楊 靜 吳海波 李昌穩(wěn)

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 浙江圣藍(lán)新材科技有限公司，浙江 衢州 324400

駐極技術(shù)對聚丙烯熔噴材料的過濾性能有重要影響。目前在工業(yè)化生產(chǎn)中最常見的為電暈駐極。但電暈駐極產(chǎn)生的駐極體電荷的穩(wěn)定性較差，其儲存受環(huán)境溫濕度影響大，且隨著時(shí)間的延長過濾材料表面靜電衰減明顯。為了改善駐極體的帶電能力、提高駐極體過濾材料的過濾性能，相關(guān)領(lǐng)域的研究者不斷進(jìn)行探索嘗試：在聚丙烯母粒中摻雜納米無機(jī)粒子對熔噴材料進(jìn)行改性處理；將聚丙烯與其他原料混合并改性；設(shè)計(jì)單因子或正交試驗(yàn)探尋電駐極的最佳工藝參數(shù)[1-3]。近年來在國內(nèi)開始應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的水駐極技術(shù)，是一種較為新型的熔噴駐極技術(shù)，其工藝過程安全環(huán)保。水駐極產(chǎn)品具有靜電量飽和、高效低阻、電荷儲存穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注。

水駐極技術(shù)起源于美國。1996年Angadjivand等[4]嘗試用射流或液滴的形式將水沖擊到非織造纖維網(wǎng)上，然后干燥該纖維網(wǎng)以產(chǎn)生駐極體。此后不少學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)：先用液體潤濕過濾材料再進(jìn)行干燥處理[5]；將蒸汽冷凝到過濾材料上，接著干燥過濾材料以除去冷凝物[6]；組合使用功能性液體和功能性氣體，利用功能性液體從過濾材料的孔隙中置換氣體，隨后進(jìn)行干燥，形成駐極體材料[7]。近年來，國內(nèi)外也公開了一些水駐極技術(shù)和設(shè)備的相關(guān)專利[8-9]。

目前分析研究水駐極產(chǎn)品性能的文章不多見。本文將水駐極技術(shù)與電駐極技術(shù)進(jìn)行對比，以聚丙烯熔噴材料為基材，對駐極前后熔噴材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并設(shè)計(jì)鹽性和油性的動(dòng)靜態(tài)過濾性能測試及老化試驗(yàn)，通過計(jì)算品質(zhì)因子來對二者的過濾性能進(jìn)行綜合評價(jià)。初步總結(jié)水駐極產(chǎn)品的過濾特點(diǎn)及不同測試條件對其過濾性能的影響，以期為水駐極聚丙烯熔噴材料的實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考，為水駐極技術(shù)的帶電機(jī)理研究提供新方向和新思路。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

1.1.1 試驗(yàn)原料

共聚聚丙烯切片，熔融指數(shù)為1 500 g/(10 min)，

韓國LG公司生產(chǎn)。

1.1.2 熔噴基布制備

聚丙烯熔噴材料的制備工藝流程：熔體準(zhǔn)備→過濾→計(jì)量→熔體擠出→熔體牽伸→纖維形成→纖維冷卻→成網(wǎng)。以同樣的聚丙烯切片為原料，但因電駐極與水駐極所使用的駐極母粒有所不同，所以制備水駐極熔噴基布和電駐極熔噴基布所用的復(fù)合母粒會有細(xì)微區(qū)別。在熔噴生產(chǎn)工藝參數(shù)一致的條件下，由兩種復(fù)合母粒分別制得面密度為30 g/m2的水駐極熔噴基布和電駐極熔噴基布。

1.1.3 駐極工藝流程

水駐極聚丙烯熔噴材料的制備工藝流程：熔噴材料生產(chǎn)→去離子水制備→水駐極技術(shù)→烘干工藝。通過高壓水泵將去離子水輸送到噴水裝置，經(jīng)由噴嘴對熔噴材料進(jìn)行噴射，同時(shí)在過濾材料另一側(cè)放置抽吸裝置進(jìn)行抽吸，使液體和空氣氣流與纖維充分摩擦從而產(chǎn)生駐極電荷并沉積在過濾材料內(nèi)部。駐極完成后的熔噴材料通過傳送裝置送至烘箱進(jìn)行烘干。

使用線性充電的電暈充電方式制備電駐極聚丙烯熔噴材料，所用高壓電電壓為15 kV。

本文選取面密度均為30 g/m2的電駐極聚丙烯熔噴材料和水駐極聚丙烯熔噴材料，進(jìn)行對比分析，并以兩種駐極材料各自未經(jīng)駐極的熔噴基布為對照樣進(jìn)行研究。

1.2 試驗(yàn)儀器

FlexSEM 1000型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本HITACHI公司；SBC-12型離子濺射儀，北京中科科儀股份有限公司；YG(B)141G型織物厚度儀、YG(B)026G-500型電子織物強(qiáng)力儀，大榮紡織儀器有限公司；Nicolet6700型傅立葉紅外顯微成像光譜儀，賽默飛世爾科技；D/max-2550 PC型轉(zhuǎn)靶X射線衍射(XRD)儀，日本Rigaku公司；YG461G型全自動(dòng)透氣量儀，寧波紡織儀器廠；CFP-1000AI型孔徑分析儀，美國PMI公司；SPDR分離柱電介質(zhì)諧振器，波蘭QWED公司；TSI 8130A型、TSI 8130型自動(dòng)濾料測試儀，美國TSI公司；YG(B)751D型恒溫恒濕箱，溫州際高檢測儀器有限公司。

1.3 表面形態(tài)觀察

采用SEM觀察聚丙烯熔噴材料駐極前后的纖維表面形態(tài)，加速電壓為10 kV，試驗(yàn)前對樣品進(jìn)行高溫鍍金處理。

1.4 特征參數(shù)表征

1.4.1 厚度

參照GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測定》，用織物厚度儀對試樣進(jìn)行厚度測量，測試壓腳面積為20 cm2，壓重砝碼為200 cN。隨機(jī)選取測試點(diǎn)，每種試樣測試30次，計(jì)算其平均值和不勻率。

1.4.2 直徑

采用Nano Measurer 1.2.5軟件隨機(jī)測量試樣SEM圖內(nèi)的纖維直徑，每種試樣獲取150個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)算其平均直徑及直徑不勻率。

1.5 化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

采用傅立葉紅外顯微成像光譜儀，以KBr壓片法分別對駐極前后的聚丙烯熔噴材料進(jìn)行測試，掃描范圍為4 000～400 cm-1，最高分辨率為0.09 cm-1。

1.6 XRD測試

采用18 kW轉(zhuǎn)靶XRD儀對試樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，掃描2θ為5°～60°，掃描速率為20 (°)/min，電壓為40 kV，電流為150 mA。利用Jade軟件對試樣的XRD圖進(jìn)行擬合、分峰等處理，并計(jì)算試樣的結(jié)晶度及晶粒尺寸。其中結(jié)晶度的計(jì)算使用Hinrichsen方法[10]：

式中：XC為樣品的相對結(jié)晶度；Acrystallization為衍射峰面積；Aamorphous為無規(guī)區(qū)域面積及背底面積。結(jié)晶度的計(jì)算即是將擬合后的結(jié)晶峰面積除以衍射曲面的總面積。

在計(jì)算試樣中晶粒尺寸時(shí)，選擇積分面積占比最大的3個(gè)峰分別計(jì)算，取平均值作為最后的晶粒尺寸值，其公式為Scherrer公式變換式[11]：

式中：D為垂直于(hkl)面的晶粒尺寸；K為Scherrer常數(shù)；β為衍射峰的半寬高；λ為X射線的波長(0.154 06 nm)；θ為Bragg衍射角。本文K=0.89。

1.7 基本性能測試

1.7.1 力學(xué)性能

參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》，將試樣裁剪成25 cm×5 cm，每種試樣縱向、橫向各5塊。設(shè)置預(yù)加張力為2 N，隔距為200 mm，拉伸速率為100 mm/min。采用電子織物強(qiáng)力儀測量試樣的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率，取其平均值為測量結(jié)果。

1.7.2 透氣性

參照GB/T 24218.15—2018《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第15部分：透氣性的測定》，采用全自動(dòng)透氣量儀測量試樣的透氣性，測試面積為20 cm2，測試壓強(qiáng)為200 Pa。隨機(jī)選取測試點(diǎn)，每種試樣測試5次，并計(jì)算平均值。

1.7.3 孔徑

采用孔徑測試儀，通過泡點(diǎn)法測試聚丙烯熔噴材料駐極前后的最小孔徑、最大孔徑及平均孔徑。

1.8 介電性能測試

將試樣裁剪成13 cm×13 cm，每種試樣各3塊，采用SPDR分離柱電介質(zhì)諧振器測試聚丙烯熔噴材料駐極前后的介電常數(shù)和介電損耗角正切值，測試頻率為1.1 GHz，以每種試樣測試數(shù)據(jù)的平均值作為測試結(jié)果。

1.9 過濾性能分析

評價(jià)過濾材料性能的主要指標(biāo)為過濾效率和過濾阻力，而這兩個(gè)指標(biāo)往往是相互制約的。為了綜合衡量某一過濾材料的過濾性能，有研究者提出了品質(zhì)因子Qf：

式中：Qf為品質(zhì)因子，Pa-1；η為過濾效率，%；Δp為過濾阻力，Pa。過濾材料的過濾性能越好，Qf越大[12]。

1.9.1 過濾性能測試

采用自動(dòng)濾料測試儀，分別在32、 60、 85 L/min的氣體流速下，測試試樣的鹽性過濾性能和油性過濾性能。所用氣溶膠類型分別為質(zhì)量中徑為0.26 μm的NaCl固體氣溶膠和質(zhì)量中徑為0.33 μm的石蠟油液體氣溶膠。在相應(yīng)的氣體流速下，每種樣品測試3次，以其平均值為測試結(jié)果，并計(jì)算品質(zhì)因子。

1.9.2 加載過濾性能測試

采用TSI自動(dòng)濾料測試儀，在85 L/min的氣體流速下，分別以NaCl氣溶膠粒子和石蠟油氣溶膠粒子為塵源，對電駐極和水駐極試樣進(jìn)行鹽性和油性加載過濾性能測試。鹽性和油性加載過濾總時(shí)間均為20 min，每隔1 min記錄一次樣品的過濾效率及過濾阻力，并繪制變化曲線。

1.10 老化試驗(yàn)

采用YG(B)751D型恒溫恒濕箱對電駐極材料和水駐極熔噴材料進(jìn)行高低溫老化處理。首先將試樣裁剪成15 cm×15 cm，每種試樣各兩塊。一塊放入溫度設(shè)定為-30 ℃、濕度為65%的恒溫恒濕箱中低溫老化24 h；另一塊放入溫度設(shè)定為70 ℃、濕度為65%的恒溫恒濕箱中高溫老化24 h。老化處理完畢后，將兩組試樣置于室溫環(huán)境下4 h，再對試樣進(jìn)行鹽性和油性過濾性能測試，測試氣體流速為32 L/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形態(tài)結(jié)構(gòu)及特征參數(shù)分析

圖1為聚丙烯熔噴材料駐極前后的SEM圖，熔噴材料纖維交錯(cuò)排列，呈無規(guī)則的三維雜亂結(jié)構(gòu)，纖維直徑較小且含大量孔隙。由圖1a)和1b)可見，電駐極前,纖維粗細(xì)均勻，表面較為光滑；電駐極后，纖維表面出現(xiàn)了隆起和凹坑，這是因?yàn)楦邏弘娛咕郾┓肿渔湴l(fā)生斷裂并逐漸堆積[13]。觀察圖1b)和1d)可發(fā)現(xiàn)：在同樣的放大倍數(shù)下，水駐極材料的纖維直徑明顯小于電駐極材料；水駐極后，水氣流對纖維的沖擊作用使纖維排列更加緊密，而纖維表面的粗糙程度沒有發(fā)生太大變化。

圖1 聚丙烯熔噴材料駐極前后的表面形態(tài)

熔噴工藝是一種通過熱空氣高速氣流牽伸的非穩(wěn)態(tài)紡絲工藝，生產(chǎn)中的各種因素都可能使材料的特征參數(shù)出現(xiàn)不勻。表1為試樣的基本特征參數(shù)。

表1 聚丙烯熔噴材料的基本特征參數(shù)

從表1的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過兩種不同方式駐極后，材料的厚度不勻率均有不同程度的增加，其中水駐極材料的厚度不勻率變化較小。在水駐極時(shí)，水氣流沿厚度方向垂直地從材料中穿過，并均勻地作用在材料的縱橫向；而電駐極在放電時(shí)易產(chǎn)生不均勻電場，導(dǎo)致駐極效果不均勻，所以水駐極材料的厚度不勻率增加程度小于電駐極材料。在水駐極過程中，從高壓水泵中噴射而出的水氣流會對材料產(chǎn)生厚度方向的物理沖擊和擠壓，從而使材料的厚度減??；而電駐極技術(shù)會使熔噴材料變蓬松，從而使得厚度增大。

2.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖2為聚丙烯熔噴材料駐極前后的紅外光譜圖，波數(shù)1 640 cm-1處的特征峰為KBr受潮產(chǎn)生的水峰，不納入具體分析。3 000～2 800 cm-1頻率范圍內(nèi)主要是聚丙烯C—H伸縮振動(dòng)模式的紅外吸收譜帶；1 500～1 350 cm-1頻率范圍內(nèi)主要是聚丙烯C—H彎曲振動(dòng)模式的紅外吸收譜帶[14]。對比可知，水駐極后聚丙烯熔噴材料的波譜圖中沒有出現(xiàn)新的特征峰，材料內(nèi)沒有出現(xiàn)新的官能團(tuán)；駐極前后材料相應(yīng)特征峰的強(qiáng)度基本一致。這說明水駐極技術(shù)并不會改變聚丙烯熔噴材料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖2 聚丙烯熔噴材料的紅外光譜圖

2.3 XRD分析

聚丙烯是一種半結(jié)晶聚合物，聚丙烯熔噴材料的晶型、晶粒尺寸、結(jié)晶度等結(jié)晶行為與駐極體的電荷穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系[15]。圖3為試樣的XRD圖譜，表2為根據(jù)XRD圖譜計(jì)算出的試樣晶粒尺寸及結(jié)晶度結(jié)果。分析可知4種試樣均具有聚丙烯α

圖3 聚丙烯熔噴材料的XRD圖譜

表2 從XRD圖譜計(jì)算的聚丙烯熔噴材料晶體參數(shù)

晶型的衍射特征峰，特征峰晶面為(110)、(040)、(130)、(111)，其各自對應(yīng)的2θ角分別為14.0°、17.0°、18.5°、21.5°[16]。由圖3可知駐極前后聚丙烯熔噴材料的晶型均未發(fā)生較大變化，主要為α晶型。另有研究表明相較β晶型，α晶型的聚丙烯熔噴材料具有更高的空間電荷密度，材料中的無定形區(qū)域面積更大，捕獲空間電荷的“陷阱”密度也更高[17]。

結(jié)晶度反映了材料內(nèi)晶區(qū)與非晶區(qū)的比例，而駐極體的電荷“陷阱”主要存在于材料的晶區(qū)之間或晶區(qū)與非晶區(qū)之間的界面，影響著駐極體的電荷存儲容量[18]。表2數(shù)據(jù)顯示，未經(jīng)駐極時(shí)兩種試樣的結(jié)晶度幾乎沒有區(qū)別，經(jīng)過水駐極的試樣的結(jié)晶度略有下降。經(jīng)過不同駐極處理后，兩種試樣的晶粒尺寸均未發(fā)生顯著變化，值得注意的是水駐極材料的晶粒尺寸為88×10-10m，明顯小于電駐極材料。駐極材料的晶粒尺寸會影響駐極體的電荷穩(wěn)定性，晶粒尺寸越小，電荷衰減速率越慢，其穩(wěn)定性也越高[19]。

2.4 基本性能分析

2.4.1 拉伸性能分析

熔噴非織造材料的強(qiáng)力取決于纖維本身的強(qiáng)力和纖維間熱黏合點(diǎn)的強(qiáng)力，從表3中可以看出聚丙烯熔噴材料駐極前后的拉伸性能變化情況。經(jīng)兩種方式駐極后，材料的縱向、橫向斷裂強(qiáng)力均有所下降，其中電駐極材料的斷裂強(qiáng)力下降更為明顯；縱向斷裂伸長率有顯著降低，橫向斷裂伸長率變化不大。

表3 聚丙烯熔噴材料的拉伸性能

水駐極后，聚丙烯熔噴材料的面密度及厚度不勻率略有變大，導(dǎo)致纖維網(wǎng)不勻程度加大，水氣流作用使纖維間纏結(jié)抱合程度下降、結(jié)構(gòu)破壞，從而導(dǎo)致其斷裂強(qiáng)力下降。而電駐極材料除了自身不勻率增加外，經(jīng)過電暈處理后，纖維會受到一定的損傷，且電駐極后材料的結(jié)晶度變大、材料變脆，其斷裂強(qiáng)力下降更為明顯。

2.4.2 孔徑和透氣性能分析

由表4可知，兩種駐極技術(shù)對聚丙烯熔噴材料的孔徑和透氣性的影響均不大，這是因?yàn)轳v極技術(shù)并未改變?nèi)蹏姺强椩觳牧媳旧硭邆涞娜S雜亂結(jié)構(gòu)、多向立體微細(xì)彎曲孔道和纖維本身特性。水駐極材料駐極前后的平均孔徑均小于電駐極熔噴材料，其透氣性均大于電駐極熔噴材料。這是因?yàn)樵诓牧厦婷芏认嗤那闆r下，纖維直徑越小，平均孔徑越小。

表4 聚丙烯熔噴材料的孔徑和透氣性

2.5 介電性能分析

駐極材料的電荷穩(wěn)定性是衡量材料性能優(yōu)劣的重要依據(jù)，表5為試樣的介電性能測試結(jié)果。一般而言，材料的介電常數(shù)越大，介電損耗角正切值越小，材料的絕緣性就越好，越容易產(chǎn)生靜電荷且其不易衰減[20]。從表5可以看出，水駐極后材料的介電常數(shù)變大，介電損耗正切值變??；而電駐極材料的介電常數(shù)變小，介電損耗正切值變大。這說明水駐極材料更易產(chǎn)生靜電荷且電荷儲存更加穩(wěn)定。

表5 聚丙烯熔噴材料的介電性能

2.6 過濾性能分析

空氣中氣溶膠粒子的過濾機(jī)理主要包括攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、重力效應(yīng)和靜電效應(yīng)，其中重力效應(yīng)和攔截效應(yīng)主要針對大粒徑氣溶膠，本文過濾性能測試所使用的粒子直徑均小于0.5 μm，因此重力效應(yīng)和攔截效應(yīng)可忽略不計(jì)。

2.6.1 鹽性過濾性能

圖4為4種試樣在鹽性過濾測試中不同氣體流速下的過濾效率和過濾阻力，表6為試樣的品質(zhì)因子。

圖4 聚丙烯熔噴材料的鹽性過濾性能

表6 不同鹽性過濾測試流速下試樣的品質(zhì)因子

圖4中未駐極聚丙烯熔噴材料的過濾效率明顯低于駐極后的聚丙烯熔噴材料。這是因?yàn)槲瘩v極聚丙烯熔噴材料的過濾主要依靠慣性效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)等機(jī)械阻擋作用，對亞微米級粒子的過濾效果有限；而駐極后的聚丙烯熔噴材料帶有駐極體電荷，主要依靠靜電效應(yīng)吸附氣溶膠粒子，從而有效提高了過濾效率。材料的過濾阻力與其直徑有很大關(guān)系，材料的直徑越大，過濾阻力也越大。由表1可知，水駐極材料的直徑小于電駐極材料，因此在同樣的測試條件下其過濾阻力小于電駐極材料。

隨著氣體流速的增加，4種試樣的過濾效率均呈下降趨勢。這與粒子在材料中的滯留時(shí)間有關(guān)，氣體流速越低，粒子在過濾材料內(nèi)停留的時(shí)間越長，粒子就有更多的機(jī)會通過布朗擴(kuò)散與過濾材料進(jìn)行碰撞而被捕集。當(dāng)氣體流速增加時(shí)，粒子通過過濾材料的時(shí)間變短，過濾材料對粒子的捕獲作用削弱，從而使得過濾效率下降[21]。與此同時(shí)，4種試樣的過濾阻力隨氣體流速的增加基本呈線性增加，理論上符合達(dá)西定律中過濾阻力與氣體流速的正比例關(guān)系[22]。

當(dāng)氣體流速由32 L/min增加到85 L/min時(shí)，水駐極材料的過濾效率從99.98%下降到99.73%，相較電駐極材料，其下降速率更為緩慢。從表6中也可看出在3個(gè)不同的測試流速下，水駐極材料的Qf均高于電駐極材料。這表示水駐極材料受氣體流速變化的影響更小，過濾性能更穩(wěn)定。

結(jié)合上述各項(xiàng)性能表征及測試結(jié)果可知，水駐極熔噴材料在鹽性過濾性能測試中表現(xiàn)出較高的品質(zhì)因子。相較電駐極試樣，水駐極試樣的孔徑及直徑較小，氣溶膠粒子進(jìn)行布朗擴(kuò)散時(shí)更容易與水駐極試樣的纖維發(fā)生碰撞進(jìn)而被攔截。從結(jié)晶行為上來看，水駐極試樣的纖維晶胞的晶粒尺寸較小，纖維含有更多的晶區(qū)/非晶區(qū)界面，電荷儲存能力更強(qiáng)。電駐極熔噴材料的駐極體電荷主要分布在材料的表面，儲存空間有限，而水駐極處理使熔噴材料的帶電“陷阱”大部分分布在材料內(nèi)部，駐極體電荷的儲存空間更大，過濾材料所帶靜電量明顯增加。水駐極試樣的介電常數(shù)變大，介電損耗正切值變小，試樣內(nèi)更易產(chǎn)生靜電荷且電荷儲存也更加穩(wěn)定。綜上，水駐極技術(shù)能極大提高熔噴過濾材料對氣溶膠粒子的靜電吸附作用，從而使得過濾材料的過濾效率得到明顯改善。

2.6.2 油性過濾性能

油性過濾測試所用的氣溶膠類型為石蠟油。石蠟油為極性非離子型化合物，由于分子間的庫侖力作用，粒子一般呈電中性。在與材料內(nèi)帶電“陷阱”接觸前，油性粒子主要依靠慣性效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)與纖維發(fā)生碰撞；當(dāng)粒子與材料內(nèi)帶電“陷阱”接觸后，在駐極體靜電場的作用下，粒子會因極化帶電從而產(chǎn)生靜電效應(yīng)[23]。圖5為試樣的油性過濾性能。

圖5 聚丙烯熔噴材料油性過濾性能

從圖5可以看出駐極后材料的油性過濾效率得到明顯提升，這是因?yàn)殪o電效應(yīng)顯著提高了材料對油性粒子的過濾能力。將兩種駐極方式進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，水駐極材料的過濾效率增加得更多，在3個(gè)不同的測試流速下，水駐極材料對油性粒子的過濾效率較未駐極前均增加了一倍以上。隨著測試氣體流速增大，水駐極材料的過濾效率從99.94%變化至99.69%，僅減少了0.25%，其過濾阻力上升得也更加緩慢。表7為試樣在油性過濾測試中的品質(zhì)因子，數(shù)據(jù)顯示在測試的任一氣體流速下，水駐極材料的品質(zhì)因子均遠(yuǎn)大于電駐極材料，直觀地反映了水駐極產(chǎn)品優(yōu)良的油性過濾性能。

表7 不同油性測試流速下試樣的品質(zhì)因子

2.6.3 加載過濾性能

2.6.3.1 鹽性加載過濾性能

圖6為駐極材料鹽性加載20 min后的SEM圖，從圖6中可以觀察到，加載后NaCl粒子堆積在纖維表面和內(nèi)部并形成濾餅層，已吸附在纖維上的粒子繼續(xù)吸附其他粒子并生長成帶有“樹突”結(jié)構(gòu)的粒子鏈，如圖6虛線框所示，粒子鏈進(jìn)一步纏繞形成粒子團(tuán)。在測試條件一致的情況下，水駐極材料所形成的濾餅層更加密實(shí)，出現(xiàn)的“樹突”結(jié)構(gòu)也更多，所形成的粒子團(tuán)也更大。

圖6 聚丙烯駐極熔噴材料鹽性加載SEM

圖7為駐極材料的過濾效率及過濾阻力隨加載時(shí)間變化的曲線圖，兩種駐極材料的過濾效率隨加載時(shí)間的增加，均呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢，同時(shí)其過濾阻力持續(xù)上升。這是因?yàn)樵邴}性加載試驗(yàn)的開始，NaCl粒子逐漸沉積在纖維表面，過濾材料中的駐極體電荷被NaCl粒子在過濾中電離產(chǎn)生的相反電性的電荷所中和而導(dǎo)致靜電吸附作用減弱，表現(xiàn)為過濾效率的下降[24]。

圖7 聚丙烯駐極熔噴材料的鹽性加載過濾性能曲線圖

隨著加載時(shí)間的延長，氣溶膠粒子持續(xù)堆積到過濾材料內(nèi)部，由于NaCl粒子本身就具有一定的導(dǎo)電性，已被吸附的粒子和纖維一起成為捕獲氣流中氣溶膠粒子的主體，使過濾材料的靜電效應(yīng)得到增強(qiáng)。材料內(nèi)部孔隙被填滿后粒子在過濾材料表面持續(xù)堆積形成濾餅層，此時(shí)過濾材料的機(jī)械阻擋作用得到增強(qiáng)，從而過濾效率也得到提高[25]。在整個(gè)加載過程中，過濾材料內(nèi)纖維間的孔隙逐漸被堵塞，過濾材料的致密程度不斷增加，導(dǎo)致過濾阻力不斷上升。

2.6.3.2 油性加載過濾性能

油性加載過濾試驗(yàn)中，石蠟油粒子以液態(tài)形式聚結(jié)在纖維上，與NaCl粒子加載后產(chǎn)生的永久性侵入結(jié)構(gòu)不同，油性粒子聚結(jié)后會發(fā)生流動(dòng)，其加載現(xiàn)象也與固體氣溶膠粒子有很大區(qū)別。從圖8可以看出，駐極材料的過濾效率隨加載時(shí)間延長均不斷下降，其中水駐極材料的過濾效率下降得更少。當(dāng)氣體流速為85 L/min時(shí)，油性加載20 min后，水駐極材料的過濾效率僅下降了0.95%，而電駐極材料的過濾效率卻下降了10.97%。

圖8 聚丙烯駐極熔噴材料的油性加載過濾性能曲線圖

聚丙烯材料具有親油性，油性粒子沉積在纖維表面時(shí)會逐漸潤濕纖維，并聚結(jié)形成液滴和液膜，又因油性粒子不具有導(dǎo)電性，所形成的液膜覆蓋在纖維上會減小材料靜電吸附的有效面積，從而導(dǎo)致過濾效率下降。水駐極材料的過濾效率下降緩慢。一方面，水駐極材料的靜電量充足且主要分布在材料內(nèi)部，能充分地利用熔噴材料內(nèi)的彎曲孔道對油性粒子進(jìn)行吸附攔截；而電駐極材料的駐極體電荷主要分布在材料表面，對粒子的靜電吸附能力有限，油性粒子容易穿透材料以致過濾效率下降迅速。另一方面，水駐極材料的纖維直徑及孔徑更小，材料本身對油性粒子的機(jī)械阻擋作用也更強(qiáng)，同時(shí)這也是水駐極材料加載過程中過濾阻力更大的原因。

2.7 老化試驗(yàn)分析

上述試驗(yàn)證明駐極后的聚丙烯熔噴材料的過濾性能會得到顯著提高，但在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)輸過程中材料內(nèi)的駐極體電荷會受到環(huán)境溫濕度的影響而發(fā)生衰減，材料的過濾性能也會隨之發(fā)生變化。為了研究水駐極產(chǎn)品的過濾性能隨溫度的變化情況，本文設(shè)計(jì)了水駐極材料的高低溫老化試驗(yàn)，并將其與電駐極材料進(jìn)行對比，表8和表9分別為兩種駐極材料經(jīng)過高低溫老化試驗(yàn)后的鹽性和油性過濾性能測試結(jié)果。

表8 聚丙烯駐極熔噴材料老化試驗(yàn)后的鹽性過濾性能

表9 聚丙烯駐極熔噴材料老化試驗(yàn)后的油性過濾性能

表8和表9的數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過-30 ℃的低溫處理或70 ℃的高溫處理后，駐極材料的鹽性以及油性過濾效率均會下降，且高溫老化后材料過濾效果下降更為明顯；而水駐極材料的過濾阻力會在低溫處理后變大，高溫處理后變小。經(jīng)-30 ℃的低溫處理后，材料內(nèi)部分帶電“陷阱”處于凍結(jié)的狀態(tài)，過濾效率會略有下降。而經(jīng)70 ℃高溫處理后，材料帶電“陷阱”中的電荷會具有更高的能量，同時(shí)使得材料內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)加快，“陷阱”內(nèi)部分電荷被釋放后逸出或被中和，因此高溫會加快材料中電荷的衰減速率[26]。

對比可知，在高低溫老化試驗(yàn)中水駐極試樣的過濾效率更加穩(wěn)定，其鹽性及油性過濾效率下降程度明顯小于電駐極試樣。試驗(yàn)結(jié)果表明在高低溫環(huán)境中水駐極熔噴過濾材料的電荷儲存穩(wěn)定性更強(qiáng)，過濾材料內(nèi)電荷衰減受溫度影響較小。

3 結(jié)論

本文對聚丙烯熔噴材料水駐極前后的試樣進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征和過濾性能測試，并對比電駐極聚丙烯熔噴材料，得到以下結(jié)論：

(1) 水駐極技術(shù)并不改變聚丙烯纖維的表面形態(tài)及主體化學(xué)結(jié)構(gòu)，但會使熔噴材料的厚度減小，力學(xué)性能略有下降。

(2) 水駐極聚丙烯熔噴材料的晶胞結(jié)構(gòu)主要為α晶型，駐極不改變材料的結(jié)晶度及晶粒尺寸。

(3) 水駐極聚丙烯熔噴材料的介電常數(shù)變大，介電損耗正切值變小。與電駐極材料相比，水駐極材料更易產(chǎn)生靜電荷，且電荷不易衰減。

(4) 當(dāng)氣體流速由32 L/min增加到85 L/min時(shí)，水駐極材料的鹽性過濾效率從99.98%變化為99.73%，油性過濾效率從99.94%變化為99.69%。對比電駐極材料，水駐極材料的品質(zhì)因子更高，過濾效果更好。

(5) 當(dāng)氣體流速為85 L/min時(shí)，水駐極材料經(jīng)鹽性和油性加載20 min后過濾效率分別下降了0.93%、0.95%，表現(xiàn)出穩(wěn)定且優(yōu)良的過濾性能。結(jié)合加載后SEM圖分析可知，水駐極材料的駐極體電荷主要分布在纖維網(wǎng)內(nèi)部，靜電量充足，對氣溶膠粒子的吸附更加高效充分。

(6) 經(jīng)高低溫老化試驗(yàn)后，材料過濾性能測試結(jié)果表明，水駐極材料內(nèi)的電荷衰減受溫度的影響較小。