呼吸道防护基础理论及非织造布的生产技术

呼吸道防护基础理论及非织造布的生产技术

1从日常活动到污染活动的污染从古代到今天，污染严重影响了人类的健康，伴随着人类文明的进程。现在污染来自我们的日常活动。很多个世纪以来,矿工都使用特殊的服装来覆盖他们的鼻子和嘴以保护他们的呼吸道系统人们对于使用纺织品来进行呼吸道保护的过滤机理也从一开始的模糊不清逐渐形成了科学系统的解释,其中阿尔布雷其特2分散介质过滤“过滤”可以被形容为颗粒在开孔物质中以分散的方式进行沉积的过程,被过滤的物质可以是固体或液体,分散介质可以是气体(大多数是空气)或液体。在需要进行呼吸道防护的情况下,我们面临的最为主要的问题是凝胶过滤,主要是由于在这种过滤情况下固体物质或液体颗粒会分散至空气中去。在过滤过程中所使用的过滤介质的结构可以分为纤维束状、颗粒状和毛细管状,以下章节所考虑的因素都与过滤材料的结构有关。2.1关于流场的定义过滤理论可以通过将一个圆柱体垂直位于一股凝胶流中进行阐释,我们通过这种方法可以确定不同尺寸颗粒在圆柱体上的过滤效果,其中确定圆柱体周围的速度场是一个关键点。我们通常采用流体函数Ψ来描述二维状态下稳定流体的行为。根据1993年布朗(Brown)的定义,流体函数Ψ的值可以在流体上取任意两点被定义,或者取当Ψ=0时的任意另一点进行定义。将Ψ取常数值时的两点结合起来,我们便可以获得一条流线体,且无横向的流体与其交织交错。从一条流线体的描述中,我们可以知道流体的形状、流体的方向以及流体的速度。如果两股流线体非常靠近则意味着流体速度很快,如图1所示。流场中任意一点的速度向量都与这一点的流线体相切。流体速度与流线体函数可以在如下苗卡尔坐标系中表示:实验表明纤维附件的流线体的形状取决于雷诺值(Reynold’snumber)对公式(2)进行分析后我们可以看出雷诺值取决于流体的性质、过滤材料的结构,主要受障碍物直径的影响。一些雷诺值的计算案例罗列详见表1,其中空气的密度设定为大约1.20kg/m针对不同的过滤结构,文献中通常会出现不同的公式以定义流线函数Ψ1959年,卡瓦巴(Kuwabara)也对那维尔·斯多克斯(Navier-Stokes)公式进行了修正以求解流体流过一排平行排列的圆柱体时所具有的边界条件。2.2单纤维过滤机理单纤维是过滤用纤维束材料的基础单元,在呼吸道防护中我们通常将纤维束叠层排列制成最终产品。基于这个原因,对过滤机理的解释应该从对单纤维上物质的分散相开始。当纤维位于流体中且垂直于液体的流动方向时,单纤维的过滤效率可定义为所有被隔离物质的横截面占流体介质的横截面的比值过滤的效率可以表达如下:当纤维远离这股流体,其流体函数可定义为y=vy,公式(4)则调整为:厚度为h的过滤材料中细分颗粒的沉淀值为:过滤的效率可以表达如下:2.3单纤维细胞菌件的机械捕获过滤现象是在空气中传播的颗粒机械和电子的作用下共同产生的,机械捕获并不受空气中颗粒和过滤纤维的吸引力的影响。1993年布朗(Brown)(1)空气颗粒的重力根据布朗(Brown)1993年所提出的理论,对颗粒直接的拦截发生在空气中传播的颗粒或处于惯性运动的作用下或处于扩散运动的作用下,这些颗粒不受任何外部作用力的影响,包括重力的作用。(2)颗粒运动规律任何流体的聚合、分散或弯曲都会引起空气加速度,鉴于此,如图2所示,颗粒将不能沿着气流的轨迹运动。颗粒所遵循的运动曲线是由其质量和惯性决定的,符合斯多克斯(Stokes’)气体运动规律。1969年斯捷奇娜(Stechkina)等人采用卡瓦巴(Kuwabara)理论描述了单纤维在直接拦截和惯性作用下的过滤效率(3)扩散运动根据1905年爱因斯坦(Einstein)(4)重力作用斯克科娜(5)非织造过滤材料的分类纤维束过滤材料和凝聚颗粒通常都会携带特殊的电荷,这种电荷会增加过滤的效率。科学家们根据静电力的作用发明了许多方法来决定颗粒的捕获机理当纤维上分散介质颗粒产生静电沉积时会产生两种非常显著的现象:第一种现象发生在带有静电的颗粒和纤维之间,在这种情况下,单纤维的过滤效率是由布朗(Brown,1993)定律决定的,第二种现象发生在当纤维所产生的电场会对不带有电荷的颗粒产生影响,在这种情况下,颗粒材料会被电场极化。由电极化力对颗粒的捕获效率也可以通过布朗以下的3个参数对材料的过滤效率起到了重要的影响:1)过滤材料的厚度、纤维的直径、过滤材料的多孔性及纤维所携带的电荷量;2)颗粒的直径、颗粒所携带的电荷量及颗粒的介电常数;3)气流的速度、温度及空气的黏度。非织造布是用于过滤固体和液体凝胶杂质的基础材料,它能满足呼吸道防护的要求主要是由于其较小的气流阻力和较大的灰尘吸附能力所产生的高过滤效率。非织造布的生产技术工艺和过滤现象有关的理论知识是成功设计过滤系统的必要基础。3.1非织造过滤材料的分类在气溶胶过滤的装备中,非织造布是基材。非织造布可以通过不同的工艺获取,但以原材料来进行划分是对非织造布分类的基础标准,根据这一标准,非织造布可以分为纤维类和聚合物类。详细的有关非织造布的生产技术细分如图3所示。根据过滤类型的不同,为了满足特定的功能,多层非织造布的设计也各不相同。以下是在过滤材料中最为常用的非织造布的种类:(1)针刺非织造布,起初这种类型的非织造布被用来吸收较为粗大的凝胶颗粒杂质,通常应用于过滤器和半遮盖面部的面罩中;(2)熔喷非织造布,主要作为过滤装置的基础层被使用;(3)类纸质的非织造布,通常被折叠后作为基础层和连接接头固装在一起;(4)纺粘非织造布,通常作为过滤材料的外层被使用,以保护内层过滤材料不受到机械破坏。如果从呼吸道过滤装置的总体设计来考虑,其分类如下:(1)全覆盖面部的过滤装置(面罩、半面罩、1/4面罩、带有过滤嘴的面罩);(2)半覆盖面部的过滤装置。如果从过滤器本身的设计来考虑,其分类如下:(1)平面状的过滤器:是指将非织造布叠层后,边缘通过焊接技术固装;(2)封装的过滤器:是指将叠层后的非织造布封装在一个开口的容器中,允许气流的通过;(3)同连接头整体封装的过滤器:是指将起褶的非织造布封装在一个盒子中,一侧具有出口,另一侧具有连接头。理论已经证明,如果在非织造布内部产生静电场,纤维将大量吸附灰尘杂质。根据这一理论,非织造布可以进行额外的改良以提高其过滤效果,根据其积聚电荷的能力,纤维状的静电材料可分为3类:(1)成网后材料通过电晕放电积聚电荷;(2)材料在静电场中纺纱时产生的感应作用积聚电荷;(3)材料通过摩擦起电积聚电荷。3.2用于非织布生产技术的非竹布保护(1)影响过滤效率的因素针刺非织造布是通过梳理机首先成网,然后通过钩针穿刺进行加固。针刺可以将纤维紧密交织在一起、压缩作用会增加纤维间的摩擦力。理论研究表明:纤维厚度、纤维密度、过滤网的厚度以及纤维的混合成分将直接影响其过滤效率,这些因素也是导致摩擦起电后电荷积聚现象的必要成因。克鲁斯卡(2)功能单元的技术参数熔喷非织造布是滤材的基材之一,熔喷技术是通过气流将纤维喷射在条带上,然后经过冷却、沉积成网,所形成的非织造布由极细、非连续的纤维构成。熔喷非织造布的性能与它的技术参数紧密相关,而这些技术参数是由在生产过程中的各个功能单元的技术参数来决定的同针刺非织造布相类似,我们也可以通过在凝胶颗粒和非织造布之间引入静电荷来增加熔喷非织造布的过滤效率,常用的方法是涂覆驻电极膜静电荷诱导是过滤技术中所采用的一种方法诱导包括将导电材料置于静电场中,使其积聚电荷。在静电荷挤压过程中,通过导电溶液或通电熔融产生的超细纤维便属于这一大类。通过静电纺技术获得的纳米纤维便是将聚合物溶剂滴入外电场中获得的,这种方法可以制备截面尺寸为纳米级别的纤维,因而,这项技术被重视并得以快速发展2000年,美国多纳森(Donaldson)公司制备出纳米纤维膜,用于灰尘的过滤。通过静电纺技术我们也可以制备多层滤材。有关通过熔喷技术、纺粘技术和静电纺技术制备滤材的信息可参考相关文献4凝胶防护性能的评价标准正在欧洲执行的标准为EN143-2000和EN149-2001,且这两项标准主要涉及凝胶颗粒渗透防护滤材和半遮盖过滤面罩。这些标准都是较宽泛的文件,对整套测试方法进行了描述,其中以下所提到的这些方法比较重要,对凝胶颗粒的防护效果进行了评价:(1)测试凝胶颗粒渗透性的评价方法;(3)空气阻力的评价方法;(4)灰尘吸附性能的评价方法。滤材可以通过其过滤效果进行分类,但半遮盖式的过滤面罩还需要添加其总渗漏量指标进行分类,如果有其他的需求,其余的参数还可以被