聚丙烯熔喷非织造材料电晕驻极处理研究

任 煜，徐玉康，尤祥银

(1.南通大学纺织服装学院，江苏南通226007;2.东华大学材料科学与工程学院，上海201260;3.南通丽洋新材料开发有限公司，江苏 南通226007)

近年来，我国城市空气污染较严重，其中颗粒物是影响中国城市空气质量的主要污染物，严重影响了环境质量，对人体健康产生了不良影响。以聚丙烯为原料的非织造材料，并具有比表面积大、密度小、耐化学腐蚀性好、抗折皱能力强等特点，成为空气过滤器的首选材料［1－2］。但普通空气过滤材料对于细小微粒，如PM5以下的呼吸性粉尘的去除不够彻底，且滤除这些粉尘粒子需采用处于夯实状态的纤维，这样极大地增加了流阻，给使用者带来不适［3－4］。驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料，具有高效率，低流阻，抗菌，节能等优点，过滤效率远远高于常规过滤材料［5－7］。在过滤过程中，驻极体空气过滤材料依靠库仑力直接吸引气相中的带电微粒并将其捕获，或诱导中性微粒产生极性再将其捕获，从而更有效地过滤具有致癌作用的亚微米级粒子。作者利用高压电晕放电技术对聚丙烯熔喷非织造过滤材料进行驻极处理，讨论了驻极电压、驻极时间以及电极与被处理试样之间的距离等对熔喷非织造材料性能的影响;同时研究了驻极处理后材料在不同湿度环境中存储静电荷的稳定性。

1 实验

1.1 材料及设备

聚丙烯熔喷非织造材料:面密度为28 g/m2，南通丽洋非织造工业有限公司提供。为了去除材料上残留的静电荷，将聚丙烯熔喷非织造材料在去离子水中浸泡24 h后晾干。

HL-2型恒流高压直流电源:上海激光电源设备有限公司制造。

1.2 实验方法

采用外置式电晕充电方法对聚丙烯熔喷非织造材料进行驻极处理，处理装置如图1所示。处理时，将聚丙烯纤维滤材平放在下电极极板上，多排电晕针尖对准试样。打开高压静电发生器，电极针尖附近的空气产生局部电晕放电，在电极下方的试样表面捕获与放电针极性相同的电荷，使聚丙烯熔喷纤维带电。实验中熔喷非织造材料在下极板上被匀速拉动，能均匀地接受驻极处理。

图1 电晕驻极处理装置示意Fig.1 Schematic diagram of corona electret charge apparatus

1.3 分析与测试

微观形态:采用中科院科学仪器发展有限公司KYKY2800型扫描电子显微镜观察电晕放电处理前后聚丙烯熔喷非织造过滤材料表面形貌。

表面静电位:采用上海电子仪器厂的DWJ-81型静电电位计测试驻极处理材料表面的静电位。

透气性:参照GB/T5453—1997，采用温州大荣纺织仪器有限公司的YG(B)461E型数字式织物透气性能测定仪测试驻极处理前后材料的透气性能。

过滤效率:采用TSI公司的Certi Test 8130型自动滤料测试仪对经驻极处理的聚丙烯熔喷非织造材料的过滤性能仪进行测试。

2 结果与分析

2.1 微观形态分析

从图2a可看出，聚丙烯熔喷非织造材料中纤维直径分布均匀，纤维呈三维网状结构排列，纤网中空隙较多，材料具有高效过滤性能及较好的透气性。

图2 聚丙烯熔喷材料驻极处理前后的表面形貌Fig.2 Surface morphology of polypropylene nonwoven fabrics before and after corona discharge

从图2还可以看出，经处理4 s，隔距6.5 cm，不同电压驻极处理后，纤维表面略现粗糙。在直流电压作用下，负极性电晕或正极性电晕均在尖端电极附近聚集起空间电荷，出现许多脉冲形式的电晕电流。电晕产生粒子使聚丙烯分子链断裂堆积在纤维表面生成的隆起［8］。但使用的高压静电发生器电流很小(最大输出电流为1 mA)，故放电功率较低。因此随着放电电压的增大，聚丙烯熔喷材料表面形态变化不显著。

2.2 驻极电压

从图3可以看出，当所加的电压为5～15 kV时，聚丙烯熔喷非织造材料表面的静电电荷随电压的增大而增加。但电压继续增加到20 kV时，滤料表面的静电电压逐渐减小，这是由于当电压增加到一定值时，材料局部被过大的电压击穿，导致材料表面的静电电荷减少。

图3 驻极电压对聚丙烯熔喷非织造材料表面电位的影响Fig.3 Effect of corona discharge voltage on surface voltage of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

从图4可以看出，聚丙烯熔喷非织造材料在未驻极和驻极之后的透气性几乎没有变化。透气性是气体对薄膜、涂层、织物等高分子材料的渗透性，是过滤材料重要的物理性能之一，材料的透气性受其孔径和孔隙率共同影响。过滤材料孔径小而孔隙率高是能够获得“高效阻截颗粒、低阻力通过流体”这一过滤性能的理想结构［9］。在电晕放电驻极处理的过程中，聚丙烯熔喷非织造材料中由纤维构成的三维网络状结构没有发生较大的变化，材料的孔隙结构没有发生变化，因此驻极处理后聚丙烯熔喷材料的透气性能基本没有改变。

图4 驻极处理后聚丙烯熔喷非织造材料的透气性Fig.4 Air permeability of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics after corona discharge

从图5可以看出，未经驻极处理的聚丙烯熔喷非织造材料的过滤效率仅为41.3%，而经驻极处理后滤料的过滤效率显著增加，增加到约80%，随着驻极电压的上升，过滤效率呈现上升的趋势。可见聚丙烯熔喷过滤材料的过滤效率与驻极体电场强度密切相关。在电晕极化过程中，随着驻极化电压的增加，在相同的时间内滤料表面积聚的电荷数量增加，表面电位提高，增强了对粉尘的捕捉效果，因而试样的过滤效率也不断提高［7］。若继续提高驻极电压，材料的过滤效率不再继续增加，因为此时材料表面所能容纳的静电荷量已经达到饱和。

图5 处理电压对聚丙烯熔喷非织造材料过滤效率的影响Fig.5 Effect of corona discharge voltage on filtration efficiency of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

2.3 处理隔距

从图6可看出，随着电极与被处理材料之间距离的增加，聚丙烯熔喷非织造材料表面静电电位降低。

图6 电晕放电处理隔距对聚丙烯熔喷非织造材料表面电位的影响Fig.6 Effect of corona discharge distance on surface static voltage of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

外置式电晕放电驻极针尖放电产生的电场，电场分布是由上至下逐渐减弱［10］，而且当上下电极的距离增加时，在空气中流失的电场粒子越多，试样捕获到的电场粒子就越少［11］。因此，随着电极与被处理材料之间距离的增加，材料表面的静电电荷减少，过滤效率降低。

2.4 处理时间

从图7可以看出，随着处理时间的增加，材料的表面电位增加。但是当时间进一步增加时，材料的表面电荷略有减少。这是由于在驻极开始的时候，随着驻极时间的增加，沉积的等效面电荷密度增大，驻极体表面的电势升高。但随着驻极时间进一步增加，材料表面电位足够高时，针尖下方的电荷将被排斥向其他电荷密度较小的地方移动［5］。当驻极结束时，其电荷面密度达到饱和状态，因此驻极时间再增长时，材料的表面静电荷略有减少。

图7 驻极体处理时间对聚丙烯熔喷非织造材料表面电位的影响Fig.7 Effect of corona discharge time on surface voltage of melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

2.5 表面电荷稳定性

从图8可以看出，驻极聚丙烯熔喷非织造材料的表面电荷的衰减主要发生在初始阶段(2 d内)，后来基本保持不变。且潮湿环境中试样表面电荷衰减的速度明显比干燥环境下的快。通过电晕驻极处理，聚丙烯熔喷非织造材料含有空间电荷和极化电荷两种电荷。存储过程中空间电荷会逐渐减少，而极化电荷将一直存储在滤料中，因此滤料的过滤效率会呈现下降的趋势［3］。对于电晕充电的驻极体，电荷大部分集中在驻极体的上表面附近，形成空间电荷分布。在电荷衰减的初始阶段，试样上表面处电荷密度很大，随着空气中湿度的增加，电荷大量衰减［12］。而存储后期电荷基本不变，这是由于极化电荷将一直存储在滤料中。

图8 驻极聚丙烯熔喷非织造材料表面电荷衰减曲线Fig.8 Plots of surface voltage versus exposure time for melt-blown polypropylene nonwoven fabrics

3 结论

a.聚丙烯熔喷非织造材料经过驻极处理后，纤维表面略显粗糙。

b.聚丙烯熔喷非织造材料的表面电位随着驻极电压的提高而增大，但随着电压进一步增加，材料表面的静电电荷减少;随着电极之间距离的增加，材料表面静电电位降低;随着驻极处理时间的增加，材料的表面电位增加，但处理时间过长时，材料的表面电荷达到饱和。

c.经过驻极处理后材料的过滤效率显著提高，材料的透气性未发生显著变化。

d.在存储过程中，驻极聚丙烯过滤材料的表面电位在初期迅速衰减，以后变化趋缓。在潮湿环境中试样表面电荷衰减的速度高于干燥环境。

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