表面靜電和環境濕度對潔凈織物空氣粒子過濾效率的影響

朱 蘭,肖坤坤,吳振一

(1.蘇州市纖維檢驗院,江蘇 蘇州 215128; 2.蘇州市計量測試院,江蘇 蘇州 215128)

進入21世紀以來,我國醫藥、半導體、機械儀表等行業迅猛發展,對產品生產工藝流程中的環境潔凈度要求逐步提高。近年來國內微電子產業的發展突飛猛進,世界排名前50的半導體公司絕大多數在我國設立了生產基地,我國半導體自主研發基地也在不斷建造投產[1]。在制藥行業,我國已有6 000多家制藥廠,有超過10 000個醫院內無菌室、手術室和病房等[1]。對空氣潔凈度有要求、保證內部產品質量的區域稱為潔凈室,亦稱無塵室、無塵車間。目前潔凈室內部環境的空氣凈化技術已趨于成熟,經過多重處理后,相關受控環境內的微塵量可控制在相當低的水平。但研究發現,通過設備工作、人員活動等途徑,微生物和微塵仍可進入潔凈區域污染產品,降低產品質量和產品良率[2]。在有效降低潔凈室通風帶來的塵埃粒子情況下,潔凈服是隔絕人體向潔凈室散發微污染最重要的屏障[3]。

潔凈服又稱為潔凈室服裝或防靜電無塵服裝,包括連體服、分體服、潔凈大褂和潔凈內衣等。潔凈織物一方面隔離人體和環境,阻礙人體散發的顆粒和微生物污染潔凈室環境,另一方面降低靜電放電對產品良率的影響。國內對潔凈服的研究起步較晚,目前對于潔凈服潔凈性能的檢測標準主要有國家標準GB/T 24249—2009《防靜電潔凈織物》和紡織行業標準FZ/T 80014—2012《潔凈室服裝通用技術規范》。標準中詳細規定了潔凈織物潔凈度等級劃分及對應的技術要求,包括發塵率和空氣粒子過濾效率。其中,實驗室在進行日常潔凈服空氣粒子過濾效率檢測中,經常出現同一潔凈織物不同時間空氣粒子過濾效率差距過大的情況,重現性較差,不滿足標準規定的2次效率值偏差不超過15%,需要重新進行測試,直至2次結果差值滿足要求。

潔凈服由纖維過濾材料制成,其過濾空氣粉塵粒子主要通過慣性效應、攔截效應、靜電效應、擴散效應和重力效應單種或多種機制共同作用[4-6]。不同潔凈織物過濾空氣粉塵粒子的影響因素需要考慮實際測試時的樣品和測試參數,包括環境溫度和濕度、潔凈布料表面靜電和上下游壓差、標準粒子粒徑和上游濃度等[7-9]。

經過實驗室前期積累的數據分析發現,按照GB/T 24249—2009《防靜電潔凈織物》附錄D中防靜電潔凈織物空氣粒子過濾效率測試方法進行潔凈織物實際檢測過程中,潔凈織物表面靜電以及環境濕度是影響空氣粒子過濾效率的主要因素。由此,本文通過摩擦法改變織物表面靜電以及將織物提前放入恒溫恒濕間靜置來分別調控表面電壓和測試環境濕度大小,探究表面靜電和環境濕度對潔凈織物空氣粒子過濾效率的具體影響,以期提高潔凈織物潔凈度檢測的準確性和重復性,為客戶進行潔凈服優選提供重要參考。

1 試驗部分

1.1 材 料

聚苯乙烯(PSL)標準微球(單分散粒子,直徑0.5μm,中國計量科學研究院);4塊潔凈織物(織物材質為滌綸,規格見表1,上海創勢紡織科技有限公司)。

表1 潔凈織物規格Tab.1 Clean fabrics specification

1.2 測試環境及儀器

恒溫恒濕間(南京博森科技有限公司);SX-L2515潔凈布料效率試驗臺(蘇州蘇信環境科技有限公司,如圖1所示);KF-21離子風機(蘇州海新機電工業設備有限公司);FMX-004靜電測試儀(日本SIMCO-ION公司);錦綸布(面密度108 g/m2,紗線線密度22.2 tex,蘇州文昌祥紡織品有限公司);特氟龍生料帶(PTFE,蘇州晨訊電子材料有限公司)。

1—上游塵埃粒子計數器; 2—風機變頻器;3—風機;4—孔板流量計;5—上游采樣口;6—樣品夾具;7—下游采樣口;8—氣缸;9—氣溶膠發生器;10—控制顯示器;11—下游塵埃粒子計數器;12—高效空氣過濾器。圖1 潔凈布料效率試驗臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of clean cloth efficiency test bench

1.3 試驗方案

潔凈織物的空氣粒子過濾效率測試前,將4塊潔凈布料于恒溫恒濕間靜置24 h。通過調整恒溫恒濕間的濕度(30%、50%和65%),探究環境濕度對過濾效率的影響。測試前使用離子風機對試樣吹5 min,確保試樣初始表面靜電為0 kV。采用摩擦電壓法使潔凈織物表面帶電,即使用錦綸布和特氟龍生料帶分別摩擦潔凈織物使其表面初始帶正電荷或負電荷,調整摩擦次數可控制潔凈布料初始表面電荷大小。使用靜電測試儀的探頭對準樣品表面,保持一定距離使探頭發射光聚焦,按下測試按鈕,此時顯示器的讀數即為該樣品區域的靜電大小,重復測量樣品多個區域,以最大靜電示數作為該樣品表面電荷量。

將樣品放置夾具之間固定,變頻風機負壓抽氣,使垂直于樣品的氣流通過樣品兩側。上游空氣中混有一定粒徑和濃度的標準微球,在一定的壓差下通過試樣,用塵埃粒子計數器分別統計試樣上下游的粒子濃度,通過上下游的粒子濃度差計算潔凈織物空氣粒子過濾效率。

2 結果與討論

2.1 初始表面靜電對潔凈織物過濾效率的影響

圖2為溫度20 ℃、濕度30%條件下初始表面靜電對4塊潔凈織物樣品過濾效率的影響。潔凈織物的過濾效率與織物表面帶電量有關,靜電效應對潔凈織物過濾性能的影響較大,所有樣品的空氣粒子過濾效率均隨著初始表面電荷增加而增加。測試之前的摩擦作用使潔凈織物表面纖維帶電荷,測試粒子與空氣和織物的摩擦或其他原因也會帶上電荷,此時織物和粒子之間形成一個電位差,當粒子隨氣流趨向織物時,庫侖力會促使微粒和纖維碰撞從而使微粒沉積在纖維上而被捕集[9],初始表面電荷增加,庫侖力變大,更多的空氣粒子被捕集,因而4塊樣品的過濾效率都隨著表面電荷量的增加而提高。

圖2 潔凈織物在不同初始表面電荷下的過濾效率Fig.2 Filtration efficiency of clean fabric under different initial surface charges

潔凈織物在不同初始電荷(表面帶正電或者負電)的過濾效率如圖3所示,對于同一樣品,織物初始表面電荷正負性對過濾效率影響較小。在不同的濕度條件,初始表面電荷為0的情況下樣品的過濾效率最低,并且無論電荷的正負性,隨著電荷量的增加,過濾效率都會逐漸增加。因為靜電效應產生的吸附只與織物和粒子之間的庫侖力大小有關,電荷的正負性不影響靜電吸附效率[10-11]。

圖3 潔凈織物在不同初始電荷(表面帶正電或者負電)的過濾效率Fig.3 Filtration efficiency of clean fabric at different initial charges (positive or negative surface charge).(a) Temperature 20℃, humidity 50%RH;(b) Temperature 20℃, humidity 65%RH

50組空氣粒子過濾性能測試前后織物表面帶電荷量的試驗數據如圖4所示,測試后潔凈織物表面帶電量均低于測試前。這與織物的材質有關,潔凈織物具有低起靜電、高放靜電的特性,電荷存在的時間不會太長,這也正是潔凈服能有效降低人員穿著靜電放電,提高產品優良率的原因。

圖4 潔凈織物表面電荷量測試前后對比Fig.4 Comparison of surface charge of clean fabrics before and after testing

2.2 環境濕度對潔凈織物過濾效率的影響

在環境溫度相同、初始表面電荷為0 kV的條件下,環境濕度(30%和50%)對潔凈織物樣品過濾效率的影響如圖5所示。對于織物A1,濕度的增加會對空氣過濾效率產生一定的抑制作用。這是因為過濾氣流的濕度增加以后,濕空氣使靜電效應減弱,布朗運動減弱,使微粒的擴散系數提高,微粒易被后來的氣流夾帶繼續穿透,從而降低了過濾效率[12]。然而,對于織物A2、A3和A4,空氣粒子過濾效率隨著空氣濕度的增加而增加。這是因為當空氣濕度較高時,織物纖維表面可能會冷凝形成一層水膜,增加纖維與空氣粒子的接觸面且不易反彈,因此過濾效率可能會有一定提升[13]。因此,空氣濕度對過濾效率有一定影響,抑制或者促進和空氣濕度大小可能與織物表面材質有關,具體機制有待進一步探索。

圖5 潔凈織物在不同濕度下的過濾效率Fig.5 Filtration efficiency of clean fabric under different humidity

圖6為隨機選取實驗室測試的25組潔凈服數據,縱坐標為2次測得過濾效率(分別記為B1和B2)差值的絕對值與第1次過濾效率(B1)之比。在保持織物樣品初始表面電荷和環境濕度一定的情況下,即測試前放置濕度為65%的恒溫恒濕室24 h,且進行消靜電處理(改進后),樣品的2次過濾效率之差平均為0.08,但未控制靜電量和環境濕度2種外界因素條件下(改進前),2次過濾效率之差平均為0.27?？梢?對樣品進行消靜電處理和調控環境濕度為65%之后,樣品的測試結果更為穩定,遠遠低于國家標準GB/T 24249—2009《防靜電潔凈織物》中要求的2次效率測得值相差小于0.15。由此,控制樣品初始表面電荷和環境濕度,對提高潔凈織物空氣粒子過濾效率檢測結果的重復性和復現性,實現測試參數的規范化和標準化至關重要。

圖6 25組潔凈織物過濾效率差值分布Fig.6 Distribution of filtration efficiency difference values for 25 groups of clean fabrics

3 結 論

通過研究靜電量和環境濕度對潔凈織物空氣粒子過濾效率的影響發現,潔凈織物初始表面靜電和環境濕度對于潔凈織物空氣粒子過濾效率影響較大,空氣粒子過濾效率隨著織物表面帶電荷量的增而提高,而空氣濕度對空氣粒子過濾效率的影響與具體空氣濕度大小和織物表面材質有關;鑒于織物表面帶電荷量難以調控,應使用離子風機在測試前對潔凈織物表面進行消靜電處理,而環境濕度建議調控為統一的環境濕度,可以通過對表面靜電和環境濕度的控制提高空氣粒子過濾效率,有效提升潔凈織物檢測能力,確保檢測結果的準確性和重現性,助力產品優選和潔凈織物質量改進。