聚丙烯濾料相比，聚酯纖維濾料更加耐紫外線(xiàn)輻射。在空調(diào)箱及潔凈設(shè)備中使用紫外線(xiàn)殺菌消毒，同時(shí)，也需要使用過(guò)濾器時(shí)，本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于過(guò)濾器的及時(shí)更換具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

紫外線(xiàn)輻射對(duì)濾料的顏色影響非常明顯，很短時(shí)間內(nèi)，使得濾料快速褪色。對(duì)于外觀形貌的變化，濾料纖維先出現(xiàn)裂紋，逐漸累積，接著開(kāi)始發(fā)生斷裂，直至絕大部分?jǐn)嗔眩詈蟪霈F(xiàn)粉化現(xiàn)象。

在濾料紫外老化的過(guò)程中，濾料含氧量增加，主要是聚合物分子長(zhǎng)鏈斷裂，并引入大量的含氧基團(tuán)。紫外線(xiàn)輻射也有利于產(chǎn)生臭氧，但由于試驗(yàn)箱內(nèi)本身的臭氧濃度和增加量均較低，滿(mǎn)足環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此，可以忽略臭氧對(duì)于過(guò)濾材料及人體的影響。