隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，空氣環(huán)境問題也日益突出。空氣過濾材料的應(yīng)用是凈化空氣的重要手段。普通空氣過濾材料對(duì)于細(xì)小微粒的去除不夠徹底，而且過濾材料上容易滋生有害微生物，存在二次污染的可能。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。

作者：徐輝 劉江峰 周冠辰 計(jì)冉冉 楊東(元琛科技)

一、駐極體材料

駐極體材料被廣泛應(yīng)用于高效低阻空氣過濾材料領(lǐng)域。駐極體空氣過濾材料要求材料儲(chǔ)存電荷的密度大、壽命長(zhǎng)及穩(wěn)定性高。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(wú)機(jī)駐極體、有機(jī)駐極體和生物駐極體。

二、駐極工藝

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。

Peter等研究了用電暈放電、摩擦起電及靜電紡絲三種充電技術(shù)給不同聚合物類型的纖維或織物充電。其中聚丙烯熔噴和紡粘非織造布采用電暈放電方式施加電荷，聚丙烯和改性聚丙烯腈纖維混合織物利用纖維梳理過程摩擦靜電充電，并且用靜電紡絲方法紡出了聚氯化乙烯、聚碳酸酯和聚氨酯纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明摩擦充電僅適合于具有不同電負(fù)性的纖維充電，兩種電負(fù)性不同的纖維混合在一起,采用摩擦起電充電，其過濾材料的過濾效率比電暈放電處理的好，但電暈放電適用范圍較廣，且面密度大的織物充電效果要優(yōu)于面密度小的織物。而靜電紡絲優(yōu)點(diǎn)在于它的電荷儲(chǔ)存能力比其他兩者強(qiáng)。

三.駐極濾料的性能

3.1對(duì)于濾料纖維的處理:

我們將礦物粉粒(常用的無(wú)機(jī)礦物有SiO2、氧化鋁(A12O3)、氧化鈦(TiO2)以及電氣石等)加入到纖維中，將細(xì)微粉粒混入紡絲液共混進(jìn)行紡絲(共混紡絲法、復(fù)合熔噴法)。

3.2PTFE后處理方面:

我們將礦物粉粒(常用的無(wú)機(jī)礦物有SiO2、氧化鋁(A12O3)、氧化鈦(TiO2)以及電氣石等)加入到PTFE乳液中，并通過浸漬、涂層的方法加入到濾料表面或滲透到內(nèi)部，然后通過電暈放電、摩擦起電、靜電紡絲、熱極化和低能電子束轟擊等駐極工藝的處理，使得濾料表面具有儲(chǔ)存電荷的能力，從而達(dá)到濾料具有靜電吸附粉塵的能力。

3.3PTFE覆膜駐極處理:

首先，將聚丙烯薄膜和PTFE薄膜加熱熱壓復(fù)合膜;其次，利用直流電暈放電使得共聚物薄膜駐極法;然后，將獲得的膜駐極體在覆膜工藝粘附在濾料表面，形成覆膜濾料。同時(shí)，在覆膜工藝，為了增加其與濾料的粘合性能，我們使用粘合劑進(jìn)行粘合處理。

為了使得膜具有較多的穩(wěn)定電荷，在電暈放電之前，需對(duì)膜進(jìn)行兩次加熱處理，以使得材料表面具有較大的電荷密度。

充電電壓對(duì)PP、PTFE表面電位的影響

在用界面夾層極化對(duì)PP和PTFE膜極化時(shí)，為了更加充分的了解充電時(shí)傳導(dǎo)電流與電荷積聚過程的關(guān)系以及充電溫度和充電電壓對(duì)傳導(dǎo)電流的影響，對(duì)充電時(shí)流經(jīng)材料體內(nèi)的微電流進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量裝置如圖3.1所示。試驗(yàn)時(shí)，先將樣品加熱到設(shè)定的溫度，然后對(duì)樣品施加充電電壓。在輸出電壓時(shí)，高壓電源可以同時(shí)采集回路中的微電流。在充電的同時(shí)，用示波器將電流信號(hào)輸出。通過觀測(cè)充電時(shí)傳導(dǎo)電流的變化，可以分析充電過程中的電荷積聚過程，以及不同的充電電壓和充電溫度對(duì)傳導(dǎo)電流的影響。

由圖(3.2a)可以看出，如果PP一側(cè)接正電極，PTFE一側(cè)接負(fù)電極，當(dāng)充電電壓低于1kV時(shí)，兩種薄膜經(jīng)充電后的電位都很低。且PP膜帶正電荷，PTFE膜帶負(fù)電荷。當(dāng)充電壓高于2kV時(shí)，兩種材料的表面都表現(xiàn)為正電位，且隨著充電電壓的升高而不斷升高。但是PTFE膜的表面電位一直低于PP膜的表面電位。在PP一側(cè)接負(fù)極，PTFE一側(cè)接正極的情況下(3.2b)，PP和PTFE表面都帶有負(fù)電荷，且兩種薄膜的表面點(diǎn)位都會(huì)隨著充電電壓的升高而升高。但是在這種充電條件下，PTFE膜的表面電位會(huì)一直高于PP膜的表面電位。

表面電位穩(wěn)定性

表面電位的穩(wěn)定性是衡量駐極體性能的重要指標(biāo)之一。良好的表面電位穩(wěn)定性可以反映出駐極體具有良好的電荷存儲(chǔ)能力。由以上兩節(jié)的結(jié)果可以看出，在界面夾層極化時(shí)，當(dāng)充電電壓為3kV、充電溫度為150℃時(shí)，得到的PP和PTFE駐極體具有較高的表面電位。對(duì)這一充電條件下的PP和PTFE膜的表面電位進(jìn)行跟蹤測(cè)量，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3.3所示。其中，a為PP膜一側(cè)接正電極使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，b為PP膜一側(cè)接負(fù)電極時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由以上結(jié)果可以看出，當(dāng)PP和FEP駐極體膜的表面電位都為正極性時(shí)，在充電完成后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，表面電位衰減較快，而后趨于穩(wěn)定。并且，PP膜的表面電位一直高于FEP膜。當(dāng)兩種膜的表面電位都為負(fù)極性時(shí)，充電完成后，表面電位的衰減速度都比較慢，基本能夠保持穩(wěn)定。并且FEP膜的表面電位一直高于PP膜。

由以上分析可知，在充電電壓為3kV，充電溫度為150℃的充電條件下，界面夾層極化PP膜和FEP膜可以獲得較高的表面電位，且具有良好的穩(wěn)定性。這是因?yàn)?，?kV的高壓下，材料內(nèi)部具有較強(qiáng)的電場(chǎng)，促使電荷在材料的表面處聚積，從而產(chǎn)生較高的電荷密度。而150℃的高溫也使得材料表面的陷阱捕獲電荷的能力增強(qiáng)，并且促進(jìn)了電荷由淺阱向深阱的移動(dòng)。而深阱電荷不容易脫阱，所以使駐極體存儲(chǔ)電荷的能力增強(qiáng)，穩(wěn)定性提高。

實(shí)際過濾性能

實(shí)際過濾性能通過德國(guó)進(jìn)口的TOPASAFC-133動(dòng)態(tài)濾料測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。該設(shè)備通過模擬實(shí)際除塵工況，通過30次1000pa定壓調(diào)試過程，10000次5秒定時(shí)噴吹的老化規(guī)程。在經(jīng)過20次定壓1000pa噴吹的穩(wěn)定過程。最終在進(jìn)行30次1000pa定壓噴吹的測(cè)量過程。

駐極處理濾料30個(gè)周期的過濾時(shí)間為14143s，而普通處理濾料30個(gè)周期的過濾時(shí)間為13783s，在清灰周期方面駐極濾料為471.43s，非駐極濾料的清灰周其459.43s。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，駐極濾料在清灰周期一定優(yōu)勢(shì)。

駐極處理濾料老化過程開始時(shí)初始阻力為200Pa，老化過程結(jié)束時(shí)殘余阻力為360Pa。普通處理濾料老化過程開始時(shí)初始阻力為230Pa，老化過程結(jié)束時(shí)殘余阻力為360Pa。殘余阻力駐極濾料比普通濾料對(duì)粉塵的收集能力更強(qiáng)所以阻力上升幅度更大。

駐極處理濾料30個(gè)周期的過濾時(shí)間為11127s，30個(gè)周期的粉塵排放濃度為0.2909mg/m3，30個(gè)周期后過濾效率為99.4350%。普通濾料30個(gè)周期的過濾時(shí)間為11329s，30個(gè)周期的粉塵排放濃度為0.5229mg/m3，30個(gè)周期后過濾效率為99.0002%

通過以上實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)比，經(jīng)過駐極處理的濾料。在過濾效率以及排放濃度優(yōu)于普通濾料。所以在今后具有更廣闊開發(fā)利用前景。