涤纶针刺非织造过滤材料储电性能研究*

李金超 朱砚龙 刘 顺 李晨迪 桂盼盼

河南工程学院纺织工程学院，河南 郑州 450007

空气中微细颗粒物污染的高效治理已成为近年人们关注的热点，亦是当前亟待解决的重要课题[1]。普通针刺非织造过滤材料仅依靠机械阻隔进行过滤，其往往被用作粗、中效空气过滤材料，无法实现对PM2.5等细微颗粒物的有效过滤。驻极处理后的过滤材料可利用机械阻隔及静电吸附双重机理捕获并吸附微细颗粒物，这种材料与单纯依靠机械阻隔来过滤微细颗粒物的过滤材料相比，前者具有更高的过滤效率，同时可保持较低的过滤阻力，现已广泛用作高效低阻空气过滤材料[2-3]。因此，为进一步扩大针刺非织造材料的应用领域，有关针刺非织造过滤材料驻极处理方面的研究也在逐渐增多[4-6]。

本文将以涤纶针刺非织造材料为原料，在对涤纶针刺非织造材料试样分别进行水洗、异丙醇处理后，对试样进行静电驻极处理，测试不同方法处理后试样表面静电势的衰减速度，探索提高材料储电性能的方法。然后，为进一步提高材料的储电性能，将涤纶针刺非织造材料与聚丙烯熔喷非织造材料进行不同方式的复合与处理，以期为常规针刺非织造材料更广泛地用于中、高效空气过滤领域提供参考。

1 试验部分

1.1 原料及试剂

涤纶针刺非织造材料(自制)，厚度3.11 mm，面密度420 g/m2。其中，涤纶线密度为2.44 dtex，长度为51.00 mm。聚丙烯熔喷非织造材料(郑州豫力新材料科技有限公司)，面密度25 g/m2。

蒸馏水(实验室自制)；异丙醇溶液(上海国药)，质量分数>99.5%。

1.2 后处理

为防止化学纤维在后续加工过程中因产生静电而影响生产，化学纤维在生产时通常会加入抗静电剂和油剂等物质，以利于静电的快速逸散。因此，若希望化学纤维制品能利用静电吸附颗粒物，则需使纤维表面的电荷尽可能地保持持久，即提高纤维的储电性能。本文将先采用水洗和异丙醇浸泡两种方法对涤纶针刺非织造材料试样进行处理，以期能提高试样的储电性能。

1.2.1 水洗法

利用蒸馏水对试样进行水洗，浴比为1∶40，水洗温度为100 ℃。控制每次水洗时间为1 h，洗完后换水，分别水洗1～8次。水洗后的试样于室温下静置干燥24 h，待用。

1.2.2 异丙醇法

参照欧标EN 779-2012[7]，先将试样在异丙醇溶液中浸泡5 min；待试样完全浸透后，将试样放入75 ℃的蒸馏水中水洗，浴比为1∶40，每10 min更换蒸馏水1次；3次水洗后，取出试样自然干燥，待用。

1.3 储电性能测试

参照GB/T 12703.1—2008《纺织品静电性能的评定 第1部分：静电压半衰期》标准，采用YG401织物感应式静电压测试仪测试试样的储电性能。测试原理如图1所示。

图1 YG401织物感应式静电压测试仪测试原理示意

2 储电性能测试结果与分析

2.1 水洗法

对水洗法获得的试样先进行高压静电驻极。驻极条件：高压10 kV、驻极时间30 s、驻极距离20 mm。然后测试试样表面静电势的半衰期。所得水洗次数与驻极处理后试样表面静电势的半衰期的关系如图2所示。

图2 水洗次数与驻极处理后试样表面静电势的半衰期的关系

试验表明：未经水洗的试样在驻极处理后，试样表面静电势的半衰期为0，即其不具备储电能力，这主要是因为化学纤维生产过程中加入的抗静电剂和油剂等会使静电荷快速地逸散；随着水洗次数的增加，驻极处理后试样表面静电势的半衰期逐渐延长，且当水洗次数达到5以后，试样表面静电势的半衰期基本保持稳定，这表明水洗5次后纤维表面的抗静电剂和油剂等已基本清洗干净，试样具备比较稳定的储电性能[4]。

2.2 异丙醇法

对异丙醇法获得的试样进行高压静电驻极处理，驻极条件同2.1节。测得异丙醇法获得的试样表面静电势衰减到50%和10%的时间如图3所示，并与水洗5次获得的试样静电势的衰减时间进行对比。

图3 水洗法(水洗5次)和异丙醇法获得的试样静电势衰减时间

从图3可以看出，异丙醇法获得的试样表面静电势衰减时间都远大于水洗法获得的试样表面静电势衰减时间，表明经异丙醇处理的试样具有更好的驻极效果。

3 涤纶针刺非织造材料与聚丙烯熔喷非织造材料的复合

为获得储电性能更加优异的过滤材料，本文将对涤纶针刺非织造材料与聚丙烯熔喷非织造材料进行复合。聚丙烯熔喷非织造材料中纤维直径小(1～5 μm)，纤网内部孔径更小，且经高压驻极处理后具备高效低阻的过滤特点，已被广泛应用于高效空气过滤领域[8]。本文将采用3种方式对聚丙烯熔喷非织造材料和涤纶针刺非织造材料进行复合(图4)，然后对聚丙烯熔喷/涤纶针刺复合试样进行异丙醇处理，最后进行高压静电驻极处理，并测试复合试样异丙醇处理前后的静电势衰减情况。

图4 聚丙烯熔喷/涤纶针刺复合试样的3种复合方式

测试发现，未经异丙醇处理的3种复合试样驻极后试样表面静电势的半衰期均为0，表明这3种未经异丙醇处理的复合试样均无储电能力。经异丙醇处理后的3种复合试样驻极后，试样表面静电势衰减到10%的曲线如图5所示，可以看出：异丙醇处理后，3种复合试样储电能力均大幅增加；中间夹层复合方式驻极后复合试样表面静电势衰减速度最慢，其储电性能最优，这可能与这种复合方式使得驻极后聚丙烯纤维所带电荷不易逸散有关。

图5 异丙醇处理的3种复合试样驻极后表面静电势的衰减曲线

此外，从图3和图5可以看出：异丙醇处理后的中间夹层复合试样驻极后表面静电势衰减至10%耗时5 520 s，而异丙醇处理后的涤纶针刺非织造材料驻极后表面静电势衰减至10%耗时4 140 s，前者储电性能显著提高，这为今后制备储电性能更加优异的非织造过滤材料提供了思路。

4 结论

本文采用水洗法和异丙醇法对常规涤纶针刺非织造材料进行处理，得到以下结论：

(1)在一定温度和浴比的条件下利用蒸馏水对涤纶针刺非织造材料进行水洗，可有效去除纤维表面在加工过程中添加的抗静电剂、油剂等物质。当水洗次数达到一定值时，试样储电性能达到最优，之后趋于稳定。本文中涤纶针刺非织造材料的最佳水洗次数为5。

(2)与水洗法相比，异丙醇法制得的试样表面静电势的半衰期显著增加，储电性能明显提高。

(3)将涤纶针刺非织造材料与聚丙烯熔喷非织造材料采用中间夹层方式进行复合，并采用异丙醇法处理后，所得聚丙烯熔喷/涤纶针刺复合试样的储电性能最优。