熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料对不同气溶胶的过滤性能研究

熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料对不同气溶胶的过滤性能研究

1非驻极体空气过滤材料众所周知，低粘度和高可接近的空气过滤材料具有特殊的静电作用，表现出低流动强度和高效率的优点，尤其是对0.05.3m大小的颗粒有很强的捕获能力。熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料的另一个特点是其最易透过粒径(mostpenetratingparticlesize,MPPS)与传统的非驻极体空气过滤材料不同。根据传统过滤机理,非驻极体空气过滤材料的MPPS值大约在0.3μm左右,但Eninger为了更全面了解气溶胶性质对驻极体空气过滤材料过滤性能的影响,本文以熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料为研究对象,测定了其暴露在离子型气溶胶(KCl)和极性非离子型气溶胶DEHS(diethylhexylsebacate,二乙基己醇癸二酸酯)两种不同气溶胶气氛下的过滤特性,比较了气溶胶粒子粒径、荷电特性及流动速率对过滤性能的影响规律,分析了惯性效应、扩散效应和静电效应对气溶胶捕获能力的贡献,并据此进一步推断出不同性质气溶胶的过滤机理。2气溶胶及浓度测量本文所用熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料来自浙江朝晖过滤技术股份有限公司。驻极态的获得采用线对面电晕充电的方法。过滤效率测试在自行设计的试验台上进行,其流程如图1所示。该试验台针对不同性质的气溶胶采用不同的气溶胶发生器,并采用相同的空气稀释器。气溶胶的荷电特性采用Kr-85型静电中和器控制(Model3054,TSIInc.,USA)。离子型气溶胶粒径分布采用撞击器控制。气溶胶流动速率通过变频器控制抽风机风量进而控制管道中气溶胶流量的大小来实现。除非特别指出,气溶胶流动速率为5.3cm/s,粒径分布测量采用WPS宽范围颗粒粒径谱仪(1000XP,MSPCorp.,USA),测量的气溶胶粒径范围为10~1000nm。气溶胶浓度采用激光粒子计数器测量。当实验气溶胶上下游浓度分别为C3结果和讨论3.1过滤性能与比为了研究熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料对不同性质气溶胶粒子的捕获特性,测定了气溶胶为DEHS和KCl时不同单位质量的样品(20、40和60g/m由图2和3可见,对两种气溶胶其过滤效率变化趋势相同,即随着样品单位质量的增加,过滤效率增加;随着粒径的增大,过滤效率上升。但通过比较图2和3还可以看出如下两点明显的差异:(1)过滤性能不同。单位质量20g/m为了进一步考察上述两种不同性质实验气溶胶对过滤性能的影响,测试了单位质量40g/m3.2实验气溶胶中和器的作用为了考察实验气溶胶荷电特性对过滤效率测定结果的影响,表1列出了KCl和DEHS用作实验气溶胶时,加中和器和不加中和器时过滤效率的差异。众所周知,气溶胶粒子在产生过程中会随机带有不同的电荷,引起气溶胶颗粒的团聚,难以获得具有一定粒径分布的实验气溶胶。气溶胶中和器的作用是利用放射源所产生的β粒子与气溶胶中带电粒子发生碰撞,使气溶胶粒子粒径符合波兹曼分布。结果表明,KCl用作实验气溶胶时,不加中和器时的过滤效率大于加中和器,而DEHS用作实验气溶胶时,结果则刚好相反。显然,这一结果与KCl和DEHS的荷电特性有关。前已指出,KCl粒子是离子型化合物,不加中和器时,离子间的相互作用易使离子聚集,大粒径颗粒浓度高;加了中和器后小粒径粒子浓度增加进而使过滤效率测定值降低。DEHS是极性非离子型化合物,在中和器的作用下,气溶胶粒子荷电量增加,与驻极体静电场之间的库仑相互作用增强,更易被驻极体空气过滤材料捕获,因而加中和器时的过滤效率大于不加中和器。3.3采用极体激励法对过滤性能的影响为了论证熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料驻极体电场对过滤行为的影响,测试了相同熔喷工艺条件下生产的单位质量为20g/m3.4气溶胶粒子流动速率气溶胶DEHS在不同流动速率(5.3、10及15cm/s)下熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料的过滤效率与粒子粒径的关系如图4所示。从图4可以看出,随着流动速率的增加,过滤效率下降。流动速率为5.3cm/s时,过滤效率最高,10cm/s次之,而流动速率为15cm/s时过滤效率最低。其原因与气溶胶粒子在空气过滤材料中的滞留时间有关。流动速率越慢,滞留时间越长,粒子就有更多的机会撞击纤维,因此过滤效率就更高。由图4还可看出,不管流动速率是快还是慢,最易透过粒径(MPPS)值都在0.08μm附近,小于经典过滤理论0.3μm,而且流动速率越快,MPPS现象越明显。在经典单纤维过滤理论中,最易透过粒径现象的产生是由于小粒径粒子的扩散效应引起的3.5dehs和kcl气溶胶的相互作用众所周知,气溶胶的过滤机理有惯性效应、扩散效应、重力效应、拦截效应和静电效应等。重力效应、拦截效应主要针对大粒径气溶胶,本文所涉及的粒子粒径<0.5μm,重力和拦截效应可忽略,因此,过滤效率可表示为:其中,f将图5与2所示的DEHS为实验气溶胶时粒径与过滤效率的关系进行比较可看出,两者的变化趋势相似。随着气溶胶粒子粒径的减小,过滤效率降低,并出现MPPS现象。主要差别在于MPPS值不同,图5在0.3μm附近,而图2在0.08μm处。前面分析已经指出,MPPS值的减小是由于静电效应所致。当实验气溶胶为DEHS时,过滤机理中惯性效应、扩散效应和静电效应同时存在,以惯性效应、扩散效应为主,而静电效应则起辅助作用。图3的实验气溶胶为KCl,在粒径测试范围内未出现MPPS现象,而且大粒径和小粒径的过滤效率变化不大,这说明此时过滤机理中静电效应大于惯性效应和扩散效应,静电效应成为主要的过滤机理。DEHS和KCl气溶胶之间的这种差别,可从两者性质的不同得到解释。KCl是离子型化合物,其气溶胶粒子可用如图6所示的胶团结构来描述。由图6可见,无论粒子大小如何,气溶胶粒子都是荷电的。因此,气溶胶与驻极体纤维之间始终存在着强烈的静电相互作用,因此过滤机理以静电效应为主。而DEHS是极性非离子型化合物,溶胶分子团聚成溶胶粒子时,由于分子间的库仑作用,溶胶粒子通常是电中性的。当与驻极体空气过滤材料接触时,在驻极体静电场的作用下,溶胶粒子因极化而带电。粒子随粒径的减小表面能增加,就更容易荷电。因此,驻极体过滤材料对DEHS小粒径颗粒的过滤效率其提高幅度大于大粒径,其过滤机理中惯性效应、扩散效应和静电效应同时存在。4驻极体空气过滤材料过滤机理熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料对不同气溶胶粒子捕获能力差别较大,对离子型气溶胶KCl的捕获能力明显优于极性非离子型气溶胶DEHS。其原因与驻极体空气过滤材料所具有的特殊过滤机理有关。KCl用作实验气溶胶时,过滤机理以静电效应为主