材料静电驻管理

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摘要：驻极体空气过滤材料是利用静电力作用捕集尘粒，具有过滤效率高、阻力小和抗菌等优点。因此，近二、三十年来在生命科学和临床医学及环境净化工程等方面得到广泛应用。与此同时，静电驻极方法及工艺也获得了长足的进展。目前的驻极方法主要有静电纺丝法、电晕放电法、摩擦起电法、热极化法、低能电子束轰击法等。本文在对现有的驻极方法（工艺）进行全面对比的基础上，提出了既能很好地满足空气过滤的要求又符合我国目前经济技术条件的驻极方法，同时也对驻极体空气过滤材料的选择作了一些探讨。最后指出了驻极体空气过滤材料的静电驻极方法及其材料选择的发展方向。

关键词：驻极体空气过滤材料静电作用静电驻极方法过滤性能

0前言

目前，全球的环境日益恶化，与人类息息相关的空气环境更是如此，已经严重地危及到人类的健康。与此同时。现代高科技的某些关键部分对环境的净化要求极高。因此，现代社会需要具有高效、低阻等优点的空气过滤器。传统的空气过滤材料不是过滤性能不理想，就是价格（成本）太贵。而驻极体空气过滤材料具有众多优点，其发展十分迅速，在20世纪90年代已实现了产业化。但是，由于目前驻极体理论相对于应用滞后，这就使得驻极体空气过滤材料的发展还很不成熟，现在的驻极体空气过滤材料的静电驻极方法（工艺）各有优缺点，有必要进一步探讨。

1空气过滤材料静电驻极机理的对比与分析

1.1驻极体

驻极体是指那些能够长期储存空间电荷和偶极电荷的电介质材料，即从时间跨度上来看，它们的电荷衰减时间常数比驻极体形成的周期长得多。驻极体的电荷可以是真实电荷（或称空间电荷），也可以是偶极电荷，或者两者都有之[1]。驻极体空气过滤材料就是利用电荷的静电力作用捕集尘粒。

1.2驻极体空气过滤材料的静电驻极机理对比

自从20世纪70年代以来，各种荷电技术以及通过混合不同纤维的带电技术等各具特色的带静电过滤器得到了开发和利用[2]。其直接的结果是导致了现在的静电驻极方法（工艺）。这些方法（工艺）的静电驻极机理等内容见表1。

由表1可见，驻极体空气过滤材料的静电驻极方法中，就其静电驻极机理及特性而言，电晕放电法和摩擦起电法由自身的特性仍然是当前研究的重点；而热极化法易受温湿度影响，故它限制了其广泛应用；静电纺丝法和低能电子束轰击法由于它们的静电驻极机理较复杂，就目前的技术而言，要达到广泛应用困难还很大，如果它们的静电驻极机理十分清楚和技术成熟的话，它们可能比电晕放电法和摩擦起电法更有生命力。

驻极方法

驻极机理

特性

电荷类型

静电纺丝

带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形，

再经溶剂蒸发或熔体冷却而固化。

机理复杂，技术不成

不成熟。

尚不清楚

电晕放电

利用非均匀电场引起空气的局部击穿的电晕放电产生

的离子束轰击电介质并使它带电。

工业驻极体生产中

应用最广泛。

空间电荷

摩擦起电

两物体摩擦接触距离足够小时，产生热激发作用，这

种作用使对电子吸引力不同的物体的电子发生相互间

转移而使物体带电。

起电简单，只适合纺

织中的梳理工序。

尚不清楚

热极化

高温电场下，电介质材料热活化的分子偶极子沿电场

方向取向，低温相同电场下冻结取向的偶极子。

温湿度的影响较大，

最早制造的驻极体。

偶极电荷

低能电子

束轰击

利用低能电子束轰击电介质，被电介质捕获并储存而

带电。

机理较复杂，不易实

现工艺化。

空间电荷

2空气过滤材料静电驻极体性质的对比与分析

由于材料的静电驻极方法（工艺）不同，所形成的驻极体的性质亦大不相同。具体情况见表2。

驻极体空气过滤材料要求材料的储存电荷密度大，其电荷密度的储存寿命长及储存电荷稳定性强等等。而储存电荷的稳定性主要取决于材料性质、充电方法、电荷分布状态、储存的环境条件等。根据上述要求，就静电驻极体的性质而言，从表2中可得，电晕放电法是目前最佳的静电驻极方法；热极化法在环境相对稳定时也是一种较好的静电驻极方法；摩擦起电法要在试验中进一步完善；静电纺丝法需要科技的进一步发展；低能电子束轰击法需要改进和简化静电驻极的工艺。

近年来，报道了直流增加频率的低脉冲电晕充电比直流电晕充电或仅有脉冲电晕充电能获得更大的表面电荷密度[9]。这也许就意味着这种电晕充电的空气过滤材料的过滤效率更高，但是相关理论和实践有待于进一步完善。

3驻极体空气过滤材料的性能对比与分析

驻极体用作过滤材料，最初在1976年由于J·VanTurnhout等人将切割成小条状的聚丙烯薄膜制成，将这种带电小条加工折皱状态形成驻极体纤维。随后，各种荷电技术以及通过混合不同纤维带电技术等各具特色的带静电过滤器得到了开发和利用[5]。与此同时，驻极体空气过滤材料也获得了进一步的发展。尤其是2001年美国“9·11”事件以后，采用集中空调系统的建筑物不断面临安全性的考验，其中包括恐怖主义分子的生化武器袭击；2003年的“非典”疫情给全世界造成巨大损失和影响。引起“非典”的SARS冠状病毒的主要传播途径之一就是空气，这就使集中空调系统有可能直接成为SARS病毒和细菌的主要渠道。因此，“致病建筑物”又一次引起人们的普遍关注。集中空调系统再一次面临严峻的挑战[2]。这又迫切需要空气净化材料的更进一步发展，而驻极体空气过滤材料具有高效、低阻、抗菌（病毒）、节能等优点，故它是适应这一发展的迫切需要。

表2静电驻极体的性质[1,3,4]

静电驻极体

控制参数

特点

存在问题

静电纺丝

纺丝液体的黏度、表面张力和电导率；操作条件的电压、流体速度、温度等等。

静电纺丝纤维形成的无纺布是一种有纳米微孔的多孔材料；射流具有不稳定性。

只能得到无纺布；产量很低（1mg/h～1g/h）；多数条件下，静电纺丝纤维的强度很低。

电晕放电

极化电压、极化温度、极化时间等。

实现高储存电荷密度（1.4×10-3C/m2）；沉积电荷的密度出现明显的离散性；设备简单，操作方便，充电效率高等。

充电电荷仅能沉积于样品的表面与近表面；电荷密度的横向均匀性和充电电荷的稳定性均比低能电子束轰击的差。

摩擦起电

摩擦形式、表面平滑度、摩擦速度、摩擦力等。

摩擦起电机理复杂；两种材料需要接触和分离；对材料的电性能有要求等。

摩擦起电的产生机理至今还不完全清楚；相对湿度、纤维的吸水率、温度对纤维材料的静电性能有明显的影响。

热极化

极化电场、极化温度、极化时间等

极化电场直接影响热驻极体内捕获电荷的活化能，热极化后出现异号电荷，储存（或老化）过程中异号电荷向同号电荷转化；热驻极体的电荷密度为3×10-6～1×10-4C/m2。

热驻极体受存放温度的影响；最大电荷密度依赖于气压和相对湿度。

低能电子束轰击

电子束电流密度、轰击时间等

通过控制电子束能量和注入的束电流能精确地控制注入沿厚度的电荷层平均深度及电荷密度，从而可能研究在受控条件下空间电荷的分布及其衰减规律。

操作过程较为复杂等。

由于驻极体空气过滤材料的静电驻极工艺大多数属于技术保密，目前所见的其具体内容报道不详或根本无报道。就常见的驻极体空气过滤材料的性能列于表3。

表3驻极体空气过滤材料的性能[6,8]

材料

驻极方法（工艺）

定量

（g/m2）

过滤效率（％）

压强

（Pa）

标准过滤效率(10g/m2)

应用状况

聚丙烯

纺粘电晕放电

34

26

0.98

8.5

一般

聚丙烯

熔喷电晕放电

34

84

28.4

41.7

多

聚丙烯

针刺电晕放电

100

48.1

1.96

6.3

较多

聚丙烯＋聚丙烯腈

针刺摩擦起电

100

66.3

2.94

10.3

一般

聚丙烯＋聚丙烯腈

摩擦起电

130

97.8

25.4

一般

聚环氧乙烷

静电纺丝（未充电）

10

97.2

40.2

97.2

较少

从表3中可以看出，聚丙烯的电晕放电的三种静电驻极工艺中，熔喷聚丙烯电晕放电的过滤效率最好，就是压降较大；而聚丙烯和聚丙烯腈混合物摩擦起电的两种静电驻极工艺中，一般摩擦起电的过滤效率较针刺摩擦起电的过滤效率要好；聚环氧乙烷的静电纺丝（未充电）过滤效率极高，如果对其充电，其过滤效率可能会更理想。在同一标准定量（10g/m2）下的过滤效率比较可知，聚环氧乙烷静电纺丝（未充电）的过滤效率最高，但生产速度慢，难以在短时间内大规模生产和推广应用，聚丙烯熔喷电晕放电的过滤效率次之，但实际应用比较多，聚丙烯和聚丙烯腈的针刺摩擦起电的过滤效率最差，且实际应用一般。

另外，有报道；驻极体空气过滤材料还有聚碳酸酯和聚氨酯，它们在静电纺丝过程中保留电荷，其初始过滤效率都很高，但容尘后其过滤效率下降[8]。

4静电驻极材料的选择

近年来，高分子化学纤维生产技术的发展使得用驻极体纤维能生产出HEPA及ULPA过滤器[5]。用作驻极体空气过滤器的材料需要优异的介电性能，如高体电阻和表面电阻，高介电击穿强度，低吸湿性和透气率等。这类材料主要以高聚物为主的有机驻极体材料，如非极性材料：聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟乙烯/聚四氟乙烯共聚物等；极性材料或弱极性材料：聚三氟乙烯、聚丙烯（共混）及聚酯等[2]。

超细纤维和卷曲（羊毛状）纤维作为新结构的驻极体滤材能大大地改善集尘效率，其平均效率比传统结构的驻极体纤维从93％上升至99％（精细纤维），和从93％上升至99.4％（卷曲纤维）；与此同时，卷曲纤维的使用还大大地改善了滤材的容尘能力，即从0.48g粉尘/g过滤器到0.83g粉尘/g过滤器（卷曲纤维）和从0.48到0.51（精细纤维）。这些改善可能源于纤维间空间电荷随机分布率的上升，导致容尘场所和过滤机构更加完善；另外，精细驻极体纤维所形成的新结构空气过滤器性能的改善是因为滤材空间结构上表现出较大的容尘空间和较强的电场散度。改性的聚丙烯和聚碳酸酯PC纤维的研制成功为高效长寿命和低成本驻极体过滤器的商品化提供了较完善的驻极体储电结构[7]。

近年来报道，由降冰片和乙烯单体经催化共聚形成的环烯共聚物COC(CycloolefinCopoplymer)是一种典型的非极性的完全非晶态驻极体材料，由于其优异的力学特性及突出的储电能力和疏水特性，如用作驻极体空气过滤器的高效滤材，则明显地优于上述的传统驻极体纤维滤材PP，可能成为新一代驻极体过滤纤维[7]。

5结论

经过对比与分析，可以得出：目前既能很好地满足空气过滤要求又符合我国经济技术条件的驻极方法（工艺）是熔喷电晕放电法，但静电纺丝（带电）法可能是最有前途的驻极方法（工艺）。静电驻极材料的选择主要是具有优异的介电性能，目前最适用的材料是聚丙烯及其和其它高聚物形成的混合物，但由降冰片和乙烯单体经催化共聚形成的环烯共聚物COC(CycloolefinCopolymer)可能成为新一代驻极体空气过滤材料。

参考文献

[1]夏钟福.驻极体.北京：科学出版社，2001

[2]黄翔，顾群，吴生.洁净与空调技术，2003，5（40）：38－42

[3]吴大诚，杜仲良，高绪珊.北京：化学工业出版社，2003

[4]高绪珊，童俨.北京：纺织工业出版社，1991

[5]魏学孟，叶海.通风除尘，1998，4：1－4

[6]PeterP.Tsai.产业用纺织品，2002，9（20）：16－18

[7]夏钟福.材料导报，2001，8（15）：57－58

[8]PeterP.Tsai,HeidiSchrecuder-Gibson,PhillipGibson.JournalofElectrostatics,2003,54:333-341

[9]M.Nifuku,Y.Zhou,A.Kisiel,T.Kobayashi,H.Katoh.JournalofElectrostatics,2001,51-52:200-205