表面静电和环境湿度对洁净织物空气粒子过滤效率的影响

朱 兰,肖坤坤,吴振一

(1.苏州市纤维检验院,江苏 苏州 215128; 2.苏州市计量测试院,江苏 苏州 215128)

进入21世纪以来,我国医药、半导体、机械仪表等行业迅猛发展,对产品生产工艺流程中的环境洁净度要求逐步提高。近年来国内微电子产业的发展突飞猛进,世界排名前50的半导体公司绝大多数在我国设立了生产基地,我国半导体自主研发基地也在不断建造投产[1]。在制药行业,我国已有6 000多家制药厂,有超过10 000个医院内无菌室、手术室和病房等[1]。对空气洁净度有要求、保证内部产品质量的区域称为洁净室,亦称无尘室、无尘车间。目前洁净室内部环境的空气净化技术已趋于成熟,经过多重处理后,相关受控环境内的微尘量可控制在相当低的水平。但研究发现,通过设备工作、人员活动等途径,微生物和微尘仍可进入洁净区域污染产品,降低产品质量和产品良率[2]。在有效降低洁净室通风带来的尘埃粒子情况下,洁净服是隔绝人体向洁净室散发微污染最重要的屏障[3]。

洁净服又称为洁净室服装或防静电无尘服装,包括连体服、分体服、洁净大褂和洁净内衣等。洁净织物一方面隔离人体和环境,阻碍人体散发的颗粒和微生物污染洁净室环境,另一方面降低静电放电对产品良率的影响。国内对洁净服的研究起步较晚,目前对于洁净服洁净性能的检测标准主要有国家标准GB/T 24249—2009《防静电洁净织物》和纺织行业标准FZ/T 80014—2012《洁净室服装通用技术规范》。标准中详细规定了洁净织物洁净度等级划分及对应的技术要求,包括发尘率和空气粒子过滤效率。其中,实验室在进行日常洁净服空气粒子过滤效率检测中,经常出现同一洁净织物不同时间空气粒子过滤效率差距过大的情况,重现性较差,不满足标准规定的2次效率值偏差不超过15%,需要重新进行测试,直至2次结果差值满足要求。

洁净服由纤维过滤材料制成,其过滤空气粉尘粒子主要通过惯性效应、拦截效应、静电效应、扩散效应和重力效应单种或多种机制共同作用[4-6]。不同洁净织物过滤空气粉尘粒子的影响因素需要考虑实际测试时的样品和测试参数,包括环境温度和湿度、洁净布料表面静电和上下游压差、标准粒子粒径和上游浓度等[7-9]。

经过实验室前期积累的数据分析发现,按照GB/T 24249—2009《防静电洁净织物》附录D中防静电洁净织物空气粒子过滤效率测试方法进行洁净织物实际检测过程中,洁净织物表面静电以及环境湿度是影响空气粒子过滤效率的主要因素。由此,本文通过摩擦法改变织物表面静电以及将织物提前放入恒温恒湿间静置来分别调控表面电压和测试环境湿度大小,探究表面静电和环境湿度对洁净织物空气粒子过滤效率的具体影响,以期提高洁净织物洁净度检测的准确性和重复性,为客户进行洁净服优选提供重要参考。

1 试验部分

1.1 材 料

聚苯乙烯(PSL)标准微球(单分散粒子,直径0.5μm,中国计量科学研究院);4块洁净织物(织物材质为涤纶,规格见表1,上海创势纺织科技有限公司)。

表1 洁净织物规格Tab.1 Clean fabrics specification

1.2 测试环境及仪器

恒温恒湿间(南京博森科技有限公司);SX-L2515洁净布料效率试验台(苏州苏信环境科技有限公司,如图1所示);KF-21离子风机(苏州海新机电工业设备有限公司);FMX-004静电测试仪(日本SIMCO-ION公司);锦纶布(面密度108 g/m2,纱线线密度22.2 tex,苏州文昌祥纺织品有限公司);特氟龙生料带(PTFE,苏州晨讯电子材料有限公司)。

1—上游尘埃粒子计数器; 2—风机变频器;3—风机;4—孔板流量计;5—上游采样口;6—样品夹具;7—下游采样口;8—气缸;9—气溶胶发生器;10—控制显示器;11—下游尘埃粒子计数器;12—高效空气过滤器。图1 洁净布料效率试验台示意图Fig.1 Schematic diagram of clean cloth efficiency test bench

1.3 试验方案

洁净织物的空气粒子过滤效率测试前,将4块洁净布料于恒温恒湿间静置24 h。通过调整恒温恒湿间的湿度(30%、50%和65%),探究环境湿度对过滤效率的影响。测试前使用离子风机对试样吹5 min,确保试样初始表面静电为0 kV。采用摩擦电压法使洁净织物表面带电,即使用锦纶布和特氟龙生料带分别摩擦洁净织物使其表面初始带正电荷或负电荷,调整摩擦次数可控制洁净布料初始表面电荷大小。使用静电测试仪的探头对准样品表面,保持一定距离使探头发射光聚焦,按下测试按钮,此时显示器的读数即为该样品区域的静电大小,重复测量样品多个区域,以最大静电示数作为该样品表面电荷量。

将样品放置夹具之间固定,变频风机负压抽气,使垂直于样品的气流通过样品两侧。上游空气中混有一定粒径和浓度的标准微球,在一定的压差下通过试样,用尘埃粒子计数器分别统计试样上下游的粒子浓度,通过上下游的粒子浓度差计算洁净织物空气粒子过滤效率。

2 结果与讨论

2.1 初始表面静电对洁净织物过滤效率的影响

图2为温度20 ℃、湿度30%条件下初始表面静电对4块洁净织物样品过滤效率的影响。洁净织物的过滤效率与织物表面带电量有关,静电效应对洁净织物过滤性能的影响较大,所有样品的空气粒子过滤效率均随着初始表面电荷增加而增加。测试之前的摩擦作用使洁净织物表面纤维带电荷,测试粒子与空气和织物的摩擦或其他原因也会带上电荷,此时织物和粒子之间形成一个电位差,当粒子随气流趋向织物时,库仑力会促使微粒和纤维碰撞从而使微粒沉积在纤维上而被捕集[9],初始表面电荷增加,库仑力变大,更多的空气粒子被捕集,因而4块样品的过滤效率都随着表面电荷量的增加而提高。

图2 洁净织物在不同初始表面电荷下的过滤效率Fig.2 Filtration efficiency of clean fabric under different initial surface charges

洁净织物在不同初始电荷(表面带正电或者负电)的过滤效率如图3所示,对于同一样品,织物初始表面电荷正负性对过滤效率影响较小。在不同的湿度条件,初始表面电荷为0的情况下样品的过滤效率最低,并且无论电荷的正负性,随着电荷量的增加,过滤效率都会逐渐增加。因为静电效应产生的吸附只与织物和粒子之间的库仑力大小有关,电荷的正负性不影响静电吸附效率[10-11]。

图3 洁净织物在不同初始电荷(表面带正电或者负电)的过滤效率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组空气粒子过滤性能测试前后织物表面带电荷量的试验数据如图4所示,测试后洁净织物表面带电量均低于测试前。这与织物的材质有关,洁净织物具有低起静电、高放静电的特性,电荷存在的时间不会太长,这也正是洁净服能有效降低人员穿着静电放电,提高产品优良率的原因。

图4 洁净织物表面电荷量测试前后对比Fig.4 Comparison of surface charge of clean fabrics before and after testing

2.2 环境湿度对洁净织物过滤效率的影响

在环境温度相同、初始表面电荷为0 kV的条件下,环境湿度(30%和50%)对洁净织物样品过滤效率的影响如图5所示。对于织物A1,湿度的增加会对空气过滤效率产生一定的抑制作用。这是因为过滤气流的湿度增加以后,湿空气使静电效应减弱,布朗运动减弱,使微粒的扩散系数提高,微粒易被后来的气流夹带继续穿透,从而降低了过滤效率[12]。然而,对于织物A2、A3和A4,空气粒子过滤效率随着空气湿度的增加而增加。这是因为当空气湿度较高时,织物纤维表面可能会冷凝形成一层水膜,增加纤维与空气粒子的接触面且不易反弹,因此过滤效率可能会有一定提升[13]。因此,空气湿度对过滤效率有一定影响,抑制或者促进和空气湿度大小可能与织物表面材质有关,具体机制有待进一步探索。

图5 洁净织物在不同湿度下的过滤效率Fig.5 Filtration efficiency of clean fabric under different humidity

图6为随机选取实验室测试的25组洁净服数据,纵坐标为2次测得过滤效率(分别记为B1和B2)差值的绝对值与第1次过滤效率(B1)之比。在保持织物样品初始表面电荷和环境湿度一定的情况下,即测试前放置湿度为65%的恒温恒湿室24 h,且进行消静电处理(改进后),样品的2次过滤效率之差平均为0.08,但未控制静电量和环境湿度2种外界因素条件下(改进前),2次过滤效率之差平均为0.27。可见,对样品进行消静电处理和调控环境湿度为65%之后,样品的测试结果更为稳定,远远低于国家标准GB/T 24249—2009《防静电洁净织物》中要求的2次效率测得值相差小于0.15。由此,控制样品初始表面电荷和环境湿度,对提高洁净织物空气粒子过滤效率检测结果的重复性和复现性,实现测试参数的规范化和标准化至关重要。

图6 25组洁净织物过滤效率差值分布Fig.6 Distribution of filtration efficiency difference values for 25 groups of clean fabrics

3 结 论

通过研究静电量和环境湿度对洁净织物空气粒子过滤效率的影响发现,洁净织物初始表面静电和环境湿度对于洁净织物空气粒子过滤效率影响较大,空气粒子过滤效率随着织物表面带电荷量的增而提高,而空气湿度对空气粒子过滤效率的影响与具体空气湿度大小和织物表面材质有关;鉴于织物表面带电荷量难以调控,应使用离子风机在测试前对洁净织物表面进行消静电处理,而环境湿度建议调控为统一的环境湿度,可以通过对表面静电和环境湿度的控制提高空气粒子过滤效率,有效提升洁净织物检测能力,确保检测结果的准确性和重现性,助力产品优选和洁净织物质量改进。