空气过滤用高容尘膨体聚乙烯复合材料的制备及性能研究

空气过滤用高容尘膨体聚乙烯复合材料的制备及性能研究

近年来，污染形势日趋严峻。其中包括pm。洁净室具有维持所设定的洁净度、温湿度及压力等的特性，是适应实验研究与产品加工的精密化、微型化、高纯度、高质量和高可靠性等方面要求而诞生的一种环境控制技术，在与空气洁净程度息息相关的医疗卫生、精细化工、高精密电子设备、食品无菌包装等领域得到了广泛的应用现有的高效超高效过滤材料基本可分为超细玻璃纤维滤料和膨体聚四氟乙烯(ePTFE)薄膜滤料，其中超细玻璃纤维滤料在洁净室用高效过滤器中占据主导地位。超细玻璃纤维滤料具有致密的纤网结构、孔径小、对颗粒污染物的截留性能优异、容尘量大等优势，但也存在过滤阻力大、强度低、韧性差、纤维易脱落、废弃物难处理及气态硼污染等固有缺陷，尤其是使用过程中存在的硼污染问题使其在电子工业的应用受到极大限制，极大地阻碍了其在洁净室领域的进一步拓展应用。相比于传统的超细玻璃纤维滤料，ePTFE膜具有孔径分布窄、孔隙率高、高效低阻、耐化学腐蚀、耐高低温、高强度、耐弯折、重复使用性好、使用寿命长等特性但是，ePTFE膜与玻璃纤维材料相比，存在容尘量相对较低的缺点1实验部分1.1pp熔喷材料的标记ePTFE膜材料:高效级，支撑层为聚酯(PET)材料，标记为1-1，上海亿泰过滤材料有限公司。玻璃纤维滤纸材料:高效级，标记为1-2，南京玻璃纤维研究设计院。上述原材料的性能参数如表1所示。PP熔喷材料(即容尘层):4组不同厚度(分别为0.15、0.21、0.31、0.45mm)的PP熔喷材料，分别标记为A-2-1、A-2-2、A-2-3、A-2-4;5组不同纤维直径(分别为1.462、2.297、2.875、3.611、5.552μm)的PP熔喷材料，分别标记为B-3-1、B-3-2、B-3-3、B-3-4、B-3-5;浙江金海环境技术股份有限公司。驻极PP熔喷材料:对上述5组不同纤维直径的PP熔喷材料进行驻极处理，分别标记为:C-4-1、C-4-2、C-4-3、C-4-4、C-4-5，浙江金海环境技术股份有限公司。1.2由聚吡咯制备将PP熔喷材料和对应驻极材料与ePTFE膜材料分别复合(采用热熔胶纤维复合工艺，并控制热熔胶用量为2g/m1.3纤维直径测试采用YG141LA型数字式织物厚度仪(宁波纺织仪器厂)测试样品厚度，压脚大小为2000mm采用JM-A3002型电子天平(余姚纪铭称重校验设备有限公司)称量面积为100cm采用S-4800型场发射扫描电子显微镜(日本日立公司)观察样品的表面形貌。运用image-Pro-Plus软件对样品的SEM照片进行纤维直径测量，每种样品随机测试100根纤维，并取平均值。采用LM2626型过滤效率及阻力检测仪(嘉兴隆曼测控技术有限公司)，测试样品的过滤效率、过滤阻力和容尘量。测试中NaCl气溶胶颗粒直径中值为0.3μm，测试风速为32L/min，测试面积为100cm2结果与讨论2.1过滤阻力和容尘曲线实验所用原材料核心结构、性能参数如表2所示。可看出:玻璃纤维滤纸和ePTFE膜的过滤效率在同一等级，但玻璃纤维滤纸的过滤阻力达到276.53Pa,ePTFE膜的过滤阻力仅146.98Pa,ePTFE膜具有更低的过滤阻力;PP熔喷材料随着厚度的增加，材料的过滤阻力和过滤效率均呈线性增大的趋势;随着纤维直径的增加，材料的过滤阻力和过滤效率均呈反比例下降的趋势;驻极处理后材料的厚度略有减小，过滤阻力变化不大，但过滤效率得到显著提升。ePTFE膜和玻璃纤维滤纸的容尘曲线如图2所示。容尘前后ePTFE膜和玻璃纤维滤纸表面扫描电镜(SEM)照片如图3所示。从图2中可看出，玻璃纤维滤纸的容尘量达到3.56g/m2.2容尘层过滤效率随容尘量的变化特性不同容尘层厚度复合材料容尘阻力增长速率曲线如图4所示。可看出，随着容尘层厚度的增加，相同容尘量下阻力增长速率降低;在一定范围内，随着容尘量的增加，ePTFE膜和复合材料的阻力增长速率均呈逐渐降低的趋势;样品A-2-3和A-2-4在容尘后期均出现阻力增长速率升高的趋势。由于PP熔喷材料具有一定的过滤效率，能过滤部分粒径较小的NaCl颗粒，从而使得复合材料过滤阻力增长率低于ePTFE膜，并且随着容尘层过滤效率的增大，这种趋势更加明显;容尘初期，PP熔喷材料的过滤效率低，更多的NaCl颗粒被ePTFE膜表面过滤，过滤阻力增长趋势与ePTFE膜类似;随着容尘量的增加，容尘层过滤效率不断升高，容尘层对NaCl颗粒的过滤逐渐占据主导地位，使得过滤阻力增长趋势与纤维过滤材料类似，且随着容尘层厚度的增大，拐点出现的更早。不同容尘层厚度复合材料容尘量比较如图5所示。可看出，复合材料的容尘量随着容尘层厚度的增大呈近似线性增长的趋势，容尘层厚度为0.45mm时，复合材料的容尘量达到6.37g/m样品A-2-1和A-2-4容尘后ePTFE膜和容尘层表面SEM照片如图6所示。可看出，容尘后样品A-2-1和A-2-4的ePTFE膜和容尘层均分布有NaCl颗粒，说明对不同厚度的熔喷材料与ePTFE膜复合材料而言，表面过滤与深层过滤的机制并存;同时，容尘后A-2-4的ePTFE膜表面NaCl颗粒较A-2-1明显减少，表明A-2-4的熔喷容尘层相比A-2-1而言承担了更多的过滤NaCl颗粒的功能。结合表2中2-1及2-4的纤维直径及面密度数据可知，在同等纤维直径的前提下，随着厚度的增加，起到过滤功能的纤维数量必然会增加，增加了NaCl颗粒与纤维发生碰撞捕获的概率，与容尘后A-2-4的ePTFE膜表面NaCl颗粒较A-2-1减少的现象一致。2.3容尘层材料容尘量的影响不同纤维直径复合材料容尘阻力增长速率曲线如图7所示。可看出，纤维直径较粗的B-3-4和B-3-5复合材料的阻力增长速率均有逐渐降低的趋势，而纤维直径较细的B-3-1、B-3-2和B-3-3复合材料的阻力增长速率有先降低后升高的趋势，并且速率开始升高时复合材料的容尘量均在4.0g/m不同纤维直径复合材料容尘量对比图如图8所示。从图中可看出，随着纤维直径的增大，复合材料的容尘量呈逐渐下降的趋势;容尘层纤维直径为1.462μm时，复合材料的容尘量达到7.96g/m容尘后ePTFE膜表面和容尘层迎风、背风表面SEM照片如图9所示。从图中可看出，样品B-3-1的容尘层迎风面拦截了大量的NaCl颗粒，而ePTFE膜表面及容尘层背风面仅有少量NaCl颗粒;样品B-3-5容尘层纤维只拦截了少量粒径较小的NaCl颗粒，而ePTFE膜表面则相对有较多的NaCl颗粒被拦截。因为纤维直径较细时，单位空间内纤维的比表面积较大，NaCl颗粒在气流流动过程中会增加与纤维发生碰撞、拦截的概率，因此拦截了更多的NaCl颗粒，相应的复合材料的容尘量增加;而当纤维直径较大时，单位空间内纤维的比表面积较小，NaCl颗粒在气流流动过程中与纤维发生碰撞、拦截的概率会降低，从而有相对较多的NaCl颗粒被拦截在ePTFE膜表面，导致阻力增长速率增加，这一结果与图7所显示的数据及图9所示的表面形貌相一致。2.4容尘层驻极过滤效率与nacl颗粒的关系驻极处理前后复合材料的容尘量对比如图10所示。可看出，随着容尘层纤维直径的增大，驻极后复合材料的容尘量呈先上升后下降的趋势，纤维直径为3.611μm时，复合材料的容尘量达到最大的6.40g/m容尘后ePTFE膜表面和容尘层迎风/背风表面SEM照片如图11所示。从图11(e)与图9(e)相对比可看出，容尘层迎风面的NaCl颗粒明显较驻极前增多，而ePTFE膜表面及容尘层背风面的NaCl颗粒相对较少;同时，样品C-4-1与C-4-5相对比，C-4-1的背风面几乎没有NaCl颗粒，而样品C-4-5的背风面仍然分布有一定的颗粒，这是由于较细直径的纤维经驻极处理后，其过滤效率明显较大，这与表2中所示驻极后纤维效率数据相一致。对于样品C-4-1，由于其容尘层过滤效率达到99.998%,NaCl颗粒在静电作用下被容尘层上表面纤维所过滤，更容易形成滤饼层，更早进入表面过滤阶段，反而造成驻极处理后复合材料的容尘量降低。随着纤维直径的增大，容尘层过滤效率降低，深层过滤时间延长，容尘量相应增加。对于样品C-4-5，由于容尘层纤维直径大，孔径大，过滤效率相对较低，使得相对较多的NaCl颗粒被ePTFE膜所过滤，阻力增长速率较大，从而复合材料的容尘量较其他驻极复合材料有所降低。3容尘层纤维直径对复合材料容尘量的影响1)随着容尘层厚度的增加，复合材料的容尘量呈线性增加，容尘层厚度为0.45mm时，复合材料的容尘量达到6.37g/m2)随着容尘层纤维直径的减小，复合材料的容尘量呈反比例增加，容尘层纤维直径为1.462μm时，复合材料的容尘量达到7.96g/m3)经驻极处理前后，不同纤维直径复合材料容尘量存在一平衡点。直径大于