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駐極體過濾材料及其在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用

 楊荊泉，田濤

摘要：駐極體過濾材料具有高效、低阻、節(jié)能、抗菌等優(yōu)點(diǎn)，是一類非常有應(yīng)用前景的新型空氣過濾材料。該文介紹了駐極體的概念、駐極體過濾材料的主要原材料及其特點(diǎn)、駐極方法、工藝及其對駐極體過濾材料電荷存儲特性的影響，闡述了駐極體過濾材料在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：空氣污染；駐極體；過濾；空氣凈化

隨著時代的進(jìn)步，人們對環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高。但經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加劇了環(huán)境的污染，空氣中的粉塵、化學(xué)物質(zhì)、有害微生物等對人們的健康產(chǎn)生了不良影響。因此，有效控制空氣中的有害物質(zhì)是有待解決的重大問題。空氣過濾器和過濾材料的應(yīng)用是凈化空氣的重要手段。普通空氣過濾材料對于細(xì)小微粒的去除不夠徹底，而且過濾材料上容易孳生有害微生物，存在二次污染的可能[1,2]。駐極體空氣過濾材料為解決這一難題提供了可能。駐極體空氣過濾材料具有高效、低阻、節(jié)能、抗菌等優(yōu)點(diǎn)，是一類非常有應(yīng)用前景的新型空氣過濾材料[3]。

筆者介紹了駐極體的概念、駐極體過濾材料的主要原材料及其特點(diǎn)、駐極方法、工藝及其對駐極體過濾材料電荷存儲特性的影響，闡述了駐極體過濾材料在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

1駐極體

駐極體是指具有長期儲存電荷功能的電介質(zhì)材料，具有在無外電場的條件下能自身產(chǎn)生靜電作用力的特性。根據(jù)駐極體電荷的來源和性質(zhì)，駐極體材料中的電荷可分為空間電荷和極化電荷兩類。

空間電荷主要是從介質(zhì)外面經(jīng)施加的電場推斥，沉積到介質(zhì)表面或注入到介質(zhì)表層一定深度，被介質(zhì)表面或內(nèi)部的各種陷阱捕獲的帶電粒子(如電子、離子等)，也稱為駐極體的捕獲電荷。極化電荷是通過凍結(jié)取向偶極子和界面極化而形成的，這種電荷被束縛在分子內(nèi)，不能脫離分子轉(zhuǎn)移到其他部位，故也被稱為束縛電荷[5]。

2駐極體材料

用作駐極體的原材料需要優(yōu)異的介電性能，如高體電阻和表面電阻、高介電擊穿強(qiáng)度、低吸濕性和透氣率等。駐極體材料可分為無機(jī)駐極體、聚合物駐極體和生物駐極體[6]。用作空氣過濾材料的主要是高聚物駐極體材料。

高絕緣性氟聚合物，如聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙丙烯共聚物（FEP）、聚偏氟乙烯（PVDF）等都是性能優(yōu)良的駐極體材料。聚丙烯（PP）無紡布駐極體在通常環(huán)境條件下的電荷穩(wěn)定性能可與聚四氟乙烯駐極體相媲美。

3駐極體過濾材料的特點(diǎn)

3.1高效性和低阻性

普通的纖維過濾材料主要依靠布朗擴(kuò)散、截留、慣性碰撞、重力沉降等機(jī)械阻擋作用來過濾空氣中的微粒，因此對粒徑小于1μm的粒子過濾效果不理想[7]。多數(shù)細(xì)菌、病毒微生物的大小都是微米級和亞微米級，例如SARS冠狀病毒只有約100nm。只有當(dāng)過濾材料纖維十分細(xì)小和密實(shí)時才能高效地捕獲這些微小的顆粒，這導(dǎo)致過濾材料空氣阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致空氣過濾器運(yùn)行能耗和成本增加；應(yīng)用于呼吸防護(hù)則使呼吸負(fù)擔(dān)增加。

駐極體纖維通常帶有幾百至上千伏電壓，而纖維的間隙非常小，從而形成了無數(shù)個無源電極，電極間電場達(dá)幾十MV/m甚至更高，等效面電荷密度高達(dá)90nC/cm2[8]。因此，駐極體空氣過濾材料除原有的機(jī)械阻擋作用外，還依靠靜電力直接吸引空氣中的帶電微粒并將其捕獲，或誘導(dǎo)空氣中的中性微粒產(chǎn)生極性再將其捕獲，從而更有效地過濾空氣中的亞微米粒子，在不增加空氣阻力的情況下顯著提高過濾效率[9]。許多學(xué)者的研究結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)[10-12]，

例如某熔噴聚丙烯材料的過濾效率可由未駐極時的58.1%提高到駐極后的93.8%[13]。

由于電場力是長程力，在同樣的過濾效率時，駐極過濾材料空隙的幾何尺寸可以大于普通纖維或多孔材料，使駐極過濾器的氣流阻力比傳統(tǒng)過濾器顯著降低，因此可大幅度地節(jié)約能源。例如，在同等過濾效率條件下，某高效玻纖過濾器與駐極體過濾器的氣流阻力分別為118.6Pa和10.8Pa[14]。

3.2抗菌性能駐極體材料不僅過濾性能優(yōu)良，而且對微生物還有抑制和殺滅作用。研究者將表面電位為-300～-1500V的聚四氟乙烯駐極體對金黃色葡萄球菌分別作用1～24h。結(jié)果顯示,不同駐極電位的駐極體對金黃色葡萄球菌有6%至97%的殺滅率。駐極體的表面電位越高，對金黃色葡萄球菌的抑菌效果越好。

研究者認(rèn)為駐極體抑制細(xì)菌繁殖和滅菌作用的原理可能是靜電場和微電流刺激細(xì)菌，使細(xì)菌的蛋白質(zhì)、核酸等變異，損傷細(xì)菌的細(xì)胞壁及細(xì)胞膜，破壞細(xì)菌的表面結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞膜內(nèi)外的生物駐極態(tài)受到破壞，從而抑制細(xì)菌繁殖和殺滅細(xì)菌[15]。

研究者選用表面電位為-300、-500和-1000V的聚四氟乙烯駐極體作用于成纖維細(xì)胞24、48和72h，利用流式細(xì)胞儀和透射電子顯微鏡研究負(fù)極性駐極體對成纖維細(xì)胞凋亡的影響。結(jié)果顯示，駐極體作用成纖維細(xì)胞以后，與對照組相比，成纖維細(xì)胞的凋亡率從0.5%增至10%（部分可達(dá)15%）；駐極體作用成纖維細(xì)胞48～72h后，出現(xiàn)細(xì)胞凋亡特有的形態(tài)學(xué)特征，研究者得出負(fù)極性駐極體有促進(jìn)成纖維細(xì)胞凋亡的作用[16]。

4駐極工藝與電荷存儲特性

空氣過濾材料的靜電駐極方法主要有電暈放電、摩擦起電、靜電紡絲、熱極化和低能電子束轟擊。其駐極機(jī)制如表1所示[17]。除了上述方法，有研究者采用陰離子表面活性劑預(yù)處理的方法來制備駐極體過濾材料。采用油酸鈉或十二烷基硫酸鈉處理聚丙烯纖維過濾材料使其帶上負(fù)電荷，處理后的過濾材料相比未處理過濾材料過濾效率提高了30%[18]。

使纖維或非織造布過濾材料帶電常用的方法有電暈放電、靜電紡絲和摩擦起電3種。研究者研究了這3種充電技術(shù)給不同聚合物類型的纖維或非織造布充電的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摩擦充電可達(dá)到更高的電荷密度和過濾效率，但僅適合于具有不同電負(fù)性的2種纖維在梳理過程時充電。電暈放電對材料的適用范圍較廣，且面密度大的織物充電效果要優(yōu)于面密度小的織物。靜電紡絲的優(yōu)點(diǎn)在于能生產(chǎn)非常微細(xì)的纖維，但其產(chǎn)率較低[19]。

研究者對電暈放電駐極體研究最多，發(fā)現(xiàn)影響駐極體電荷存儲特性的因素主要有兩類。一類是充電工藝參數(shù)，包括充電方式、充電電壓、充電和處理溫度、充電時間、極間距離等。一類是材料特性參數(shù)，包括材料表面結(jié)構(gòu)、材料分子結(jié)構(gòu)、材料厚度、填料等。

關(guān)于不同充電工藝參數(shù)對駐極特性的影響程度，研究者對聚丙烯駐極體薄膜的形成及其表面電位的衰減進(jìn)行了研究。研究表明，駐極體薄膜的表面電位與充電電壓、溫度、極間距離、充電時間有關(guān)。充電電壓對實(shí)驗(yàn)的影響顯著，且充電電壓越高，駐極體薄膜電位越高。溫度對實(shí)驗(yàn)的影響為一般顯著，極間距離和充電時間的影響次之[20]。

關(guān)于充電方式的影響，研究者利用等溫表面電位衰減、熱刺激放電和掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)手段研究了恒流和恒壓電暈充電技術(shù)對聚四氟乙烯多孔薄膜駐極體駐極態(tài)的影響。結(jié)果表明，恒流電暈充電比恒壓電暈充電時駐極態(tài)的建立速率更快。恒流電暈充電的樣品內(nèi)包含更高濃度的俘獲電荷，從而改善了駐極體的儲電能力。但是恒流電暈充電的駐極體的電荷儲存穩(wěn)定性比恒壓電暈充電稍差[21]。研究者用交流、直流以及交流加直流3種電暈放電方式給聚丙烯熔噴非織造布充電。結(jié)果表明，慢速的交變電流充電后，再給非織造布表面充一次直流電能夠獲得較好的充電效果[22]。

關(guān)于充電和處理溫度的影響，研究者研究了不同電暈充電溫度下聚丙烯紡黏纖維非織造布的駐極性能，結(jié)果顯示，高溫下充電更利于纖維的極化[23]。研究者研究了后處理溫度對聚四氟乙烯薄膜駐極體電荷儲存特性的影響。結(jié)果表明，采用提高常溫充電的柵壓，同時組合適當(dāng)高溫下的老化處理，可實(shí)現(xiàn)既改善電暈充電的電荷穩(wěn)定性，又使其儲存較高的電荷密度[24]。

研究者研究了用作空氣過濾材料的聚丙烯無紡布駐極體的電荷儲存能力及其穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)熱處理（高溫充電或常溫充電后老化）能有效地改善其電荷儲存壽命，是因?yàn)檫@種處理提高了深阱俘獲電荷的比例。而熱處理引起無紡布中實(shí)際儲存電荷密度的下降可以通過合理的控制充電參數(shù)予以彌補(bǔ)[25]。

關(guān)于材料表面結(jié)構(gòu)的影響，研究者對聚四氟乙烯多孔膜、聚四氟乙烯非多孔膜和氟化乙丙烯共聚物非多孔膜駐極體的電荷儲存穩(wěn)定性進(jìn)行了比較研究。結(jié)果顯示，聚四氟乙烯多孔膜駐極體比非孔膜材料駐極體表現(xiàn)出更好的電荷儲存穩(wěn)定性。并認(rèn)為這是因?yàn)槎嗫啄そY(jié)構(gòu)具有較大界面、較低的密度和更多更復(fù)雜的缺陷[26]。研究者研究了高壓電暈放電聚丙烯織物駐極體的性能，結(jié)果表明，細(xì)而柔軟卷曲的纖維以及面密度較大的織物具有更好的駐極效果，其過濾效率和抗?jié)裥阅茌^好[9]。

關(guān)于材料分子結(jié)構(gòu)的影響，研究表明，要獲得高電荷密度和穩(wěn)定性的聚丙烯非織造布駐極體空氣過濾材料，應(yīng)選取等規(guī)立構(gòu)結(jié)構(gòu)的聚丙烯為原材料，通過摻雜改性，控制工藝條件，盡可能使材料形成微晶結(jié)構(gòu)。另一方面，由于具有不同介電常數(shù)和電導(dǎo)率的材料構(gòu)成的界面被駐極時，在界面上及結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)之間都會產(chǎn)生界面極化，因此，可將聚丙烯與其他材料或不同工藝方法得到的聚丙烯進(jìn)行多層復(fù)合，利用界面極化效應(yīng)，達(dá)到存儲電荷的目的[27]。

關(guān)于材料厚度的影響。研究者研究了氟化乙丙烯共聚物薄膜駐極體電荷儲存及電荷動態(tài)特性的影響。結(jié)果表明，在充電參數(shù)一定的條件下，隨著薄膜厚度的降低，儲存電荷密度上升，但電荷穩(wěn)定性有所下降[28]。關(guān)于材料填料的影響。研究者研制了一種含有特種電氣石微粒的復(fù)合駐極體聚丙烯熔噴非織造布。結(jié)果表明，加入特種電氣石之后，纖網(wǎng)的力學(xué)性能有所下降，復(fù)合駐極體非織造布的駐極效果大大改善，其表面電荷密度、過濾性能及抗菌性均有明顯提高[29]。

5駐極體過濾材料在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用

駐極體過濾材料高效、低阻、節(jié)能、抗菌的優(yōu)點(diǎn)使之在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。由日本松下、中國海爾等大公司生產(chǎn)的中央空調(diào)和家用空調(diào)設(shè)備現(xiàn)已較廣泛地采用駐極體空氣過濾器作為基本的空氣凈化系統(tǒng)[30]。駐極體濾料應(yīng)用在奧克斯分體落地式KFR-46L/DS型空調(diào)機(jī)上，對可吸入性顆粒物的過濾效率能達(dá)到80%以上，從而能夠有效地改善房間內(nèi)的空氣質(zhì)量[31]。

我國從20世紀(jì)90年代后期開始將駐極體靜電過濾材料應(yīng)用到商用空調(diào)機(jī)組中，取得了良好的凈化效果。根據(jù)廣州、天津、常州等地大型商場2a的運(yùn)行結(jié)果，駐極體靜電空氣過濾器過濾效率明顯高于傳統(tǒng)的空調(diào)機(jī)組，可以保證商場內(nèi)空氣中的灰塵和細(xì)菌含量低于國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。駐極體空氣過濾器容塵量大，且積塵容易清除。將駐極體靜電空氣過濾器應(yīng)用到醫(yī)院手術(shù)室專用空調(diào)機(jī)組中，對0.5μm大氣塵的過濾效率高達(dá)97.7%，空氣阻力僅為90Pa；凈化能力明顯優(yōu)于一般空調(diào)機(jī)組，并且延長了高效空氣過濾器的壽命[14]。

駐極體空氣過濾器在軍事領(lǐng)域也應(yīng)用于潛艇和封閉型水面艦艇的艙室、彈藥倉庫、坑道等場所的空氣凈化[14]。

我國某些地域的大氣污染嚴(yán)重，導(dǎo)致當(dāng)?shù)丶徔椘髽I(yè)出現(xiàn)“煤灰紗”現(xiàn)象。河北省大華紡織股份有限公司將駐極體袋式過濾器安裝在細(xì)紗車間6號空調(diào)系統(tǒng)上，對環(huán)境空氣中的微細(xì)顆粒物進(jìn)行有效過濾，取得了較好的防治“煤灰紗”效果[32]。

研究者采用駐極超微細(xì)纖維制備了SARS防護(hù)口罩，對于40和60g/m2的超微細(xì)纖維過濾材料，駐極后其病毒透過率分別由12%,5.73%降為5.47%,2.53%。兩種規(guī)格的超微細(xì)纖維過濾材料駐極后氣流阻力基本沒有變化[33]。

美國AFFCO公司將駐極體過濾材料Flo-CleanEM2000應(yīng)用于人員呼吸防護(hù)口罩、空氣過濾器、真空吸塵器、汽車空氣凈化、室內(nèi)空氣凈化等。其對空氣中微粒的過濾效率達(dá)99.999%，其纖維經(jīng)抗菌處理，可防止細(xì)菌和真菌的生長[34]。

隨著對駐極體過濾材料研究和開發(fā)的深入，其在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用會更加廣泛。

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