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及过滤机理研究_肖慧明

1、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及过滤机理研究 肖慧明， 谢文虎， 陈钢进 （ 杭州电子科技大学 驻极体及其应用实验室， 浙江 杭州 ） 摘要：测定了熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料对 离子型（ ） 、 极性非离子型（ ） 两种不同实验气 溶胶粒子的过滤性能， 研究了粒子的粒径、 荷电特性及 流动速率对过滤性能的影响， 分析了惯性效应、 扩散效 应和静电效应对粒子捕获能力的贡献。结果表明， 熔 喷聚丙烯驻极体空气过滤材料对不同气溶胶粒子的捕 获能力差别较大， 对 气溶胶的捕获能力要优于 气溶胶， 其原因与驻极体空气过滤材料所具有 的特殊的静电效应有关。 用作实验气溶胶时， 不

2、出现 （ 最易透过粒径） 现象， 过滤机理以静电效 应 为 主； 用 作 实 验 气 溶 胶 时， 值 在 附近， 小于经典单纤维过滤值 ， 过滤 机理以惯性效应、 扩散效应为主， 以静电效应为辅。 关键词：驻极体； 空气过滤材料； 熔喷聚丙烯； 实验气 溶胶； 过滤机理 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： （ ） 引言 众所周知， 熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料由于 具有特殊的静电作用而显现出低流阻、 高效率等优点， 尤其对 大小的粉尘粒子具有突出的捕获 能力 ， 是美国国家职业安全和健康协会推荐使用 的 、 和 系列和欧盟认可的 、 和 系列呼吸防护面罩使用的主要过滤材料。国 际标准化组

3、织也将其作为过滤器中高效过滤材料的推 荐产品。与传统的空气过滤材料不同， 熔喷聚丙烯驻 极体空气过滤材料的过滤性能对粉尘粒子的化学性质 非常敏感。无论是带电和不带电的粉尘粒子， 都显示 出特别高的初始过滤效率， 但随着材料被粉尘粒子所 覆盖， 过滤特性会因粉尘粒子化学性质的不同而发生 改变， 如油性粒子可引起驻极体电荷快速衰减， 从而引 起过滤效率急剧下降 。因此， 研究在特殊环境下空 气过滤材料的性能和稳定性对其应用至关重要。国际 标准化组织在一般过滤器标准草案中已明确提出将异 丙醇浸泡去电荷试验（ 实验） 列为规范性内容。欧 洲标准 规定， 过滤器试验报告除给出正常情况 下的过滤效率外，

4、还要给出经异丙醇 处理静电全 部消除后的过滤效率。在本文前期工作中已报道了甲 醛、 乙醇、 异丙醇、 丙酮等溶剂浸泡对过滤性能的影响， 证明了溶剂溶胀作用是影响驻极体电场稳定性的主要 因素 ， 但气溶胶化学性质对过滤性能的影响规律 还未见报道。 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 （ ， ） 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 值大 约在 左右， 但 和 等 对 以熔喷聚丙烯驻极体为主要过滤材料的 和 口罩的研究表明， 对未带电或具有 荷电分 布的气溶胶， 其 。他们认为 值 的改变就是由于驻极体空气过滤材料荷电产生

5、的静电 效应所致， 但这些研究没有将 值的改变与气溶 胶性质相关联。 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 （ ） 和极性非离子型气溶胶 （ ， 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。 材料和实验方法 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

6、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 型静电中和器控制（ ， ， ） 。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 ， 粒径分布测量 年第期（ ） 卷 基金项目： 浙江省自然科学基金资助项目（ ） ； 浙江省教育厅重点资助项目（ ） 收到初稿日期： 收到修改稿日期： 通讯作者： 陈钢进 作者简介： 肖慧明（ ） ， 女， 浙江金华人， 副教授， 主

7、要从事功能电介质材料研究。 采用 宽 范 围 颗 粒 粒 径 谱 仪 （ ， ， ） ，测 量 的 气 溶 胶 粒 径 范 围 为 。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、时， 过滤效率由 下式计算： 过滤效率 图 过滤效率测试流程图 结果和讨论 气溶胶性质对过滤性能的影响 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 和 时不同单位质量的样品（ 、 和 ） 对 不同粒径气溶胶粒子的过滤效率， 结果示于图和。 图 气溶胶粒子粒径与过滤效率相关性 图 气溶胶粒子粒径与过滤效率相关性 由图和可见， 对两种气溶胶其过滤效率变化 趋

8、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 和还可以看出如下两点明显的差异： （ ）过滤性能 不同。单位质量 的熔喷聚丙烯驻极体空气过 滤材料对 气溶胶的过滤效果明显优于 气 溶胶， 尤其对小粒径粒子。如粒子粒径为 时， 对 气溶胶的捕获效率为 ， 对 气溶胶 的捕获效率为 ， 两者差值仅 。而当粒子 粒径为 时， 气溶胶的过滤效率为 ， 而 气溶胶过滤效率只有 ， 两者差值高达 。这一结果显示， 对大粒径粒子， 熔喷聚丙烯驻 极体空气过滤材料对 和 的过滤性能差别 不大， 但对小粒径粒子， 其对 的过滤性能明显优 于 ； （）当实验气

9、溶胶为 时， 在粒径为 处有一过滤效率最小值。显然这一粒径是该 条件下的最易透过粒径（ ） 。实验气溶胶为 时在测试粒径范围内则没有这一现象。众所周知， 一 般传统的空气过滤材料（ 又称非驻极体空气过滤材 料） ， 经典的单纤维过滤理论其 值在 附 近。熔喷 聚 丙 烯 驻 极 体 空 气 过 滤 材 料 的 值 为 ， 显著低于非驻极体空气过滤材料。 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 的熔喷聚 丙烯驻极体空气过滤材料对实验气溶胶 和 的过滤效率。气溶胶粒径采用 。结果显 示， 对 气溶胶的过滤效率为 而对 则 为 ， 两者存在显著差异。前已指出，

10、为离 子型气溶胶， 则为非离子型气溶胶。因此可以 确认熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料的过滤性能与气 溶胶性质密切相关。 气溶胶荷电特性对过滤行为的影响 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， 表列出了 和 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， 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 用作实验

11、气溶胶时， 结果则刚好相反。 显然， 这一结果与 和 的荷电特性有关。前 已指出， 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。 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。 肖慧明 等： 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及过滤机理研究 表 加中和器与不加中和器时不同气溶胶粒子的过 滤效率 实验气溶胶 样品 加中和器 不加中和器

12、注： 样品、的单位质量分别为 和 。 驻极体电场对过滤性能的影响 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 的同批次驻极体和非驻极 体样品当用 气溶胶时不同粒径粒子的过滤效率。 驻极体和非驻极体样品的差异在于在生产工艺相同的 情况下， 前者增加了电晕充电步骤， 驻极体的形成使熔 喷聚丙烯驻极体空气过滤材料的过滤效率大幅度提 高； 粒径越大， 提高的幅度越大。对 粒径 粒子， 过滤效率增加了 ； 对 粒径粒子 则增加了 。该测试结果显然与驻极体空气过滤 材料特殊的静电作用有关。非驻极体样品对气溶胶粒 子的捕获完全由于惯性效应和

13、扩散效应， 驻极体与非 驻极体样品过滤效率之间的差值则反映了静电效应的 强弱。 气溶胶流动速率对过滤性能的影响 气溶胶 在不同流动速率（ 、 及 ） 下熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料的过滤效率与粒 子粒径的关系如图所示。从图可以看出， 随着流 动速率的增加， 过滤效率下降。流动速率为 时， 过滤效率最高， 次之， 而流动速率为 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。由图还可看出， 不管流动速率是快还是慢， 最易 透过粒径（ ） 值都在 附近， 小于经典过滤 理论 ， 而且流动速率越

14、快， 现象越明显。 图 气溶胶流动速率对过滤效率的影响 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 。显然， 值与经典过滤理论的差异源于过滤材料与气溶 胶之间的静电相互作用。流动速率越快， 扩散效应越 显著， 现象越明显， 此时静电作用就越小。 驻极体空气过滤材料过滤机理分析 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 ， 重力和拦截效应可忽略， 因此， 过滤效率 可表示为： 其中， 、 和 分别为惯性效应、 扩散效应 和静电效应对过滤效率

15、的贡献。按经典的单纤维过滤 理论， 粒子粒径与过滤效率的关系如图所示 ， 其特 点是过滤效率在 附近有一最小值。 图按经典单纤维过滤理论计算的粒径效率关系图 将图与所示的 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 现象。主要差别在于 值不同， 图在 附近， 而图在 处。前面分析已经指 出， 值的减小是由于静电效应所致。当实验气 溶胶为 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。图的实验气溶胶为 ， 在 粒径测试范围内未出现 现象， 而

16、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。 和 气溶胶之间的这种差别， 可从两者性质的不同得到解释。 是离子型化合物， 其气溶胶粒子可用如图 所示的胶团结构来描述。由图可见， 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 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

17、的减小表面能增加， 就更容 易荷电。因此， 驻极体过滤材料对 小粒径颗粒 年第期（ ） 卷 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。 图 胶团结构 结论 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 的捕获能 力明显优于极性非离子型气溶胶 。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。 用作实验气溶胶时， 过滤机理以静电效应为主， 不出现 现象； 用作实验气溶胶时， 与经典单纤维 过 滤 机 理 相 似，出 现 现 象，但 其 粒 径 值 为 ， 远远小于经典的单纤维过滤值 ， 过 滤机理仍以惯性效应和扩散效应为主， 以静电效应为 辅。熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料的高过滤效率很 大程度上依赖于其所带的驻极体电荷。 参考文献： ， ， ： ， 陈钢进， 肖慧明， 王耀翔聚丙烯驻极体非织造布的电荷 存储特性和稳定性纺织学报， ， （） ： ，