錢 幺， 趙寶寶， 鄧 輝， 錢曉明

(天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387)

摩擦駐極對聚四氟乙烯纖維非織造布過濾性能的影響

錢 幺， 趙寶寶， 鄧 輝， 錢曉明

(天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387)

為研究聚四氟乙烯(PTFE)纖維在加工過程中的摩擦效應所產(chǎn)生的靜電荷對非織造材料過濾效率的影響機制，制備高效低阻的非織造過濾材料。選取PTFE纖維為原料，經(jīng)過短纖維梳理、針刺復合制備了不同面密度的PTFE纖維針刺非織造布，測試了摩擦駐極后0～40 d內(nèi)非織造布的表面靜電勢以及過濾性能，并分析了針刺非織造布的電荷存儲穩(wěn)定性。結果表明：經(jīng)過梳理、針刺加工的PTFE纖維非織造布具有很高的過濾效率和較低的過濾阻力；面密度越大，非織造布的表面電勢越大，過濾效率越高，面密度為220 g/m2的PTFE纖維摩擦駐極過濾材料對0.26 μm顆粒物的過濾效率可達99%以上，并且靜電衰減周期較長；水浸泡對靜電衰減的影響較小。

聚四氟乙烯纖維； 針刺； 摩擦起電； 駐極； 靜電衰減； 過濾

近年來，我國華北地區(qū)備受霧霾氣候困擾，究其原因是由于空氣中含有大量微小顆粒物。駐極體過濾材料是有效防范和治理PM2.5污染的重要途徑，其利用機械過濾機制和靜電吸附機制的協(xié)同作用實現(xiàn)過濾效率的提高。駐極技術可有效地使纖維質(zhì)材料帶靜電，熱極化、電暈放電、靜電紡絲、摩擦起電等方式是目前研究與應用于非織造過濾材料的常見駐極方法[1-3]。電暈放電是由于非均勻電場引起的空氣局部擊穿而產(chǎn)生放電現(xiàn)象，產(chǎn)生的離子束轟擊纖維電介質(zhì)材料并沉積在纖維材料內(nèi)[4-6]。摩擦起電是2種不同電性的纖維在梳理或針刺加工時，由于纖維之間相互摩擦并發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而帶上電荷[7-9]。目前，熱極化法和電暈放電法應用廣泛，技術成熟，主要用于熔噴[4,6]、針刺[10]、熱風[5]等非織造布的駐極加工，通常熱極化法加工后的非織造布需再次經(jīng)過電暈放電法(二次駐極)加工才能達到駐極要求。而研究與實際應用表明，這種駐極非織造布電荷衰減迅速，平均過濾效率低，而摩擦起電法駐極過濾材料具有更持久的靜電衰減周期[11]。聚四氟乙烯(PTFE)纖維是一種非極性高聚物[12]，介電性能較好，是理想的駐極材料，其中氟原子的極性強，吸附電子能力極大，因而在摩擦過程中極易吸附聚集電荷，駐極纖維可帶有上千伏電壓，纖維之間形成的電場可明顯提高濾料的過濾效率。本文研究以PTFE纖維為原料，通過摩擦作用使纖維帶電，提高非織造布材料的過濾效率，旨在制備高效低阻、抗靜電衰減的新型駐極過濾材料，不僅可拓展其在過濾領域的應用，而且可彌補現(xiàn)有駐極過濾材料的不足。

1 摩擦起電理論

靜電起電從微觀上可分為2類：物體在一定過程中得失電子或離子而引起帶電，如摩擦、剝離、吸附、噴電、電解等過程；物體受到外界作用時介質(zhì)內(nèi)部電荷重新分布而引起的帶電，如壓電、熱電、感應等作用。對摩擦起電現(xiàn)象人類早有記載和研究，但對摩擦起電機制的認識至今尚未得到一致的意見。目前大多數(shù)采用伏特-亥姆赫茲假說，認為摩擦起電是接觸效應產(chǎn)生的，摩擦增加了接觸點和接觸次數(shù)[13]。一般認為2個物體摩擦接觸時由于功函數(shù)的不同，帶電符號也就不同，極性高分子的介電常數(shù)大，功函數(shù)高，易帶正電；非極性高聚物的介電常數(shù)小，易帶負電(如PTFE)。常見物質(zhì)按照摩擦帶電序列進行排序，一般認為靜電序列上的位置相距越遠的2種物質(zhì)，摩擦后產(chǎn)生的靜電越多，電位差越大。摩擦過程實際上是沿著界面不斷進行接觸和分離的過程，摩擦引起的溫度上升、斷裂、熱分解、壓電效應、熱電效應等都會改變靜電電量[14]。研究表明，在一定的摩擦次數(shù)范圍內(nèi)，帶電量隨摩擦次數(shù)的增加而成反比例增加，直至飽和為止；當摩擦次數(shù)過量時，將會導致材料表面的磨損變質(zhì)，改變材料介電性質(zhì)，從而使帶電量降低[13,15]。

2 實驗部分

2.1材料及儀器

PTFE纖維(江蘇藍天環(huán)保集團有限公司)，纖維規(guī)格為0.333～0.555 tex×51 mm；橘瓣型雙組分紡粘水刺非織造布(廊坊中紡新元無紡材料有限公司)，面密度為40 g/m2。

EFM-022型靜電場測量儀(德國科納沃茨特公司)；TSI8130型濾料測試臺(美國TSI公司)；YG(B)461E型全自動透氣量儀(寧波紡織儀器廠)；YG141LA型數(shù)字式織物厚度儀(山東萊州市電子儀器有限公司)；CP224C型數(shù)字式電子天平(上海奧豪斯儀器有限公司)。

2.2試樣制備

纖維材料在加工過程中的靜電產(chǎn)生易受纖維材質(zhì)、空氣濕度、摩擦頻率以及纖維摩擦截面的面積等因素的影響。文獻[9]指出，在加工PTFE纖維針刺非織造材料時，一般通過調(diào)整工藝參數(shù)控制纖維的摩擦頻率和纖維摩擦截面的面積，減少靜電的產(chǎn)生。由于PTFE纖維的比重大，表面光滑，成網(wǎng)過程中纖維易滑移，造成纖維網(wǎng)不勻，影響產(chǎn)品強度；而且纖維與金屬針布之間摩擦產(chǎn)生大量電荷，在針刺過程中易散失，因此在PTFE纖維網(wǎng)的上下包覆一層薄型雙組分紡粘水刺布，通過針刺加固以復合，不僅可提高纖維網(wǎng)的強度，而且防止PTFE纖維上的靜電荷直接逸散。

試樣制備工藝路線如圖1所示。首先，PTFE纖維經(jīng)過開松、梳理，形成一定厚度的纖維網(wǎng)，經(jīng)特殊工藝剝?nèi)±w維網(wǎng)，平鋪在橘瓣型雙組分紡粘水刺非織造布(面密度為40 g/m2)上，同時在PTFE纖維網(wǎng)上面覆蓋一層雙組分紡粘水刺非織造布(面密度為40 g/m2)，3層結構經(jīng)過針刺固網(wǎng)加以復合，制得試樣。

注：PET—滌綸；PA6—聚酰胺6。圖1 試樣制備工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of sample preparation

利用實驗室梳理、針刺設備制備了4種不同面密度的纖維網(wǎng)，分別為120、150、180、220 g/m2，試樣編號分別為1#、2#、3#、4#。

2.3性能測試

2.3.1試樣基本性能測試

根據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》，采用織物厚度儀測量試樣的厚度。根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用全自動透氣量儀對試樣的透氣率進行測量，測試壓差為200 Pa，測試面積為20 cm2。

2.3.2表面電勢測試

采用手持式EFM-022型靜電場測量儀測量表面電勢，探頭距試樣的垂直距離約為20 mm，可自動將場強根據(jù)選定的測試距離轉(zhuǎn)換為靜電位。

2.3.3孔徑分布測試

濾料的孔徑分布由孔徑分布儀測定，測試液表面張力為16 mN/m，待測試樣直徑為20 mm，樣品夾具直徑為23 mm，測試流量為2 000 L/h，測試中可得到濾料的孔徑分布及平均孔徑。

2.3.4水浸泡前后的過濾性能測試

根據(jù)EN 1822.1—2009《高效空氣濾清器EPA，HEPA和ULPA 第1部分：分類，性能試驗，標記》，采用濾料測試臺對所制備試樣的過濾性能進行測試，所用氣溶膠為鹽顆粒(NaCl)，平均粒徑為0.26 μm，測試氣體流量為32 L/min，過濾效率測試精度為99.999%。測試中可讀取的測試值為透過率和阻力，需要對過濾效率值進行計算。

E=(1-P)×100%

式中：E為過濾效率，%；P為透過率，%。

用去離子水對試樣進行浸泡處理，控制浸泡時間分別為2、4、6 h，然后取出烘干，測量試樣在32 L/min流量下的過濾效率、過濾阻力，與浸泡前的測試數(shù)據(jù)進行對比。

3 結果與分析

3.1試樣性能測試結果與分析

各試樣的面密度、厚度、透氣率、過濾性能、平均孔徑的測試結果如表1所示。由表可看出，隨著面密度的增加，即單位面積內(nèi)PTFE纖維含量的增加，過濾效率、過濾阻力均不斷增大，非織造布的透氣率明顯降低。其中試樣4#的初始過濾效率可高達99.163%。通過測試各試樣的孔徑分布可發(fā)現(xiàn)，其主體孔徑分布在10～30 μm之間，平均孔徑比一般熔噴駐極濾料要大，因而具有很好的透氣性能和較低的過濾阻力。試樣1#的平均孔徑最大，因此過濾效率、過濾阻力均最低。

表1 試樣性能Tab.1 Properties of samples

3.2PTFE纖維非織造布的電荷穩(wěn)定性能

通過測試對比各試樣的過濾效率、過濾阻力，分析PTFE纖維非織造布的電荷穩(wěn)定性。圖2、3分別示出各試樣在存放過程中的過濾效率和過濾阻力變化情況，流量為32 L/min。

圖2 試樣的過濾效率隨時間的變化Fig.2 Filtration efficiency of samples vs. time

圖3 試樣的過濾阻力隨時間的變化Fig.3 Filtration resistance of samples vs. time

從圖2中可看出，試樣4#前10 d的過濾效率基本不變，到第15 d開始緩慢降低，到第40 d時仍然保持在92%以上的較高過濾效率，而其他試樣在前10 d的過濾效率較4#明顯。對比4種試樣的衰減曲線可看出，面密度越低，過濾效率越低，并且過濾效率衰減相對越快，原因是低面密度的試樣其厚度相對較低，而駐極后的捕獲電荷儲存于纖維表面，纖維內(nèi)部的電荷向外界轉(zhuǎn)移的路徑更小，因此電荷更易泄露、耗散，從而導致靜電更快衰減[16]。由圖3可看出，4種試樣過濾阻力基本無變化，原因是纖維表面靜電荷的改變對纖維之間結構幾乎無影響，因此試樣透氣性能保持不變。

圖4示出4種試樣的表面電勢隨時間的變化。采用靜電場測量儀對樣品的表面電勢進行測試可看出，在開始一段時間內(nèi)濾料的表面電勢大幅下降，但40 d后仍能保持-4 kV以上的較高靜電勢，因而具有較高的過濾效率。原因是PET-PA6雙組分紡粘水刺布的包覆作用，PTFE纖維的電荷難以傳導出去，可很大程度上降低靜電泄漏的幾率，從而減緩靜電衰減的過程。

圖4 試樣表面電勢隨時間的衰減Fig.4 Surface potential attenuation of samples

3.3水浸泡對駐極性能的影響

濕度是影響駐極體過濾材料靜電衰減的主要原因之一，空氣中或纖維中的水分含量直接影響電荷的存儲穩(wěn)定性。通過用去離子水對試樣進行浸泡處理，然后烘干測試，研究了試樣在水中浸泡時間對過濾效率的影響，結果如表2所示?？煽闯觯嚇咏莺蟮倪^濾阻力無變化，過濾效率有所降低，但浸泡處理6 h后，過濾效率僅降低9%左右，表明該濾料具

表2 浸泡時間對過濾性能的影響Tab.2 Influence of soaking time on filtration efficiency

有較高的抗靜電衰減性能，與文獻[17]的結論一致，但一定濃度的有機溶劑對駐極體的電荷衰減有著顯著影響。盡管駐極體過濾材料的靜電衰減機制是限制其應用發(fā)展的障礙，但是至今也尚未得到明確闡述。

4 結 論

1)PTFE纖維由于具有較強的極性，因此極易摩擦駐極，且?guī)щ娏看螅砻骐妱莞?，電荷存儲穩(wěn)定性強，不易衰減；試樣在去離子水中浸泡6 h，對過濾效率影響較小。

2)面密度為220 g/m2的PTFE纖維摩擦駐極過濾材料對0.26 μm顆粒物的過濾效率可達99%以上，并且靜電衰減周期較長，40 d以后仍然具有較高的過濾效率。

3)PET-PA6雙組分超細纖維的比電阻大，纖維回潮率較低，具有優(yōu)良的電絕緣性，PTFE纖維駐極后的電荷難以通過外層纖維傳導出去，很大程度上降低了靜電泄漏的概率，減緩了靜電衰減的過程。

FZXB

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Filtrationperformanceofpolytetrafluoroethylenefiberelectretfabricchargedbytribo-electricity

QIAN Yao, ZHAO Baobao, DENG Hui, QIAN Xiaoming

(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to study the influence mechanism of static charge generated by friction in the process on the filtration efficiency of polytetrafluoroethylene (PTFE) fiber nonwoven materials, and prepare high filtration efficient low resistance nonwoven filter material, PTFE-fiber was selected as the raw material, and the puncture nonwoven fabric with different weights were prepared by staple combing and needling. The surface electrostatic potential and the filtration performance of the nonwovens were measured in the range from 0 to 40 d after tribo-charging, and the charge storage stability of needled nonwovens was analyzed. The results show that the PTFE-fiber nonwoven fabrics treated by carding and needle punching process have high filtration efficiency and low resistance. The higher the weight is, the higher the surface potential and the filtration efficiency of the nonwovens. PTFE-fiber filter material charged by taibo-electric with the weight of 220 g/m2can capture more than 99% particles of 0.26 μm, and the electrostatic decay cycle is longer. Water soaking has little linfluence on the static decay.

polytetrafluoroethylene fiber; needling; tribo-electric charging; electret; static charge decay; filtration

10.13475/j.fzxb.20170501705

TS 176.4

A

2017-05-05

2017-07-29

國家科技支撐項目(2014BAE09B00)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃重點項目(15JCZDJC38500)；天津市科技計劃項目(14TXGCCX00014)

錢幺(1990—)，男，博士生。主要研究方向為非織造過濾材料。錢曉明，通信作者，E-mail：qxm@tjpu.edu.cn。