李亞兵 楊 瑞 王 洪 張志奮 張寅江

(東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

聚丙烯熔噴駐極體空氣過濾材料由于其“高過濾效率，低過濾阻力”的特點(diǎn)，一直是空氣過濾領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題之一［1］，但是駐極體材料的穩(wěn)定性易受環(huán)境影響，在長(zhǎng)期貯存過程中材料的過濾效率會(huì)不斷下降。為解決此問題，國內(nèi)外科學(xué)工作者進(jìn)行了大量的研究。

有兩種方法可以提高聚丙烯駐極體材料電荷存儲(chǔ)性能。一是通過提高材料的結(jié)晶度和機(jī)械變形，使材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成細(xì)長(zhǎng)的孔洞通道，從而阻止電荷漂移;二是通過引入具有電荷存儲(chǔ)性能的添加劑來產(chǎn)生電荷陷阱捕獲電荷［2］。在此理論基礎(chǔ)上，基于電氣石永久的自發(fā)極化效應(yīng)，有人提出了將電氣石摻雜到聚丙烯熔噴駐極體過濾材料中來提高其駐極穩(wěn)定性的構(gòu)思［3］，同時(shí)二氧化硅(SiO2)、鈦酸鋇(BaTiO3)等具有駐極體性質(zhì)的材料也進(jìn)入了人們的研究范圍［4］，但電氣石、二氧化硅和鈦酸鋇等均屬于無機(jī)物，要使其與聚丙烯達(dá)到很好的相容性必須經(jīng)過改性處理。

基于受阻胺類光穩(wěn)定劑捕捉自由基的機(jī)理［5］，本文提出了將受阻胺類光穩(wěn)定劑摻雜到聚丙烯熔噴駐極體過濾材料中來提高其駐極穩(wěn)定性的構(gòu)思，從而達(dá)到對(duì)駐極機(jī)理更深層次的認(rèn)識(shí)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

(1)聚丙烯切片，Q/JZSH-1-2008熔噴專用料，熔融指數(shù)1 500 g/10 min;

(2)受阻胺類光穩(wěn)定劑CB944，購自瑞士汽巴-精化公司;

(3)商用駐極母粒HDET1200MB，由專業(yè)駐極母粒廠商提供。

1.2 設(shè)備

(1)MT65同向雙螺桿擠出機(jī)，由長(zhǎng)沙精智塑化新材料有限公司提供;

(2)熔噴與駐極設(shè)備，由東華大學(xué)紡織學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心提供。

1.3 樣品制備

(1)含受阻胺聚丙烯熔噴駐極體材料。將受阻胺穩(wěn)定劑與聚丙烯切片進(jìn)行造粒處理，制備受阻胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%和1%的兩種混合母粒。按受阻胺∶聚丙烯分別為5∶995和1∶99(質(zhì)量比)的比例將兩者進(jìn)行混合，并各自送至MT65同向雙螺桿擠出機(jī)，調(diào)整溫度及轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，使混合料熔融擠出;被擠出的物料經(jīng)過水浴冷卻成型并卷繞，然后在切粒機(jī)上切割成粒。將含有受阻胺的兩種混合母粒分別加入到熔噴擠出機(jī)的料斗中，各自制備25、50和75 g/m2三種不同面密度的熔噴非織造材料，再進(jìn)行駐極處理。

(2)含商用駐極母粒聚丙烯熔噴駐極體材料。由于商用駐極母?？梢灾苯优c聚丙烯切片混合使用，不需要造粒處理。參照商用駐極母粒添加比例說明，將商用駐極母粒與聚丙烯切片分別按質(zhì)量比5∶95和10∶90的兩個(gè)比例混合，然后直接送入熔噴設(shè)備料斗中，各自制備25、50和75 g/m2三種不同面密度的熔噴非織造材料，再進(jìn)行駐極處理。

(3)為便于比較，本試驗(yàn)同時(shí)制備了不含任何助劑的普通聚丙烯熔噴駐極體材料，面密度分別為25、50 和75 g/m2。

本試驗(yàn)所制備的樣品類型的編號(hào)列于表1。

表1 樣品編號(hào)

1.4 性能測(cè)試

(1)表面形態(tài)。將各樣品放在TM3000掃描電子顯微鏡下，分別進(jìn)行表面形態(tài)圖像觀察，放大倍數(shù)10 000倍。

(2)纖維直徑及其分布。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10685—2007《羊毛纖維直徑試驗(yàn)方法投影顯微鏡法》，采用BEION F6纖維細(xì)度儀測(cè)試各樣品的纖維直徑，放大倍數(shù)40倍，測(cè)試根數(shù)100根，然后計(jì)算平均直徑及直徑分布。

(3)孔徑結(jié)構(gòu)。采用PMI孔徑測(cè)試儀測(cè)量各樣品的孔徑分布。

(4)透氣性。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》，采用YG461E型電腦式織物透氣性測(cè)試儀測(cè)試各樣品的透氣性能。

(5)過濾效率與過濾阻力。參照標(biāo)準(zhǔn)GB2626—2006《呼吸防護(hù)用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》，采用TSI8130自動(dòng)濾料測(cè)試儀測(cè)試各樣品的過濾性能。TSI8130自動(dòng)濾料測(cè)試儀主要有三個(gè)顯示指標(biāo)：流量、過濾阻力和透過率，其中流量范圍為15～100 L/min，根據(jù)試驗(yàn)要求自行調(diào)節(jié)。本試驗(yàn)設(shè)定測(cè)試流量為(85±2)L/min。TSI8130自動(dòng)濾料測(cè)試儀的其他參數(shù)指標(biāo)為：氣溶膠類型為氯化鈉，質(zhì)量中值直徑 0.26 μm，數(shù)量中值直徑0.075 μm，幾何偏差 ＜1.83，氣溶膠質(zhì)量濃度 12～20 mg/m3。

(6)表面靜電壓。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T12703.1—2008《紡織品 靜電性能的評(píng)定》，選用YG401型織物感應(yīng)式靜電壓測(cè)試儀測(cè)試各樣品的表面靜電壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形態(tài)

圖1是面密度為50 g/m2的各類聚丙烯熔噴駐極體材料表面形態(tài)的電鏡照片。

圖1 聚丙烯熔噴駐極體材料的表面形態(tài)

由圖1可以看出，受阻胺的加入并沒有明顯改變聚丙烯熔噴駐極體材料的表面形態(tài)特征。這可能是由于受阻胺與聚丙烯具有很好的相容性，在熔融擠出過程中兩者能很好地結(jié)合在一起，沒有發(fā)生較大的變化，可以很好地保持聚丙烯熔噴非織造材料優(yōu)異的過濾性能和透氣性能。

由圖1還可以看出，與含受阻胺的聚丙烯熔噴駐極體材料相比，含商用駐極母粒的聚丙烯熔噴駐極體材料有更多的駐極母粒附著在纖維表面。這是由于商用駐極母粒的含量過高，導(dǎo)致聚丙烯與駐極母粒的融合效果并不是很好，出現(xiàn)了破壞纖維表面結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。

2.2 纖維直徑及其分布

圖2是面密度為50 g/m2的各類聚丙烯熔噴駐極體材料的纖維直徑分布直方圖。

由圖2可以看出，受阻胺和商用駐極母粒的加入并沒有使聚丙烯熔噴駐極體材料的纖維直徑發(fā)生明顯變化。1#～5#樣品的平均纖維直徑在3～4 μm之間，各樣品中纖維直徑在0～5 μm 之間的比例均達(dá)到了80%以上。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)

表2是不同面密度的各類聚丙烯熔噴駐極體材料的孔徑范圍及平均孔徑大小。

表2 聚丙烯熔噴駐極體材料的孔徑(單位：μm)

由表2可以看出：在相同面密度條件下，與普通聚丙烯熔噴駐極體材料相比，受阻胺的加入并沒有明顯的改變?nèi)蹏娋郾v極體材料的孔徑范圍和平均孔徑大小;而含商用駐極母粒的熔噴駐極體材料孔徑范圍偏大，平均孔徑偏小。造成上述現(xiàn)象的原因是受阻胺的添加比例相對(duì)較低，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)影響較小;而商業(yè)駐極母粒的添加比例較高，因此對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響較大。

圖2 聚丙烯熔噴駐極體材料的纖維直徑分布

由表2還可以發(fā)現(xiàn)，隨著面密度的變大，聚丙烯熔噴駐極體材料的孔徑分布范圍和平均孔徑變小。

2.4 透氣性

透氣性取決于材料中纖維的排布，與材料的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在一定的氣壓作用下，孔隙越大，空氣透過量越大。圖3是不同面密度的各類聚丙烯熔噴駐極體材料的透氣率測(cè)試結(jié)果。

由圖3可以看出，各類聚丙烯熔噴駐極體材料的透氣率隨著面密度的增加而減小。這是因?yàn)殡S著面密度的增加，材料厚度增加，導(dǎo)致透氣性下降。在相同面密度下，含商用駐極母粒的聚丙烯熔噴駐極體材料的透氣率低于普通聚丙烯熔噴駐極體材料和含受阻胺的聚丙烯熔噴駐極體材料。原因是在制備樣品過程中，商業(yè)駐極母粒的流動(dòng)性比較好，在相同熔噴工藝條件下制備同一面密度的材料時(shí)，含商業(yè)駐極母粒的熔噴非織造材料的厚度大于含受阻胺的熔噴非織造材料，導(dǎo)致透氣性差，各材料間的差異性變大。與普通聚丙烯熔噴駐極體材料相比，含受阻胺的聚丙烯熔噴駐極體材料的透氣性并沒有發(fā)生明顯變化，主要原因是受阻胺添加比例較小，對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料的纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)及材料中纖維的直徑并沒有產(chǎn)生影響。

圖3 聚丙烯熔噴駐極體材料的透氣性

2.5 過濾效率

圖4是不同面密度的各類聚丙烯熔噴非織造材料在駐極前后的過濾效率測(cè)試結(jié)果。

由圖4可以看出：

(1)駐極前，各材料的過濾效率基本相同，但在同一面密度條件下，4#和5#含商用駐極母粒的聚丙烯熔噴駐極體材料的過濾效率高于普通的和含受阻胺的聚丙烯熔噴駐極體材料。這是由于商業(yè)駐極母粒的加入比例遠(yuǎn)高于受阻胺的加入比例，在相同熔噴工藝條件下制備同一面密度的熔噴非織造材料，含商業(yè)駐極母粒的熔噴非織造材料的厚度大于普通的和含受阻胺的熔噴非織造材料，所以過濾效率偏大。

(2)經(jīng)過駐極工藝處理，各材料的過濾效率都有一定的提高。低面密度材料駐極前后的過濾效率差異較大;材料的面密度越大，駐極前后過濾效率的差異越小。

圖4 聚丙烯熔噴非織造材料駐極前后的過濾效率

(3)以面密度為50 g/m2的材料為例，駐極后1#、2#、3#、4#和 5#樣品的過濾效率分別為 81.5% 、92.18%、90.03%、86.9% 和 89.5%。含受阻胺和含商業(yè)駐極母粒的聚丙烯熔噴駐極體材料的過濾效率均高于普通聚丙烯熔噴駐極體材料，說明兩種添加劑的加入均提高了聚丙烯熔噴非織造材料的駐極效果，而含受阻胺的聚丙烯熔噴駐極體材料的過濾效率略優(yōu)于含商業(yè)駐極母粒的聚丙烯熔噴駐極體材料。

圖5是根據(jù)圖4所示的測(cè)試結(jié)果繪制的各聚丙烯熔噴非織造材料駐極前后過濾效率與面密度的關(guān)系曲線。

圖5 聚丙烯熔噴非織造材料駐極前后的過濾效率與面密度的關(guān)系曲線

由圖5可以看出：駐極之前，隨著聚丙烯熔噴非織造材料面密度的增加，各樣品的過濾效率增大，符合材料面密度增加，過濾效率提高的一般規(guī)律;駐極之后，隨著聚丙烯熔噴駐極體材料面密度的增加，各樣品的過濾效率呈現(xiàn)先變大后減小的趨勢(shì)，面密度為50 g/m2時(shí)駐極效果最好，材料的過濾效率最高。這說明駐極工藝在提高過濾材料的過濾性能時(shí)，駐極效果與材料的面密度可能有一定的關(guān)系，并不是隨著材料面密度的增加，駐極效果越來越好。有文獻(xiàn)報(bào)道，駐極后的聚丙烯熔噴非織造材料隨著面密度的增大，過濾效率越來越高［6］，但該文獻(xiàn)研究對(duì)象的面密度是10～30 g/m2，范圍較小，而本文所研究的材料的面密度較高，兩者無法進(jìn)行比較。國內(nèi)外有關(guān)高面密度熔噴非織造材料駐極效果與面密度關(guān)系方面的研究較少，因此對(duì)于本文的測(cè)試結(jié)果有待作進(jìn)一步的研究。

2.6 過濾阻力

圖6是不同面密度的各類聚丙烯熔噴非織造材料在駐極前后的過濾阻力測(cè)試結(jié)果。

由圖6可以看出：

(1)駐極前后，相同面密度的各聚丙烯熔噴非織造材料的過濾阻力均隨著面密度的增加而增大，符合材料面密度增加，過濾阻力變大的一般規(guī)律。

(2)同一面密度的同種材料，駐極前后的過濾阻力基本不變，說明駐極工藝并不會(huì)明顯改變材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此過濾阻力基本不變。

(3)含商用駐極母粒的聚丙烯熔噴非織造材料的過濾阻力大于含受阻胺的聚丙烯熔噴非織造材料的過濾阻力。這是因?yàn)樯虡I(yè)駐極母粒的添加比例遠(yuǎn)高于受阻胺的添加比例，在相同熔噴工藝條件下制備相同面密度熔噴非織造材料時(shí)，含商業(yè)駐極母粒的熔噴非織造材料的厚度大于普通熔噴非織造材料和含受阻胺的熔噴非織造材料，導(dǎo)致其過濾阻力偏大。

2.7 表面靜電壓

熔噴駐極體材料具有很高過濾效率的原因是駐極工藝使材料帶上大量自由電荷，利用靜電力的作用捕集塵粒。圖7示出了50 g/m2的聚丙烯熔噴駐極體材料在駐極處理后30天內(nèi)的表面靜電壓衰減情況。

由圖7可以看出：

(1)經(jīng)過駐極工藝充電處理，各聚丙烯熔噴非織造材料起始時(shí)的瞬時(shí)靜電壓基本相同，均在7 000 V左右，說明受阻胺和商用駐極母粒的加入并不會(huì)提高材料在充電過程中所帶電荷量。

(2)在處理后的初期，聚丙烯熔噴駐極體材料表面電荷衰減現(xiàn)象嚴(yán)重，衰減速率較快，進(jìn)入電荷衰減階段。這是因?yàn)殡m然經(jīng)過充電處理各材料均獲得了同等數(shù)量的自由電荷，但在電荷衰減過程中，含受阻胺和含商用駐極母粒的聚丙烯熔噴駐極體材料所保留的自由電荷的數(shù)量明顯高于普通聚丙烯熔噴駐極體材料，說明兩種添加劑的加入均可提高熔噴非織造材料駐極效果的穩(wěn)定性，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的商用駐極母粒的聚丙烯熔噴駐極體材料的表面靜電壓高于其他材料，穩(wěn)定效果最好。

圖6 聚丙烯熔噴非織造材料駐極前后的過濾阻力

(3)經(jīng)過電荷衰減階段后，隨著時(shí)間的推移，聚丙烯熔噴駐極體材料表面電荷衰減過程趨于穩(wěn)定，含受阻胺和含商用駐極母粒的聚丙烯熔噴駐極體材料所保留的自由電荷數(shù)量依然高于普通聚丙烯熔噴駐極體材料，但三者之間的差距縮小，表明兩種添加劑的加入可以達(dá)到延緩聚丙烯熔噴駐極體材料表面電荷衰減的作用，但并不能阻止電荷衰減。

2.8 特殊處理后材料的過濾效率

為了進(jìn)一步測(cè)試外界條件對(duì)聚丙烯熔噴駐極體材料過濾效率的影響，以及比較含不同駐極添加劑的聚丙烯熔噴駐極體材料之間的差異性，參照標(biāo)準(zhǔn)GB2626—2006《呼吸防護(hù)用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》進(jìn)行相關(guān)處理后再測(cè)試其過濾效率。

為節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間及考慮操作的方便性，本次試驗(yàn)選取面密度為50 g/m2的聚丙烯熔噴駐極體材料作為代表性樣品進(jìn)行測(cè)試。

樣品按下列順序依次進(jìn)行處理：

(1)在(38±2.5)℃和(85±5)%相對(duì)濕度環(huán)境下放置(24±1)h;

(2)在(70±3)℃干燥環(huán)境下放置(24±1)h;

(3)在(－30±3)℃環(huán)境下放置(24±1)h。

經(jīng)過處理的樣品，待其溫度回復(fù)至室溫后，至少再放置4 h，然后進(jìn)行過濾效率測(cè)試，結(jié)果見表3。

表3 特殊處理前后50 g/m2各材料的過濾效率

由表3可以看出：經(jīng)過特殊處理后，含添加劑的聚丙烯熔噴駐極體材料的衰減速率明顯低于普通聚丙烯熔噴駐極體材料，說明其過濾效率的穩(wěn)定性明顯提高;含商用駐極母粒的4#和5#樣品的衰減速率低于含受阻胺的2#和3#樣品，說明前者的過濾效率穩(wěn)定性優(yōu)于后者。

試驗(yàn)表明，兩種添加劑的加入提高了聚丙烯熔噴駐極體材料過濾效率的穩(wěn)定性，可能原因是兩種添加劑對(duì)駐極工藝中所產(chǎn)生的自由電荷都產(chǎn)生了一定的束縛作用，使含有添加劑的聚丙烯熔噴駐極體材料中儲(chǔ)存了大量的自由電荷，因此其過濾效率優(yōu)于普通聚丙烯熔噴駐極體材料。

3 結(jié)論

(1)將受阻胺加入到聚丙烯中并在熔噴機(jī)上進(jìn)行共混紡絲的工藝是可行的。受阻胺的加入對(duì)聚丙烯熔噴非織造材料的駐極性能有積極的影響，為制備高效低阻并能長(zhǎng)期貯存的理想的過濾材料提供了一種可能。

(2)與普通聚丙烯熔噴駐極體材料相比，受阻胺和商用駐極母粒兩種添加劑的加入在一定程度上改善了材料的過濾性能，使材料的過濾效率能長(zhǎng)期保持在一個(gè)相對(duì)較高的水平，而材料的過濾阻力基本不變。雖然受阻胺類光穩(wěn)定劑比商用駐極母粒作用效果稍差，但仍是一種值得進(jìn)一步研究的駐極添加劑。

［1］SAE-lIM W，TANTHAPANICHAKOON W，KANAOKA C.Structural improvement to quadruple service life of a high-efficiency electret filter［J］.Science and Technology of Advanced Materials，2005(6)：307-311.

［2］NILS M，HANS-WERNER S，MAGNUS K P，et al.Influence of chemical structure and solubility of bisamide additives on the nucleation of isotactic polypropylene and the improvement of its charge storage properties［J］.Macromolecules，2006，8(22)：5760-5767.

［3］張杰.電氣石改性熔噴過濾材料的工藝與效能的研究［D］.上海：東華大學(xué)，2012.

［4］KILIC A，SHIM E，YEOM B Y，et al.Improving electret properties of PP filaments with barium titanate［J］.Journal of Electrostatics，2013，71(1)：41-47.

［5］FEDEL T.Air filtration：balanced approach gives high filtration and energy efficiencies［J］.Filtration+Separation，2012，49(4)：25-27.

［6］簡(jiǎn)小平，張寅江，張志奮，等.基于不同測(cè)試條件下熔噴聚丙烯濾料的過濾性能［J］.非織造布，2013(6)：80-83.