王 洪 劉明奇 吳海波

(東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620)

人類在發(fā)展工業(yè)的同時也會排放出大量的有毒有害物質(zhì)，如廢氣、廢水等污染物。其中，有些有毒有害物質(zhì)是人們的肉眼看不見的，如廢氣中存在的可吸入細顆粒物。雖然空氣中存在的這些細顆粒物在大氣中只占有很少的百分比，但是這些細顆粒物會對空氣的質(zhì)量以及能見度產(chǎn)生影響，對人體的健康也會造成很大的威脅。近幾年我國各地紛紛出現(xiàn)的霧霾天氣也與這些細顆粒物有很大的關系。因此，能夠有效地過濾掉這些對人體有害的可吸入細顆粒物的過濾材料在市場上受到熱捧。

過濾是一種分離、捕集分散于氣體或液體中顆粒狀物質(zhì)的過程［1］。非織造材料是一種重要的空氣過濾材料，其彎曲通道的孔徑結構特別適合用做空氣過濾材料［2］。這是因為非織造材料中纖維與纖維間的孔隙更小，材料的內(nèi)部結構更為復雜，一部分直徑大于纖維間孔隙的小顆粒便會被非織造材料阻隔在外部，而小于纖維間孔隙的細小顆粒也會在進入材料內(nèi)部后與材料內(nèi)部的纖維發(fā)生摩擦、碰撞，造成細顆粒物的能量損失，使其停留在非織造材料內(nèi)部，從而達到所需要的過濾效果。非織造材料的過濾性能與其多孔結構密切相關，如孔隙的形狀、數(shù)量和大小分布等［3］，被過濾的顆粒物可在孔隙中與纖維廣泛接觸［4］。非織造材料基本通過攔截阻隔、慣性沉積、擴散沉積和重力沉積等方式來過濾和吸附空氣中的細顆粒物［5］。

對于PM2.5等直徑較小的細顆粒物，上述過濾方式很難達到理想的過濾效果，而空氣中的細顆粒物一般都帶有靜電荷，可以通過靜電捕獲的方式來提高材料的過濾效率。在非織造材料生產(chǎn)過程中，電荷積聚的場所主要是纖維或絲條表面，以及開松和分梳成網(wǎng)部件、導網(wǎng)件、輸送簾等部件表面［6］。熔噴非織造材料的駐極技術是通過讓熔噴非織造材料纖維表面帶有多余的靜電荷，從而達到對空氣中細顆粒物良好的過濾吸附效果。

將電負性不同的兩種材料相互摩擦后，它們會分別帶上正電荷和負電荷。纖維材料在不停地發(fā)生接觸和摩擦時，纖維上的電子會發(fā)生轉(zhuǎn)移，使介電常數(shù)高的纖維帶正電，介電常數(shù)低的纖維帶負電。實際上，在非織造材料成形加工的纖維開松、梳理過程中，很容易發(fā)生靜電現(xiàn)象，嚴重時會發(fā)生纖維包覆梳理機的現(xiàn)象。

本課題擬有效利用纖維梳理和針刺過程中的靜電現(xiàn)象，利用現(xiàn)有設備和工藝技術，將聚四氟乙烯(PTFE)和聚丙烯腈(PAN)兩種纖維經(jīng)梳理、針刺加工成過濾材料，研究纖維配比、表面靜電荷和過濾效率之間的關系，為高效針刺過濾材料的研究提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料

本試驗所用PTFE纖維和PAN纖維的基本性能見表1。

表1 PTFE和PAN纖維基本性能

1.2 樣品制備

首先用洗滌劑去除PTFE纖維和PAN纖維表面的助劑及雜質(zhì)，然后將纖維烘干至含水率小于2%;將 PTFE 纖維與 PAN 纖維分別按照 3∶1，4∶1和5∶1(質(zhì)量比)的比例混合，然后采用羅拉梳理機和針刺機加工成面密度為330、430和530 g/m2的針刺非織造材料。所得樣品的基本性能見表2。

表2 樣品基本性能

1.3 高溫高濕處理

將針刺非織造材料樣品按下列順序依次進行處理：

(1)在(38±2.5)℃和(85±5)%相對濕度環(huán)境下放置(24±1)h;(2)在(70±3)℃的干燥環(huán)境下放置(24±1)h;(3)在(－30±3)℃的環(huán)境下放置(24±1)h。經(jīng)過上述處理后，需在樣品溫度恢復至室溫后至少放置4 h，再進行過濾效率測試。

1.4 性能測試

(1)采用TSL 8130自動濾料檢測儀，用氯化鈉氣溶膠測試樣品的氣體過濾性能。氯化鈉氣溶膠的質(zhì)量中值直徑為0.26 μm，數(shù)量中值直徑為0.075 μm，幾何偏差 ＜1.83，氣溶膠質(zhì)量濃度 12～20 mg/m3。測試氣體流速為(85±2)L/min。

(2)參照標準GB/T5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用YG461E型電腦式織物透氣性測試儀對各材料的透氣性能進行測試。

(3)參照標準GB/T12703.1—2008《紡織品靜電性能的評定》，選用YG401型織物感應式靜電壓測試儀對各材料表面靜電壓進行測試。

2 結果與分析

2.1 透氣率

透氣性直接影響濾器成品的流量阻力［7］。透氣性是表征針刺非織造材料的針刺密度和過濾阻力等性能的重要指標，兩種纖維混合針刺非織造材料樣品的透氣率測試結果見表3。

表3 樣品透氣率

從表3可以看出：隨著針刺非織造材料面密度的增大，其透氣率逐漸下降，符合常規(guī)針刺非織造材料的規(guī)律性;兩種纖維的配比對所得針刺非織造材料的透氣率影響不大。

2.2 過濾效率

過濾效率是能夠直觀反映非織造材料過濾效果的關鍵指標。非織造空氣過濾材料的過濾效率是指當空氣從材料中通過時，被材料捕獲的存在于空氣中的粉塵及細顆粒物的數(shù)量與空氣中存在的粉塵及細顆粒物的總量的比值。兩者的比值越大，說明該種非織造空氣過濾材料的過濾效率越高，過濾效果越好;反之，過濾效率越低，過濾效果越差。當然，空氣流速等因素也會影響材料的過濾效率。各樣品過濾效率的測試結果見表4。

表4 各樣品過濾效率

從表4可以發(fā)現(xiàn)：采用PTFE纖維和PAN纖維混合針刺而成的非織造材料的過濾效率要明顯大于單純使用PAN纖維針刺而成的非織造材料;單純使用PAN纖維針刺而成的非織造材料(1號、5號和9號樣品)的過濾效率只有20%左右，且隨著面密度的增大過濾效率提高不明顯;添加PTFE纖維后，所得針刺非織造材料的過濾效率明顯提高，且隨著PTFE纖維含量的增加，過濾效率略有提升，但基本都維持在50%～65%范圍內(nèi);隨著樣品面密度的增大，樣品的過濾效率也隨之升高。

過濾效率測試所用的氯化鈉氣溶膠的質(zhì)量中值直徑為0.26 μm，而一般針刺非織造材料的平均孔徑要比該值大得多，很難通過攔截方式實現(xiàn)對氣溶膠的過濾，所以純PAN針刺非織造樣品的過濾效率都很低。PTFE纖維與PAN纖維的介電常數(shù)差別很大，估計用這兩種纖維混合制成的針刺非織造材料在纖維梳理和針刺過程中，PTFE纖維和PAN纖維表面會分別聚集正、負電荷，可以依靠靜電捕獲機理來達到較好的過濾效果。因此，PFTE纖維和PAN纖維混合后所得的針刺非織造材料的過濾效率遠遠高于純PAN纖維針刺非織造材料。

2.3 表面靜電壓

為了解針刺非織造材料樣品表面所帶電荷量，用織物感應式靜電測試儀測試了樣品的表面電壓，結果見表5。

表5 各樣品表面靜電壓

從表5可以看出：由純PAN纖維制備的1號、5號和9號樣品，其表面靜電壓很低，說明在成形過程中由纖維間摩擦形成的電荷量很少，均在5 V以內(nèi)，而PTFE纖維和PAN纖維混合針刺非織造材料的表面靜電壓要明顯大于純PAN纖維針刺非織造材料;隨著面密度的增大以及PTFE纖維含量的增加，樣品的表面靜電壓呈逐漸增大的趨勢。這可能是因為樣品中的纖維數(shù)量越多，纖維之間的摩擦就越多，積累的電荷也就更多，從而使材料表面的靜電壓增大。在本試驗中，樣品的表面靜電壓值波動較大，其原因一是與測試儀器及測試環(huán)境有關，另一是與樣品中纖維的混合均勻性有關。

筆者曾嘗試將PTFE纖維和PAN纖維按照1∶1和2∶1(質(zhì)量比)的配比進行梳理成網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)其制得的非織造材料的表面靜電壓數(shù)值較小，故未將數(shù)據(jù)列表分析。這可能是因為PTFE纖維和PAN纖維間的線密度相差太大，而當PAN纖維的占比大時，難以梳理成網(wǎng)，纖網(wǎng)的均勻度變差。

2.4 過濾效率與表面靜電壓的關系

為了更好地找出樣品過濾效率和表面靜電壓之間的關系，把12個樣品按照面密度分為三組，將樣品的表面靜電壓和過濾效率作圖，結果如圖1所示。

圖1 樣品表面靜電壓和過濾效率的關系曲線

從圖1可以看出：在樣品面密度相同時，其過濾效率隨著表面靜電壓的增加而增加，說明靜電捕獲機理是該類樣品的主要過濾方式;當樣品面密度變大時，總體上面密度大的樣品在表面靜電壓以及過濾效率的數(shù)值上都要大于面密度小的樣品，但也存在一個例外，面密度為430 g/m2的8號樣品的過濾效率略高于面密度為530 g/m2的10號樣品?？紤]到兩者的差值并不大，其原因可能是與樣品的厚度不勻有一定關系，也可能與試驗環(huán)境的溫濕度有關。

2.5 樣品經(jīng)高溫高濕處理后的過濾效率

為了解通過摩擦帶電的針刺非織造材料的過濾效率是否會受環(huán)境的影響而下降，本文選取了纖維質(zhì)量比為3∶1，面密度為330、430和530 g/m2的2號、6號和10號樣品，參照GB2626—2006《呼吸防護用品自吸過濾式防顆粒物呼吸器》對樣品進行了高溫高濕處理后過濾效率的測試，結果見表6。

表6 樣品高溫高濕處理前后的過濾效率的比較

從表6可以看出，經(jīng)過高溫高濕處理后，三種樣品的過濾效率沒有明顯的下降，說明樣品表面所帶的靜電荷較為穩(wěn)定。這表明了機械梳理成網(wǎng)和針刺摩擦帶電是一種較好的能賦予非織造材料有較好耐久性的過濾效果的方法。

3 結論

根據(jù)摩擦帶電原理，將PTFE和PAN兩種介電常數(shù)不同的纖維通過羅拉梳理機梳理成網(wǎng)和針刺加固制得針刺非織造過濾材料，研究了纖維配比、材料表面電荷與過濾效率之間的關系，得到的主要結論如下：

(1)通過羅拉梳理和針刺加固，可以使兩種介電常數(shù)不同的纖維表面帶上靜電荷，可大大提高所制針刺非織造材料的過濾效率。

(2)在所選兩種纖維的比例范圍內(nèi)，對于相同面密度的非織造材料，隨著PTFE纖維含量的逐漸增大，其表面靜電壓呈逐漸增大的趨勢，但增大趨勢不明顯。

(3)兩種纖維配比相同的針刺非織造材料，面密度越大，材料的表面靜電壓就越大，過濾效率也越高。

(4)高溫高濕處理后的帶電針刺非織造材料其表面所帶的靜電荷較為穩(wěn)定，過濾效率沒有明顯下降。

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