電暈駐極熔噴聚丙烯駐極體非織造布的電荷捕獲特性

高 猛，王增元，漏琦偉，陳鋼進

(杭州電子科技大學 駐極體及其應用實驗室，浙江 杭州 310018)

病毒的主要傳播途徑是氣溶膠和飛沫[1]，因此，個體防護用口罩成為了人們的日常必需品。熔噴聚丙烯(MBPP)駐極體非織造布是口罩中使用的主要過濾介質[2-3]。現有研究表明，MBPP駐極體非織造布出色的過濾性能主要源于其捕獲在MBPP體內的電荷所建立的靜電場。材料的孔隙類似于無數個無源集塵電極，當氣流中的帶電微粒，尤其是亞微米級粒子通過這些孔隙時，在電場力作用下被阻擋或捕獲[4]，因此，確保材料具有穩定、高密度的電荷至關重要。

為賦予材料以駐極體特性，需要采用一定的手段將電荷注入到材料內，這一過程稱為駐極[5]。目前，MBPP駐極體非織造布駐極的方法主要有電暈放電法[6]，可分為正電暈放電和負電暈放電。正電暈放電時，在電場力作用下電子和陰離子向曲率半徑小的電極移動，正離子向鋪有MBPP的電極移動；負電暈放電時則相反。

現有實踐表明，不同電暈駐極條件下獲得的MBPP駐極體非織造布的過濾效率存在差異，但其機制并不清楚。表面電位大小是用來表征薄膜駐極體性能的一個重要參數，但對非織造布而言，表面電位高低與其過濾效率并沒有很好的相關性[7]。另外，駐極體電荷在使用環境下的穩定性也是影響其應用性能的一個重要因素[8]。針對以上問題，本文采用熱刺激放電(TSD)和表面電位分布測量技術，研究了MBPP駐極體非織造布的電荷存儲和電荷分布特性，分析了MBPP駐極體非織造布的電荷存儲機制，對造成產品性能差異的機制也進行了討論。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

材料：MBPP單層膜，面密度為25 g/m2，阻力不隨駐極條件的改變而變化，為(77±1)Pa，中國石化儀征化纖有限公司；酒精，分析純，市售。

儀器：ZFT全自動過濾效率測試儀，浙江朝暉過濾技術股份有限公司；PG201W半自動化可移動平臺，美國Guatek公司；347靜電電位計，美國Trek公司；DH-TSC熱刺激電流測試儀，杭州澤勝儀器有限公司。

1.2 試樣的制備

采用線對面型電暈駐極方法對MBPP樣品進行駐極處理。首先，將樣品置于接地電極板上，在其上方一定距離處均勻放置連接高壓電源的金屬絲電極；然后，通過改變駐極條件制備具有不同駐極性能的MBPP樣品，駐極參數設置如表1所示。其中駐極電壓包括正、負2種。未特別說明的駐極條件為：駐極距離4 cm,駐極電壓±30 kV,駐極溫度26 ℃,駐極時間30 s。

表1 駐極條件參數表

最后，將駐極處理前后的MBPP樣品懸空置于存放酒精或水溶液塑料方盒中密封12 h進行熏蒸處理，探究熏蒸處理條件對MBPP駐極體非織造布性能的影響。

1.3 測試與表征

1.3.1 過濾效率測試

采用ZFT全自動過濾效率測試儀測試不同駐極條件下和熏蒸處理前后樣品的過濾效率。儀器采用粒徑為0.3～0.5 μm的NaCl氣溶膠，測試流速為85 L/min，測試樣品面積為100 cm2。過濾效率η按照下式計算：

式中：η為過濾效率，%；Cu為測量儀器中所含的初始氣溶膠顆粒物個數；Cd為樣品經過后留下的氣溶膠顆粒物個數。

1.3.2 表面電位測量

采用半自動化可移動平臺和靜電電位計測量了±30、±24 kV電暈駐極樣品和±30 kV電暈駐極樣品熏蒸前后的表面電位分布。表面電位Vs根據補償法測量，其計算公式為

式中：Vs為表面電位，V；σ為材料上表面電荷密度，C/cm2；d為材料厚度，cm；ε為材料相對介電常數；ε0為真空相對介電常數。

1.3.3 熱刺激放電譜圖測量

采用熱刺激電流測試儀測量了±30、±24 kV電暈駐極樣品和±30 kV電暈駐極樣品熏蒸前后的短路熱刺激放電譜圖。儀器升溫速率為3 ℃/min。測試樣品面積為28 cm2。熱刺激放電峰峰溫按照下式計算：

式中：Tm為熱刺激放電峰峰溫，℃；τ0為弛豫時間，min；H為對載流子的束縛能，J；k為玻爾茲曼常數，J/K；β為升溫速率，℃/min。

2 結果與討論

2.1 駐極條件對電荷捕獲特性的影響

電暈駐極條件對MBPP樣品過濾效率的影響如圖1所示。結果顯示，正電暈駐極效果明顯優于負電暈駐極。由圖1(a)可確定，隨著駐極距離的增加，MBPP駐極體非織造布的過濾效率逐漸下降，但負電暈駐極時下降幅度比正電暈駐極大。由圖1(b)可知：隨著駐極電壓的增加，非織造布的過濾效率逐漸增加；但負電暈駐極時，過濾效率開始增加很少，到16 kV后過濾效率增速加快，到28 kV左右過濾效率幾乎達到恒定。而正電暈駐極時，在駐極電壓小于16 kV時，非織造布的過濾效率就增加很快，但其后增加幅度減緩，駐極電壓達到28 kV左右時過濾效率達到恒定。由圖1(c)和(d)可看出，MBPP駐極體非織造布過濾效率不隨駐極溫度的升高和駐極時間的延長而變化，但正電暈駐極的過濾效率高于負電暈駐極。

圖1 MBPP駐極體非織造布過濾效率與駐極條件的相關性

通常正電暈駐極時，在電場力作用下負電荷向放電電極移動，正電荷向電介質所在電極移動并被捕獲。負電暈駐極時則相反，負電荷向電介質表面移動并被捕獲。在相同駐極電壓下，駐極距離小，則放電電極附近場強大，電離作用強，電暈電流脈沖峰值高，電荷流駐傳播速度快，空間電荷遷移快。而駐極距離較大時，放電電極附近低場強區域延長，極間所需的擊穿電壓升高，電荷流駐不易達到樣品表面，因此，駐極電壓相同駐極距離不同時，樣品過濾效率不同。由圖1(a)可知，正電暈駐極時，駐極距離在12～14 cm之間時過濾效率的快速下降說明了這一點。在相同駐極距離下，隨著駐極電壓的增大，正電暈放電依次經歷起始流駐傳播、輝光和擊穿流駐，負電暈放電依次經歷特里切爾脈沖放電和輝光放電階段[9]，因此，圖1(b)所示的不同駐極電壓下樣品過濾效率的不同是由于電暈放電過程不同所致。劉民等[10]的研究表明，放電距離為3.5 cm的情況下，正電暈放電在電壓大于9.8 kV時進入輝光放電階段，而負電暈放電則要在電壓大于25.4 kV時才進入。正電暈擊穿電壓低于負電暈，正電暈放電效果要高于負電暈，圖1(b)所示正電暈與負電暈駐極時過濾效率變化規律不同正與此相關。

2.2 駐極電壓對樣品表面電位分布的影響

表面電位是評價駐極體靜電性能的一個基本手段，反映了對應區域的電荷積累情況，可用來表征樣品的電荷存儲性能[11]。由圖1(b)可知：在30 kV駐極電壓下，正負電暈駐極非織造布的過率效率相差不大，而在24 kV駐極電壓下，正負電暈駐極非織造布過濾效率相差23%。為探究造成上述結果的原因，選取±30和±24 kV電暈駐極樣品進行表面電位分布測量和熱刺激放電實驗，其表面電位測量結果如圖2所示。可知：MBPP駐極體非織造布的表面電位分布并不均勻，正負電位共存；+30 kV電暈駐極樣品的表面電位主要呈現正極性，表明注入電荷主要為正電荷，-30 kV電暈駐極樣品表面電位主要呈現為負極性，表明其注入電荷主要為負電荷；而±24 kV電暈駐極樣品的平均表面電位接近中性，表明樣品中同時存在大量正電荷和負電荷。由圖中結果還可發現：正負電荷呈塊狀分布，-30 kV電壓下駐極時樣品的表面電位正值、負值和平均值都比+30 kV駐極時高，但過濾效率并不比+30 kV駐極時高。±24 kV駐極時，平均表面電位差異不大，但過濾效率卻相差23%，因此，僅通過測量局部點的表面電位高低來表征其過濾性能具有隨機性，不能全面反映其過濾性能的優劣。

圖2 不同駐極電壓下獲得的MBPP駐極體非織造布的表面電位分布圖

2.3 不同駐極電壓樣品TSD放電譜圖

TSD技術是研究被束縛在不同陷阱能級內的空間電荷脫阱行為的有效手段[12]。±30和±24 kV駐極電壓下獲得的MBPP樣品的TSD譜如圖3所示。可知：所有樣品在132 ℃附近都有一個強峰，這表明MBPP駐極體非織造布捕獲的正、負電荷具有相同的陷阱能級；在30～105 ℃區間都有1個電流很小的饅頭峰，其極性與強峰相反，這說明僅有少量駐極體電荷釋放，且此區間釋放的電荷與主峰極性相反。

圖3 不同駐極電壓下的MBPP駐極體非織造布的熱刺激放電譜圖

由圖3(a)還可發現，±30 kV電暈駐極形成的MBPP駐極體非織造布的TSD電流曲線幾乎對稱，峰溫相同，正、負電暈駐極樣品的峰值電流分別為-100和77 pA，相差23 pA，說明MBPP駐極體非織造布的正負電荷捕獲陷阱能級相同，但對正、負電荷的捕獲能力稍有不同，對正電荷的捕獲能力強于負電荷。圖3(b)所示±24 kV的TSD電流曲線與圖3(a)類似，峰溫相同，但正、負電暈駐極樣品的峰值電流差別很大，峰值電流分別是-70和15 pA，相差55 pA。這一現象與上述電暈放電過程分析一樣，是由于不同電暈駐極極性和電壓下電暈放電效果不同，MBPP駐極體非織造布捕獲的電荷量不同所致。正電暈駐極樣品的電荷捕獲量多于負電暈駐極，高電壓駐極樣品的電荷捕獲量多于低電壓駐極。隨著駐極電壓的升高，正負電荷捕獲量的差異逐漸減小。根據TSD原理，熱刺激放電峰峰溫僅受束縛能的影響。束縛能越大，電荷陷阱能級越高，放電電流峰峰溫越高，注入電荷越不容易脫阱，電荷存儲越穩定[13]。

根據圖3所示實驗結果可發現，不同駐極電壓下，電暈駐極樣品的TSD峰的峰溫基本相同，說明其電荷陷阱基本相同，電荷存儲穩定性相同;但根據TSD譜面積求得的電荷存儲量看，±30 kV和±24 kV電暈駐極4種樣品電荷存儲量分別是2.11、1.33、1.21和0.311 μC，其過濾效率分別為93%、91%、90%和67%。說明電荷存儲量是改變樣品過濾效率的關鍵因素，電荷存儲量高的樣品過濾效率也高。

2.4 熏蒸處理對電荷存儲性能的影響

MBPP駐極體非織造布在高濕度及醫用環境下的電荷穩定性是人們關注的焦點[14]。為深入了解應用環境所造成的過濾效率衰減情況及與電荷存儲性能的相關性，使用酒精和水對±30 kV電暈駐極樣品進行了12 h的熏蒸處理。經酒精熏蒸后，其過濾效率從原來的93%、91%降為33%，過濾效率下降嚴重；經水熏蒸后過濾效率仍有92%和89%。圖4示出酒精和水熏蒸后MBPP駐極體非織造布的表面電位分布圖。由圖4(a)、(b)測試結果可知：經酒精熏蒸后樣品的表面電位大幅降低，平均表面電位低于50 V以下，說明酒精熏蒸時電荷衰減嚴重。由圖4(c)、(d)可知：水熏蒸樣品表面電位仍保持較高值，說明水熏蒸僅造成了電荷的少量損失，其原因是水和酒精與聚丙烯的親和力不同。酒精可通過擴散作用，滲透到聚丙烯體內，使電荷消失[15]。

圖4 酒精和水熏蒸后MBPP駐極體非織造布的表面電位分布圖

圖5示出酒精和水熏蒸前后樣品的TSD譜圖。可知：酒精熏蒸后樣品的TSD譜中沒有放電峰，說明酒精熏蒸后樣品中的電荷幾乎已完全衰減。水熏蒸后樣品的TSD譜與未熏蒸樣品幾乎相同，放電峰峰溫也相同，只是放電電流值略低于未熏蒸樣品，說明電荷只有少量衰減。這與過濾效率和表面電位分布的測試結果一致，酒精熏蒸將造成駐極體電荷衰減，過濾效率下降；水熏蒸對樣品的電荷存儲性能和過濾性能影響很小。

圖5 酒精和水熏蒸MBPP駐極體非織造布的熱刺激放電譜圖

3 結 論

本文通過對改變電暈駐極條件和利用水、酒精熏蒸處理制備得到具有不同電荷捕獲特性的熔噴聚丙烯(MBPP)駐極體非織造布，通過對其結構和性能研究得到以下結論。

1)駐極溫度和時間對MBPP駐極體非織造布過濾效率的影響較小，駐極電壓和距離對其過濾效率的影響顯著，正電暈駐極優于負電暈駐極。MBPP駐極體非織造布的表面電位分布極不均勻，電荷密度呈塊狀分布，僅從表面電位高低不能準確判斷材料過濾性能的好壞。

2)電暈駐極MBPP駐極體非織造布中存在與駐極電源極性相同和相反的2種電荷。正負電暈駐極時得到的電荷陷阱能級相近。與駐極電源極性相同的電荷放電峰為強峰，與駐極電源極性相反的電荷放電峰為饅頭峰。熱刺激放電過程中釋放的電荷量與材料過濾性能呈正相關性。

3)酒精熏蒸時電荷衰減嚴重，材料的過濾性能急劇下降；水熏蒸時電荷衰減很少，材料過濾性能幾乎沒有改變。本文的研究成果可為MBPP駐極體非織造布材料的生產及其在高濕度及醫用環境下的使用提供參考。

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