（环境工程专业论文）功能性驻极体空气过滤材料的静电过滤机理与实验研究.pdf

摘要 y 9 3 0 1 8 1 当前，随着世界各国经济的发展，工业污染总体上日益严重，使室内的空气品质恶 化，已经严重地影响到人们的健康和生存。影响室内空气品质的主要来源有可吸入性颗 粒物( 如粉尘、烟雾) 、有害气体以及生物气溶胶( 如细菌、病毒、霉、原生物等) 等 等。提高室内空气品质的一个行之有效的方法是对空气进行过滤，现有的普通空气过滤 材料只能去除颗粒物，而不能去除有害气体和生物气溶胶等。针对普通空气过滤材料的 这些弱点，我们提出了一种具有抑菌、去除有害气体等功能的驻极体空气过滤材料。 经过对比与分析，得到了目前适合于我国经济和技术水平的驻极体空气过滤材料的 生产工艺：熔喷电晕放电。 本文率先提出了功能性驻极体空气过滤材料的概念，初步研究了它所具有的功能 ( 如高效低阻、抗菌、去除有害气体、耐腐蚀、拒水拒油、耐温等) 和功能化技术( 如 共混纺丝法、静电纺丝法、接枝法、后整理法、复合熔喷法等) ；从理论上分析了驻极 体空气过滤材料具有良好的抑菌功能，通过其对大肠杆菌的抑菌检测，结果证实了这一 点；从理论上分析了驻极体空气过滤材料具有去除有害气体的功能；分别从空气过滤材 料、过滤器结构以及清灰装置探讨了专门用于治理纺织厂“煤灰纱”的驻极体空气过滤 器；首次对驻极体空气过滤材料的质量评价进行了探讨，就具体的指标进行了初步分析， 得到了主要评价指标一些定性的结论。检测了驻极体空气过滤材料与用浸渍法整理过的 驻极体空气过滤材料的透气性性能，实验结果表明：后者的透气性明显下降，说明了浸 渍法整理驻极体空气过滤材料对其阻力影响较大；检测了驻极体空气过滤材料的静电电 势，测试用滤材的局部静电势差别较大，滤材正反两面带电性相反，说明滤材的静电荷 分布不均匀：用电予扫描电镜对驻极体空气过滤材料的微观结构进行了分析，发现滤材 表面结构纤维分布较合理，纤维间空隙较大，有利于颗粒物的去除。 本文最后对功能性驻极体空气过滤材料的研究方向做了展望，提出了与纳米光催化 技术、负离子技术以及生物杀菌技术组合，开发具有净化室内污染物、去除有害气体以 及抑菌的功能性空气过滤材料。 关键词：驻极体、功能性空气过滤材料、抑菌、滤料质量评价 t h et h e o r ya n de x p e r i m e n to ft h es t a t i c f d t r a t i o no ft h em u l t i f u n c t i o n a le l e c t r e ta i r m t r a t i o nm a t e r i a l a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yo fc o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d ，i n d u s t r i a l p o l l u t i o ni s s e r i o u sd a yb yd a yg e n e r a l l y , m a k i n gi n d o o ra i rq u a l i t yw o r s e n ，a n dh a v i n g a l r e a d yi n f l u e n c e dp e o p l e sh e a l t ha n de x i s t e n c es e r i o u s l y t h em a i ns o u r c eo fi n f l u e n c i n g i n d o o ra i rq u a l i t yc a r lh a v es u c k i n gn a t u r ep a r t i c u l a t em a t t e r s ( s u c ha st h ed u s t ，s m o g ) ， h a r m f u lg a sa n db i o l o g i c a la e r o s o l ( s u c ha sb a c t e r i u m ，v i r u s ，m o u l d ，o r i g i n a ll i v i n g b e i n g s ，e t c ) ，e t c a ne f f e c t u a lm e t h o dt oi m p r o v ei n d o o ra i rq u a l i t yi s t of i l t e rt h ea i r , t h e o r d i n a r ya i rf i l t r a t i o nm a t e r i a lc a no n l yr e m o v et h ep a r t i c u l a t em a t t e rn o w , b u t c a n tr e m o v e h a r m f u lg a sa n db i o l o g i c a la e r o s o l ，e t c t oo r d i n a r ya i rf i l t r a t i o nw e a k n e s st h e s eo fm a t e r i a l ， w es t u d ya r e s t r a i n i n gf u n g u sa n dr e m o v i n gh a r m f u lg a st os t a yb o d ya i rf i l t r a t i o nm a t e r i a l v e r ym u c hf u n c t i o n t h r o u g hc o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n g ，s u i t a b l ef o ro u rc o u n t r ye c o n o m ya n de n g i n e e r i n g l e v e le l e c t r e ta i rf i l t e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo f m a t e r i a lv e r ym u c ha tp r e s e n t ：m e l ta n dg u s h o u tt h ec o r o n ad i s c h a r g i n gl a w t h i st e x ti n i t i a t i v ep u tf o r w a r df u n c t i o n a l i t ye l e c t r e ta i rf i l t r a t i o nt h e o r yo fm a t e r i a lv e r y m u c h ，f u n c t i o nt h a ti th a sp r e l i m i n a r yr e s e a r c h ( s u c ha sh i g h e f f i c i e n ta n dl o w - r e s i s t a n c e ， a n t i b a c t e r i a l ，r e m o v i n gt h eh a r m f u lg a s ，c o r r o s i o n r e s i s t a n t ，r e f u s i n gw a t e rt or e f u s i n gt h e o i l , b e i n ga b l et ob e a rw a r m t h ) a n dt e c h n o l o g yf u n c t i o n a lf s u c h a sm i xs p i n n i n gl a w t o g e t h e r , s t a t i cs p i n n i n gl a w , c o n n e c tb r a n c h e sl a w , a f t e r t r e a t m e n tl a w ，m e l t - s p r a yl a w ，e t c ；) w i t h d i s c u s s i o n ，s t a yb o d ya i rf i l t e rm a t e r i a lh a v eg o o dr e s t r a i n i n gt h ef u n g u sf u n c t i o nv e r ym u c h t h e o r e t i c a l l y , t h r o u g hi tb e i n gt ot or e s t r a i nf u n g u sm e a s u r e ，t h er e s u l th a sv e r i f i e dt h i s e s c h e r i c h i ac o l i ；a n a l y z e d ，s t a yb o d ya i rf i l t e rm a t e r i a lr e m o v e sf u n c t i o no f h a r m f u lg a sv e r y m u c ht h e o r e t i c a l l y ；f i l t e rf r o ma i rm a t e r i a l ，f i l t e rs t r u c t u r ea n dc l e a rg r a yd e v i c ep r o b ei n t o ， u s ef u r ，c o n t r o lt e x t i l em i l l ”c o a la s hy a r n ”s t a yb o d ya i rc l e a n e rv e r ym u c hs p e c i a l l y s e p a r a t e l y ；f o rt h ef i r s tt i m et os t a yb o d ya i rf i l t e rq u a l i t ye v a l u a t i o no fm a t e r i a lc a r r yo nt h e d i s c u s s i o nv e r ym u c h ，h a v ec a r r i e do ni n i t i a la n a l y s i so nc o n c r e t ei n d e x ，h a sr e c e i v e ds o m e q u a l i t a t i v ec o n c l u s i o n so fm a i ne v a l u a t i o ni n d e x m e a s u mt os t a yb o d ya i rf i l t r a t i o nm a t e r i a l v e r ym u c ha n dw i t hs o a kw h o ml a wp u ti no r d e rs t a yb o d ya i rf i l t e rg e t t i n gv e n t i l a t i v e p e r f o r m a n c eo fm a t e r i a lv e r ym u c h ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s ：g e t t i n gv e n t i l a t i v e o b v i o u sd e c l i n eo ft h el a t t e r , e x p l a i n ，s o a kl a wp u ti no r d e r ，s t a yt h eb o d ya i rf i l t r a t i o n m a t e r i a le x e r t sag r e a ti n f l u e n c eo ni t sr e s i s t a n c ev e r ym u c h ；a n dm e a s u r et os t a yb o d ya i r f i l t r a t i o ns t a t i ce l e c t r i cp o t e n t i a lo fm a t e r i a lv e r ym u c h ，t e s ts p e n ds t r a i ns o m es t a t i co f m a t e r i a lp o t e n t i a ld i f f e r e n c er e l a t i v e l yl o u d ，s t r a i nm a t e r i a lp o s i t i v ea n dn e g a t i v et w os i d e s e l e c t r i f i c a t i o no p p o s i t e ，e x p l a i n ，s t r a i ne l e c t r o s t a t i cc h a r g eo fm a t e r i a ld i s t r i b u t ee v e n l y ； s c a ne l e c t r i cm i r r o rt os t a yb o d ya i rf i l t e rm i c r os t r u c t u r eo fm a t e r i a la n a l y z ev e r ym u c h e l e c t r o n i c a l l y , f i n d ，s t r a i nm a t e r i a ls u r f a c es t r u c t u r a lf i b e rd i s t r i b u t er e l a t i v e l yr e a s o n a b l e ， f i b e rs p a c er e l a t i v e l yl o u d ，t h eo n e st h a th e l pt h ep a r t i c u l a t em a t t e ra r er e m o v e d t h i st e x ts t a yt of u n c t i o n a l i t ye l e c t r e ta i rf i l t e rr e s e a r c hd i r e c t i o no fm a t e r i a lm a k ea n dl o o k f o r w a r dt ov e r ym u c hf i n a l l y , p r o p o s e ，c a t a l y z et e c h n o l o g y ，a n i o nt e c h n o l o g ya n db i o l o g i c a l s t e r i l i z a t i o nt e c h n o l o g y ，p u r i f yi n d o o rp o l l u t a n t ，r e m o v eh a r m f u lg a sa n dr e s t r a i nf u n c t i o n a la i r f i l t r a t i o nm a t e r i a lo ff u n g u s w r i t t e nb yx i ex i a 巧a n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c tb yp r o f e s s o rh u a n g x i a n g a n da d j u n c tp r o f e s s o rd iy u h u i k e y w o r d s ：e l e c t r e t 、m u l t i f u n c t i o n a la i rf i l t r a t i o nm a t e r i a l 、a n t i b a c t e r i a l 、a i rf i l t r a t i o n m a t e r i a ie v a l u a t i o n 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 当前，随着世界各国经济的发展，工业污染总体上日益严重，使室内的空气品质恶 化，导致了建筑相关疾病( b u i l d i n g r e l a t e d i l l n e s s ，b r i ) 和病态建筑综合症( s i c k b u i l d i n g s v n d r o m e ，s b s ) 3 9 1 1 4 0 1 。影响室内空气品质的主要来源有可吸入性颗粒物( 如粉尘、烟 雾) 以及生物气溶胶( 如细菌、病毒、霉、原生物等) 等等。可吸入性颗粒物中空气动 力学当量直径小于1 0 um 的颗粒物，会造成呼吸道疾病、皮肤传染病。各种空气中的 颗粒物来源广泛，粉尘、细菌、毛发、头屑、壁虱、尘埃、烟雾及空气中的有害物质与 可吸入性颗粒物结合，构成危害极大的过敏源【4 ”。 生物气溶胶通常可以在室内和室外的环境中发现。室内细菌的浓度主要依赖于室外 的浓度、通风的类型、通风量、室内的湿度以及室内人员的活动。室内细菌的主要来源 是人体。生物气溶胶通常不会导致癌症，但会引起过敏反应或者感染。估计美国有1 5 的人受到空气中的过敏源的影响| 4 ”。自从2 0 0 1 年美国“9 1 1 ”事件以来，不断出现 恐怖主义分子的生化武器袭击，开启恐怖主义分子寄送的装有炭疽菌热孢子的信件后， 炭疽菌热孢子会随空调系统的回风扩散到建筑物的其他房间。使整个建筑物的工作人员 面临巨大的危险；2 0 0 3 年的非典型肺炎疫情造成许多人被感染，甚至死亡，引起非典 型肺炎的s a r s 冠状病毒的主要传播途径之一就是空气，这就使集中空调系统有可能直 接成为s a r s 病毒和细菌的主要渠道i l o 。由此可见，如何控制室内环境中的细菌及病毒， 以及在突发性事件下的细菌( 病毒) 袭击，成为人们生命健康的重要保证。 根据美国e p a ( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y ) 调查发现，室内空气污染物的浓 度要比室外高，甚至可以达到1 0 0 倍。人的一生中，大约有8 0 的时间在室内度过， 而过高的室内空气污染物浓度会极大地影响着人们的身体健康和工作生活【4 3 1 。根据香港 环保署的首份室内空气质量调查表明：香港办公室和公共场所的室内空气质量不佳，造 成了医疗费、生产力和电费的损失，每年高达1 7 6 亿元【4 4 1 。在我国，目前，由于工业污 染日益严重，再加上经济条件等问题，估计这项损失远远高于1 7 6 亿元。根据调查结果， 有7 0 以上的业内人士认为室内环境净化治理行业有非常好的发展前途，随着人们的 生活水平的逐步提高，健康意识的逐渐增强，同时国家对该行业的扶持、大力宣传，都 为该行业的发展提供了很好的机遇；在未来几年内，室内环境净化治理行业仍处于快速 成长期，预计将保持每年2 8 的复合增长率，2 0 0 8 年的销售额将达到2 7 8 亿元，如图 1 1 所示【4 8 。 绪论 3 0 0 恨 2 0 0 瞳 1 0 0 年份 图l 一1 未来几年内室内环境治理行业的市场份额 近年来，室内空气品质问题直是科研的热点。提高室内空气品质，去除空气污染 物的有效措施是使用空气过滤技术。而空气过滤技术的核心部分是空气过滤材料的研 究，普通的空气过滤材料只能去除空气中较大的颗粮物，同时高的过滤效率与低的空气 阻力一直得不到有效的解决，不能有效去除空气中的细菌、病毒、霉菌和花粉等生物气 溶胶。所以开发新型的高效低阻抗茼且具有去除室内v o c s 等功能的功能性空气过滤材 料是目前解决室内空气品质的关键之一。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 驻极体空气过滤材料是一种深层纤维过滤器，当纤维被永久性荷电后，纤维和粒子 之间有静电力作用，又由于纤维粗糙多孔，故其阻力低；一般情况下，驻极体空气过滤 器的过滤效率比传统纤维空气过滤器的耍高，尤其是当粒子直径小于1 ”m 时。驻极体 空气过滤器性能依赖的参数主要包括滤层的厚度、纤维间的平均距离和纤维荷电量。刚 生产出的洁净驻极体空气过滤材料的过滤效率高、阻力低l 3l 3 2 1 1 3 3 l “1 1 3 ”。驻极体空气过 滤器的性能特性随运行时间的长短而变化，随着粒子沉降在这种纤维上，这种过滤器的 过滤效率逐渐下降0 0 1 1 3 6 1 1 3 7 1 ，当过滤效率达到稳定状态时，存在最小的过滤效率p 。 p e t e rp rt s a i 比较了经过静电纺丝、电晕放电和摩擦起电制得的驻极体空气过滤材 料的优缺点，静电纺丝裂驻极体空气过滤材料的纤维较细，生产速度较慢，过滤效率较 高；电晕放电技术适用于纤维和织物的驻极；摩擦起电只适用于梳理丁艺，且需要两种 不同负电性的纤维 】9 1 。 rk r e s s m a r m 等人研究发现：将无机添加剂添加到驻极体材料r ，材料表面电荷密 度略微提高，但其原因尚不清楚i l 。m ，n i f u k u 等人用s i 0 2 和t j 0 2 颗粒添加到驻极体 空气过滤材料上，结果证实了rk r e s s m a r m 等人的研究结论l l “。k a n d o 等人用有机聚 合物添加到驻极无纺纤维上，同样的驻极无纺纤维表面电荷密度有一定程度的提高l ”1 。 2 1 绪论 b o z e n a 等人研究了高压电晕放电驻极丙纶织物的性能，研究表明：细而柔软卷曲 的纤维以及面密度较大的织物具有很好的驻极效果，其过滤效率和抗湿性能较好【1 8 。 b r o w n 等人研究发现驻极体空气过滤器的过滤效率随使用时间里下降的趋势，这是 因为纤维和粒子间的静电力作用下降，可能还取决于纤维上的电中性粒子的数目、荷电 的面积以及气溶胶与过滤材料问的相互化学作用；同时指出驻极体空气过滤材料上的沉 积粒子的特性，如粒子尺度和粒子构成也会引起滤材的过滤效率下降【2 0 】。 b r o w n 研究了驻极体空气过滤器的荷电方法：摩擦荷电法、电晕放电法和感应荷电 法，汽车的车厢中使用的驻极体空气过滤器用感应荷电法 2 “。 j i 等人用单分散性n a c i 粒子来测试研究洁净空气过滤材料的阻力与迎面风速之间 的关系，结果表明：阻力与迎面风速成线性增加1 2 2 】。 a g r a n o v s k i 等人研究发现：驻极体空气过滤材料的测试结果表明：浸润性和不可浸 润性粒子的过滤效率不一样，如果液态粒子是浸润性的，这种液滴经过驻极体空气过滤 材料时会在纤维上扩散，结果会产生一层覆在纤维上的薄膜【2 3 1 ，进一步研究发现，由于 纤维表面的电荷被薄膜中和，驻极体空气过滤材料的过滤效率随时间会迅速下降【2 4 】f 2 5 】。 w a j s h 等人研究认为：驻极体空气过滤器的使用寿命可通过该过滤器的阻力、过滤 效率与时间的关系来确定。粒子尺度分布和沉积粒子荷电量的多少是这种过滤器性能的 影响因素【2 。e n d o 等人也证实了这一点【2 7 j 。 o hv o n g w h a 等人模拟了驻极体空气过滤材料吸附亚微米粒子的机理，结果与驻极 体空气过滤材料对亚微米粒子具有高效、低阻的事实基本一致【2 8 1 。w i w u t 等人提出用 三维随机模型来模拟细微气溶胶粒子在驻极体圆柱型纤维上的凝聚沉降过程，与实验结 果相比，该模型预测粒子在驻极体纤维上的凝聚形态是比较实际的；同时提出了一个与 过滤效率相关的参数【2 吼。 k r u c i n s k a 研究了技术参数对驻极体针刺无纺布过滤效率的影响因素，这些技术参 数主要有：纤维线密度、针刺数目、针刺孔深度、无纺布单位面积质量以及表面状况【3 0 】。 1 2 2 国内研究现状 东北大学的谢兆晶等人在常温( 低于聚丙烯薄膜熔点的温度) 下，采用电晕充电法 制成了驻极聚丙烯薄膜，并对生产的驻极聚丙烯薄膜的影响因素及其相互关系做了研究 6 7 o 付建民等人采用热电晕充电法驻极聚丙烯证明是可行的，能在工业生产熔喷挤压法 织造成纤维过滤材料中制成驻极过滤材料【8 2 l 。 中匡i 农业科学研究院的蔡杰等人提出：理论上讲，驻极体也能产生离子，因此能降 解污染物。至今空调行业尚未在驻极体的杀菌和降解v o c s 上做文章【2 1 。 天津泰达股份有限公司的张伟力等人研究了丙纶熔喷非织造布驻极后的静电力作 用，可提高过滤效率2 0 3 0 ，是其它滤材无可比拟的3 1 。 东华大学的柯勤飞等人建立了熔喷非织造布( 经驻极) 过滤材料的结构模型，总结 1 绪论 出了被过滤微粒在滤材上的分布规律，确定在满足实际条件时的最优工艺参数h 1 。 湖南大学的殷平对驻极体空气过滤器在商场、手术室和医院等场所的实际应用情况 做了研究，结果表明：使用驻极体空气过滤器的效果明显优于其他空气过滤器p i 。 同济大学的夏钟福从材料性能角度出发，认为改性的聚丙烯聚碳酸酯p c 纤维和由 降冰片和乙烯单体经催化共聚形成的环烯共聚物c o c ( c y e l o d e f i nc o p o l y m e r ) 是优良 的驻极体空气过滤材料j 。 东华大学刘剐等人将驻极体空气过滤材料应用于分体空调机上，测试了过滤材料以 及在家用空调机上的实际效果，结果表明：这种空气过滤材料本身和在家用空调上都具 有效率高、阻力低、容尘量大，这种空调对室内可吸入性颗粒物的过滤效率达8 0 以 上【训。 天津工业大学的程博闯等人采用纳米陶瓷微粒作为添加剂，加入聚丙烯熔喷非织造 布中，并对该非织造布电晕放电，制成了一种新型的复合驻极体熔喷非织造布。通过对 其各项性能测试，结果表明：添加特种纳米陶瓷微粒能明显改善聚丙烯熔喷驻极体非织 造布的驻极效果及其过滤性能【8 】。随后又采用特种电气石微粒作为添加剂，加入聚丙烯 熔喷非织造布中，并对该非织造布电晕充电，制成了一种新型的复合驻极体熔喷非织造 布，对其各项性能测试，结果表明：这种复合驻极体熔喷非织造布的驻极效果得到改善， 透气性变大，含6 特种电气石微粒的熔喷非织造布的起始表面电荷密度最大、过滤阻 力有所下降、过滤效率有所增加，抗菌性能增强【9 】。 西安工程科技学院的黄翔等人研究了聚合物驻极体空气过滤材料( 器) 在暖通空调 中的应用【j 。 总后勤部军需装备研究所的唐世君等人对超微细纤维高效滤材“非典”防护口罩做 了研究，检测其对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌和白色念珠菌的抑菌率均达 9 5 以上i l ”。该研究所的张建春等人研制了驻极超微细纤维高效滤材s a r s 防护口罩， 检测结果表明：该滤材具有高效低阻，较高的病毒滤除率和较高的抑菌率【1 2 】。 崔黎丽等人研究了驻极体灭菌，结果表明：一5 0 0 一1 5 0 0 v 驻极体作用于金黄色 葡萄球菌2 4 小时后。对该菌有9 0 以上的杀灭率，灭菌效果随驻极体的表面电位升高 而增加【1 3 】。 1 3 课题的提出 驻极体空气过滤材料利用滤材上本身带电，通过充电纤维( 驻极体) 的库仑力实现 对颗粒物的捕获，具有高效、低阻等优点，是一种理想的空气过滤材料。如表1 1 所 示【6 j o 临床实验指出：驻极体空气过滤器能滤除的细菌浓度高达9 5 ( 如大肠杆菌、绿 脓杆菌、金黄色葡萄球菌、白色葡萄球菌、芽孢和霉菌等) ，并杀死4 0 的细菌，与此 同时，驻极体形成的强电场还对各类细菌具有明显的抑制其繁殖的功能【6 】。由于驻极体 4 1 绪论 空气过滤材料的这些优良性能，所以对这种滤材的研究较多，并在一定范围内得到应用。 表1 一l 驻极体空气过滤器与玻璃纤维空气过滤器的过滤性能对比 1 3 1 目前研究存在的主要问题 综合国内外的研究可知：驻极体空气过滤材料的研究正逐步走向深入和细化，国外 的研究已经远远走在国内的前列。但这些研究更多的是集中在驻极体空气过滤材料本身 的过滤性能( 过滤效率、阻力等及其相互影响的关系) ，不同材料用不同的静电驻极方 法制成的驻极体空气过滤材料的性能对比研究，以及驻极体空气过滤材料的过滤机理和 模拟研究。这些研究几乎没有考虑到驻极体空气过滤材料的使用环境问题( 温度、湿度 除外) ，缺少与其它室内污染治理技术的结合，使得驻极体空气过滤材料的深入研究受 到了限制；而国内的研究，最明显的问题是较少考虑目前我国的国情，使得这种滤材的 推广应用受到极大的限制。 1 3 2 课题的提出 针对目前研究存在的主要问题，为了更好地解决室内人员的健康问题，提高室内空 气品质，解决驻极体空气过滤材料在更广泛的环境中使用，我们提出了功能性驻极体空 气过滤材料的理论，初步探讨了与其它室内污染治理技术的结合；为了推广驻极体空气 过滤材料在我国的广泛应用，分析了适合于目前我国国情的驻极体空气过滤材料的生产 技术，提出了驻极体空气过滤材料的质量评价指标问题。 1 4 本课题的主要研究内容 本论文主要由以下四部分构成。 第一，分析了驻极体空气过滤材料的静电驻极理论，提出了适合目前我国国情的驻 极体空气过滤材料的静电驻极方法。 第二，研究了功能性驻极体空气过滤材料的理论，给出了它的定义，分析了它的性 能，研究了它的功能整理技术、抗菌机理和去除有害气体的机理，提出了将它应用于治 理“煤灰纱”和它的质量评价问题。 第三，对功能性驻极体空气过滤材料进行了抗菌测试、静电测试、透气性测试及其 表面结构的扫描电镜测试。 第四，对功能性驻极体空气过滤材料的研究方向做了展望。 2 驻极体空气过滤材料的静电驻极理论 2 驻极体空气过滤材料的静电驻极理论 2 1 驻极体空气过滤材料的极化理论 驻极体根据所带的电荷性质不同，可以分为静电型驻极体、极性驻极体和非极性驻 极体。静电型驻极体中的电荷主要是被介质表面或内部的各种陷阱捕获的带电粒子( 如 电子、离子等) ，称为驻极体的捕获电荷，捕获电荷有三个来源：一是电荷从介质外面 经施加的电场推斥，沉积到介质表面或注入到介质表层的一定深度，被那里的陷阱捕获： 二是介质内部的杂质粒子在极化电场的作用下，作宏观位移，移至异号电极附件的介质 层内，被那里的陷阱捕获；三是有些电介质特别是高聚物其内部结构是不均匀的，有结 晶区和非结晶区的不同结构交错在一起。结晶区通常是一些微小的晶粒，当极化电流通 过介质时，在晶粒的两个面端将聚集相反的电荷f 4 ”，如图2 一l 所示。 结晶区 非结晶区 电源 + 图2 1 静电型驻极体的极化 极性驻极体中的电荷是通过冻结取向偶极子而形成的。在没有外电场时，固体电介 质中的分子偶极子的指向是各向均等的，就整个电介质而言呈中性，当介质处于电场中 时，每个分子偶极子转向电场方向，介质表面就呈现出带电特性，这种电荷是被束缚在 所属的分子之内，不能脱离分子转移到其他部位，故称为束缚电荷，通过一定的手段( 如 升温极化后降温) 将这种有序取向冻结，再撤去外加电场就形成了驻极体【4 s 1 ，如图2 2 所示。 ze 极化前 图2 2 极性驻极体的极化 6 极化后 2 驻极体空气过滤材料的静电驻极理论 非极性驻极体材料的分子的正、负电荷重心重合，分子的电偶极矩为零。在外加电 场作用下，分子内的正负电荷重心不在重合，分子存在电偶极矩，分子被极化，当撤去 外电场后，分子的电偶极矩不为零，就形成了驻极体。如图2 3 所示 矧。 图2 3 非极性驻极体的极化 目前的驻极体空气过滤材料主要是聚丙烯等有机高聚物，聚丙烯为非极性电介质。 2 2 驻极体空气过滤材料的电场、电场力和电流 2 2 1 驻极体空气过滤材料的电场 驻极体空气过滤材料的电场与其表面某点的电势、电介质的电容率、面电荷密度有 关。从理论上讲，驻极体空气过滤材料的电场强度越大越有利于颗粒物的去除。另外， 驻极体空气过滤材料的强静电场能刺激细菌，使蛋白质和核酸变质，损伤细菌的细胞质 及细胞膜，破坏了细菌的表面结构，导致细菌死亡。与此同时，驻极体形成的强电场还 对各类细菌具有明显的抑制其繁殖的功能。 2 2 2 驻极体空气过滤材料的电场力 这里所说的驻极体空气过滤材料的电场力是指驻极体空气过滤材料与颗粒物之间 的静电作用力。粒子和捕集体间的静电力作用主要有2 种：库仑力( 指带电粒子与带电 圆柱体之间的作用力) 、象力( 感应力，指带电圆柱体感应中性粒子及与其之间形成的 作用力) 【5 ”，目前，对驻极体空气过滤材料的单一静电作用力研究较多，对滤材过滤室 外大气中的颗粒物的静电作用力研究不够，究其原因，这些颗粒物中的粒子带电情况复 杂，且随机性较大，无法准确描述。基于上面的原因，驻极体空气过滤材料的静电作用 力理论有待于进一步研究。 2 2 3 驻极体空气过滤材料的电流 驻极体空气过滤材料所带的电荷随时间变化会产生电流。一般地说，驻极体的电流 包含传导电流和位移电流两个分量，前者表示通过电介质给定截面的电荷的实际运动， 而后者则包含感应效应，两类电流都受载流子迁移率的控制。驻极体空气过滤材料的表 2 驻极体空气过滤材料的静电驻极理论 面层电流的存在是导致其面电荷衰减的原因【4 7 1 。 驻极体空气过滤材料的电流能刺激细菌使蛋白质和核酸变异，损伤细菌的细胞质和 细胞膜，导致细菌的死亡。 2 3 驻极体空气过滤材料的静电驻极方法 目前，全球的环境日益恶化，与人类息息相关的空气环境更是如此，已经严重地危 及到人类的健康。与此同时。现代高科技的某些关键部分对环境的净化要求极高。因此， 现代社会需要具有高效、低阻等优点的空气过滤器。传统的空气过滤材料不是过滤性能 不理想，就是价格( 成本) 太贵。而驻极体空气过滤材料具有众多优点，其发展十分迅 速，在2 0 世纪9 0 年代已实现了产业化。而我国的驻极体空气过滤材料的理论研究相对 于应用滞后，这就使得驻极体空气过滤材料在我国的发展还很不成熟。本研究根据对不 同静电驻极方法制造的驻极体空气过滤材料的性能比较，结合目前我国的经济和技术水 平，分析了这些方法的优缺点。 2 3 1 空气过滤材料静电驻极机理的对比与分析 自从2 0 世纪7 0 年代以来，各种荷电技术以及通过混合不同纤维的带电技术等各具 特色的带静电过滤器得到了开发和利用【1 0 】。其直接的结果是导致了现在的静电驻极方法 ( 工艺) 。这些方法( 工艺) 的静电驻极机理等内容见表2 1 所示。 表2 1 静电驻极机理及特性 由表2 一l 可见，驻极体空气过滤材料的静电驻极方法中，热极化法易受温湿度影 响，限s l i t 其广泛应用；静电纺丝法和低能电子束轰击法由于它们的静电驻极机理较复 8 2 驻极体空气过滤材料的静电驻极理论 杂，就目前的技术水平而言，要达到广泛应用困难还很大；就其静电驻极机理及特性而 言，电晕放电法和摩擦起电法由于自身的特性仍然是当前研究的重点，而前者的应用更 广泛。 2 3 2 空气过滤材料静电驻极体性质的对比与分析 由于材料的静电驻极方法( 工艺) 不同，所形成的驻极体的性质亦大不相同。具体 情况见表2 2 。 驻极体空气过滤材料要求材料的储存电荷密度大，其电荷密度的储存寿命长及储存 电荷稳定性强等等。而储存电荷的稳定性主要取决于材料性质、充电方法、电荷分布状 态、储存的环境条件等。根据上述要求，就静电驻极体的性质而言，从表2 2 中可得， 电晕放电法是目前最佳的静电驻极方法：热极化法在环境相对稳定时也是一种较好的静 电驻极方法：摩擦起电法要在试验中进一步完善；静电纺丝法需要科学技术的进一步发 展；低能电子束轰击法需要改进和简化静电驻极的工艺。 近年来，报道了直流增加频率的低脉冲电晕充电比直流电晕充电或仅有脉冲电晕充 电能获得更大的表面电荷密度 1 6 o 这也许就意味着这种电晕充电的空气过滤材料的过滤 效率更高，但是相关理论和实践有待于进一步完善。 2 3 3 驻极体空气过滤材料的性能对比与分析 驻极体用作过滤材料，最初在1 9 7 6 年由于j v a nt u m h o u t 等人将切割成小条状的 聚丙烯薄膜制成，将这种带电小条加工折皱状态形成驻极体纤维。随后，各种荷电技术 以及通过混合不同纤维带电技术等各具特色的带静电过滤器得到了开发和利用 4 5 】。与此 同时，驻极体空气过滤材料也获得了进一步的发展。尤其是2 0 0 1 年美国“9 1 1 ”事件 以后，采用集中空调系统的建筑物不断面临安全性的考验，其中包括恐怖主义分子的生 化武器袭击；2 0 0 3 年的“非典”疫情给全世界造成巨大损失和影响。引起“非典”的 s a r s 冠状病毒的主要传播途径之一就是空气，这就使集中空调系统有可能直接成为 s a r s 病毒和细菌的主要渠道。因此，“致病建筑物”又一次引起人们的普遍关注。集 中空调系统再一次面临严峻的挑战【1 0 】。这又迫切需要空气净化材料的更进一步发展，而 驻极体空气过滤材料具有高效、低阻、抗菌( 病毒) 、节能等优点，故它是适应这一发 展的迫切需要。 由于驻极体空气过滤材料的静电驻极工艺大多数属于技术保密，目前所见的其具体 内容报道不详或根本无报道。就常见的驻极体空气过滤材料的性能列于表2 3 。 从表2 3 中可以看出，在聚丙烯纤维电晕放电的三种静电驻极工艺中，熔喷聚丙 烯电晕放电的过滤效率最好，就是压降较大；而聚丙烯和聚丙烯腈混合物摩擦起电的两 种静电驻极工艺中，一般摩擦起电的过滤效率较针刺摩擦起电的过滤效率要好；聚环氧 9 2 驻极体空气过滤材料的静电驻极理论 乙烷的静电纺丝( 未充电) 过滤效率极高，如果对其充电，其过滤效率可能会更理想。 表2 - - 2静电驻极体的性质i l o 【i 4 j h 7 1 在同一标准定量( 1 0 9 m 2 ) 下的过滤效率比较可知，聚环氧乙烷静电纺丝( 未充电) 的 过滤效率最高，但生产速度慢，难以在短时间内大规模生产和推广应用，聚丙烯熔喷电 晕放电的过滤效率次之，但实际应用比较多，聚丙烯和聚丙烯腈的针刺摩擦起屯的过滤 l o 2 驻极体空气过滤材料的静电驻极理论 效率最差，且实际应用一般。 表2 - - 3 驻极体空气过滤材料的性能【1 4 j 【1 9 j 在同一标准定量( 1 0 9 m 2 ) 下的过滤效率比较可知，聚环氧乙烷静电纺丝( 未充电) 的 过滤效率最高，但生产速度慢，难以在短时间内大规模生产和推广应用，聚丙烯熔喷电 晕放电的过滤效率次之，但实际应用比较多，聚丙烯和聚丙烯腈的针刺摩擦起电的过滤 效率最差，且实际应用一般。 另外，有报道：驻极体空气过滤材料还有聚碳酸酯和聚氨酯，它们在静电纺丝过程 中保匿电荷，其初始过滤效率都很高，但容尘后其过滤效率会下降“”。 2 3 4 静电驻极材料的选择 近年来。高分子化学纤维生产技术的发展使得用驻极体纤维能生产出h e p a 及u l p a 过滤器h 卯。用作驻极体空气过滤器的材料需要优异的介电性能，如高体电阻和表面电 阻，高介电击穿强度，低吸湿性和透气率等。这类材料主要以高聚物为主的有机驻极体 材料，如非极性材料：聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟乙烯聚四氟乙烯共聚物等；极性材 料或弱极性材料：聚三氟乙烯、聚丙烯( 共混) 及聚酯等“”。 超细纤维和卷曲( 羊毛状) 纤维作为新结构的驻极体空气过滤材料能大大地改善集 尘效率，其平均过滤效率比传统结构的驻极体纤维从9 3 上升至9 9 ( 精细纤维) ，和 从9 3 上升至9 9 ，4 ( 卷曲纤维) ；与此同时，卷曲纤维的使用还大大地改善了滤材的 容尘能力，即从0 4 8 9 自4 gn 龆到0 8 3 9 * gt 滤# ( 卷曲纤维) 和从0 4 8 到0 5 1 ( 精 细纤维) 。这些改善可能源于纤维间空间电荷随机分布率的上升，导致容尘场所和过滤 机构更加完善：另外，精细驻极体纤维所形成的新结构空气过滤器性能的改善是因为滤 材空间结构上表现出较大的容尘空间和较强的电场散度。改性的聚丙烯和聚碳酸酯p c 纤维的研制成功为高效长寿命和低成本驻极体过滤器的商品化提供了较完善的驻极体 储电结构。 近年来报道，由降冰片和乙烯单体经催化共聚形成的环烯共聚物c o c ( c y c l o o l e f i n 1 1 2 驻极体空气过滤材料的静电驻极理论 c o p o p l y m e r ) 是一种典型的非极性的完全非晶态驻极体材料，由于其优异的力学特性及 突出的储电能力和疏水特性，如用作驻极体空气过滤器的高效滤材，则明显地优于上述 的传统驻极体纤维滤材聚丙烯，可能成为新一代驻极体过滤纤维1 6 j 。 经过以上对比与分析，可以得出：目前既能很好地满足空气过滤要求又符合我国经 济技术水平的驻极方法( 工艺) 是熔喷电晕放电法。静电驻极材料的选择主要是具有优 异的介电性能，目前最适用的材料是聚丙烯及其和其它高聚物形成的混合物，但由降冰 片和乙烯单体经催化共聚形成的环烯共聚物c o c ( c y c l o o e f i nc o p o l y m e r ) 可能成为新 一代驻极体空气过滤材料。 3 功能性驻极体空气过滤材料的理论 3 功能性驻极体空气过滤材料的理论 3 1 功能性驻极体空气过滤材料的理论 3 1 1 功能性驻极体空气过滤材料的定义 a 功能性空气过滤材料的定义功能性空气过滤材料是指具有某些特殊的、不同于 一般的空气过滤材料所固有的性能，能满足特定行业、领域对空气过滤材料特殊功能需 求的滤材h 6 【4 8 1 。功能性空气过滤材料是针对特定行业，如耐高温、耐腐蚀、抗静电、 拒水、拒油、阻燃、抗茵( 病毒) 、去除有害气体等等而开发的空气过滤材料，根据实 际使用的不同需求，功能性空气过滤材料的功能能够复合，是近年来兴起的空气过滤材 料研究领域的一个热点。 b 助能性驻极体空气过滤材料的定义功能性驻极体空气过滤材料是指具有高的 过滤效率、低的阻力、抗菌( 病毒) 等，并结合功能整理技术强化其功能以及使之具有 耐高温、耐腐蚀、拒水、拒油、阻燃、去除有害气体等功能的一种新型驻极体空气过滤 材料。 3 1 2 功能性驻极体空气过滤材料的性畿 a 高效低阻传统的机械型空气过滤材料仅仅依赖