翟雯 韓世嬌 范偉思 蘆路路 李源 蔣秋冉

摘要：為攻克空氣濾材高濾效低壓降難以兼顧的瓶頸，進一步提高濾材的過濾性能，在導電機織濾材的研究基礎上增附儲電層。以聚對苯二甲酸乙二酯（PET）機織結構織物為基底，利用化學原位反應構筑結合層與導電層，而后采用靜電噴涂技術構筑具有微米顆粒結構的聚偏氟乙烯（PVDF）儲電層，最終獲得具有超疏松結構導儲結合特性的靜電負載功能濾材。研究靜電噴涂參數(shù)對濾材表觀形貌、厚度、力學性能、電學性能、透氣性的影響，并在有源靜電負載條件下研究濾材的過濾性能以及積塵分布情況，基于電場模擬分析過濾機理。結果表明：隨PVDF噴涂溶液質量分數(shù)提升和噴涂時間延長，在保證無細絲產生的條件下，PVDF附著量可在0～19.2 μg/cm2之間調整；3%噴涂質量分數(shù)、3 min的噴涂時間為最佳參數(shù)；濾材厚度、表面比電阻、頂破強力、透氣率不隨PVDF附著量變化而有顯著變化；濾材壓降也無明顯變化，可維持在超低值（6.7 Pa），但對PM2.5的濾效隨PVDF附著量增加和電壓的提高而提升，可達94.29%，品質因子高達0.43 Pa-1；靜電輔助下，積塵量減少，可推測靜電排斥為除塵機理之一，有利于提升過濾性能，延長濾料使用壽命。

關鍵詞：靜電輔助；空氣過濾；PM2.5；PVDF；靜電噴射；織物基濾料

中圖分類號：TS105.5

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）02-0112-10

隨著現(xiàn)代工業(yè)的進步和社會的發(fā)展，空氣污染愈發(fā)嚴重，由此引起的環(huán)境問題和造成的健康危害不容忽視。相較大尺度顆粒物，空氣動力學當量直徑不大于2.5 μm的細顆粒物（PM2.5）極易隨呼吸進入肺部，沉積在肺泡，甚至滲入血液，引發(fā)呼吸系統(tǒng)及心血管系統(tǒng)疾?。?］，因此對PM2.5的高效過濾成為控制PM2.5危害的主要手段，也是近年來的研究熱點。

傳統(tǒng)空氣過濾技術以機械過濾為主，包括慣性效應、重力效應、擴散效應和攔截效應。其過濾效率直接受到濾材纖維堆積密度及厚度的影響，通常濾阻較大，無法滿足高通量、低耗能的過濾需求。而基于靜電作用的過濾技術，因其顯著增強的過濾效果而備受關注，常見類型包括駐極體過濾器、靜電除塵器（Electrostatic precipitator，ESP），以及在二者基礎上發(fā)展而來的有源靜電輔助空氣過濾器。駐極體過濾器主要依靠預充電荷的靜電吸附作用去除空氣中的細顆粒物。由于存儲電荷有限，且會隨使用而衰減，其過濾效率的穩(wěn)定性不佳。駐極體濾材結構多為靜電紡納米纖維或非織造結構，強度有限，且一般結構致密，濾阻較大。ESP體系通過在平行金屬極板上負載高壓靜電，產生極板間強電場，將荷電的細顆粒物吸附到板上，但該技術不僅對亞微米級細顆粒物的單次收集效率較低，而且易發(fā)生二次揚塵。有源靜電輔助空氣過濾器將ESP的有源特性和駐極濾材的紡織材料基底特性相結合，可分為兩類，一種是將可極化的電絕緣材料置于通電支架形成的電場中極化，產生極化電場［2-7］；另一種是將高壓靜電直接連通至導電濾料上，在濾料周圍產生靜電場，從而實現(xiàn)對細顆粒物的過濾效果［8-10］。有源靜電輔助過濾器，因具有積極供電的設計，濾材所負電荷不會因逸散而減損。本團隊前期研究已在織物基底上利用化學原位反應制備了導電層，并探究了導電層相關參數(shù)對過濾效率的提升效果影響規(guī)律。然而，僅具有電荷傳導功能的有源靜電負載濾材對電荷的存貯能力有限。為進一步提升濾材過濾效果，本文在團隊前期研究成果及結論的基礎上，在導電層上增附儲電層，并集中對儲電層的設計進行討論研究。通過采用導儲結合的設計理念，在超疏松機織聚對苯二甲酸乙二酯（滌綸，PET）基材上構建結合層、導電層、儲電層的多層結構，開發(fā)一種新型導儲復合型靜電輔助空氣濾材，將充電電場和極化電場兩個獨立部分結合，集導電濾料與電介質濾料的優(yōu)勢于一體。導儲復合型濾料的導電層既能起到直接構建靜電場的作用，又可以為上層的儲電層（電介質層）提供極化靜電場，產生靜電響應，進一步增強整體電場的作用范圍及強度，有利于細顆粒物的靜電捕獲。在諸多電介質聚合物中，聚偏氟乙烯（PVDF）具有優(yōu)良的機械強度、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性［11］，其結構內氟原子的存在，賦予PVDF極強的電偶極矩，因而PVDF及其共聚物是具有最高介電常數(shù)和電活性響應的聚合物家族［12］，這也是本文選用PVDF構建儲電層的原因。此外，鑒于電場的復合可顯著提升過濾效率，本文所開發(fā)濾材摒棄傳統(tǒng)緊密的非織造結構，采用疏松的機織結構，不僅其超大的孔隙可輔助實現(xiàn)超低濾阻，且機織材料具有比非織造結構更優(yōu)的機械性能。本文通過場發(fā)射掃描電鏡（SEM）、厚度測試、頂破實驗、表面比電阻測試、透氣率測試等表征方法對復合濾材形貌及性能進行分析，并采用靜電負載空氣過濾測試體系對濾材的PM2.5過濾性能進行測試，最后通過COMSOL Multiphysics軟件對復合濾材的負載特征電場進行模擬，為濾材的過濾行為提供理論解釋。

1實驗

1.1實驗材料與儀器

實驗材料：PET平紋組織機織基材（平方米質量55 g/m2，嘉興益泰樂電子有限公司）；鹽酸（AR，昆山晶科微電子材料有限公司）；多巴胺鹽酸鹽（DA·HCl，北京百靈威科技有限公司）；PVDF（FR904，上海三愛富新材料股份有限公司）；超細試驗粉塵（ISO 12103-1，A1， 美國PTI公司）；硝酸銀、葡萄糖、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮（AC）等藥品，均為AR，由上海凌峰化學試劑有限公司提供。

實驗儀器：微量注射推泵（LSP01-1A型，保定蘭格恒流泵有限公司）；高壓靜電源（TD2202型，大連泰斯曼有限公司）；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FlexSEM 1000型，日立高新技術公司），透氣性測試儀（YG461型，溫州方圓儀器有限公司），織物厚度測試儀（YG141型，常州新紡檢測儀器設備有限公司），電子織物強力儀（HD026NE型，上海三思實驗儀器有限公司），雙顯示屏數(shù)字萬用表（34450A型，安捷倫科技有限公司）；粉塵氣溶膠發(fā)生器（RBG 1000型，德國帕剌斯儀器公司）；粒子計數(shù)器（Fidas Frog型，德國帕剌斯儀器公司）；數(shù)字微壓計（9565P型，美國TSI公司）。

1.2濾材制備

將PET織物用丙酮浸漬洗滌20 min，洗滌烘干后，浸沒在30 ℃的多巴胺水溶液（2 g/L， pH 8.5）中處理1 h，干燥后，將已建立結合層的織物置于硝酸銀處理液（10 g/L， pH 11）中繼續(xù)處理0.5 h。隨后將葡萄糖溶液（20 g/L）作為還原劑滴加入處理液中，以在織物上進一步構建金屬Ag導電層。PVDF分別以1%～6%質量分數(shù)置于DMF/AC混合溶液（質量比4∶1）中，在70 °C下以240 r/min的速度攪拌溶解10 h。溶解后溶液采用靜電噴射技術噴涂在固定于接收板的織物基底上（推速1.0 mL/h，電壓15 kV，接收距離9 cm）。經過烘干后，稱量噴涂 PVDF前后的濾材，并計算增重。

1.3性能測試

1.3.1形貌表征

測試樣品尺寸為0.5 mm × 0.5 mm，表面噴金10 s后通過SEM以10 kV的加速電壓在300倍和450倍放大倍數(shù)下觀察表面形貌。

1.3.2厚度測試

厚度測試參照標準GBT 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定標準》，選擇加壓重塊為50 cN，連續(xù)加壓10 s，在每種樣品的5個不同位置測試厚度，如有異常值則剔除重新測試，計算平均值。

1.3.3頂破強力測試

參考標準GBT 19976—2005《紡織品頂破強力的測定鋼球法》，測試樣品為直徑6.0 cm的圓形，將試樣固定在內徑為2.5 cm的夾布圓環(huán)內。以100 mm/min的下落速度和5.0 cm的初始間隔測量濾料的頂破強力，每種樣品測試5個試樣。

1.3.4透氣性測試

透氣性測試參照標準EN ISO 9237－1995《的紡織品纖維織物透氣性測定》，試樣面積為20 cm2，試樣壓差選擇25 Pa，每種樣品分別選取三塊試樣，每份試樣測試5個不同位置計算透氣率平均值及標準差。

1.3.5表面比電阻測試

參照標準GBT22042—2008《服裝防靜電性能表面電阻率試驗方法》，試樣尺寸為60 mm×30 mm，將樣品進行預調濕后，在標準溫、濕度環(huán)境中使用數(shù)字萬用表測試表面電阻。每種樣品測試5個試樣，在每個試樣上選取3個不同位置。表面比電阻根據(jù)式（1）計算：

Rs=ρs×LW（1）

式中：ρs是表面電阻率，Ω；L、W分別是試樣寬度和長度，mm。

1.4空氣過濾性能測試

依據(jù)標準EN779—2002《一般通風用空氣顆粒

過濾器-過濾性能測定》和GB/T 6165—2008《高效空氣過濾器性能試驗方法效率和阻力》，設計并搭建空氣過濾測試體系，如圖1所示。將試驗粉塵裝載于粉塵氣溶膠發(fā)生器中，經過氣泵分散，隨著潔凈空氣通過變速風機吸入管道，形成細顆粒物濃度穩(wěn)定的測試氣流（1.0 mg/m3）。在測試段，通過高壓靜電源向復合濾材供給正極靜電（0～40 kV）。過濾過程中，在濾材前后各15 cm距離處通過粒子計數(shù)器測定PM2.5濃度，并由數(shù)字微壓計測量濾材前后壓降，根據(jù)式（2）、式（3）計算得出過濾效率E及品質因子QF，以綜合表征濾料的整體過濾性能。

E/%=1-cc0×100（2）

式中：C0、C分別為管道內過濾前后空氣中的PM2.5濃度，mg/m3。

QF=-ln（1-E）ΔP（3）

式中：E為過濾效率；ΔP為壓降，Pa。

1.5COMSOL模擬及靜電場分析

本文使用COMSOL Multiphysics 5.5軟件對復合濾材在不同靜電負載情況下的電勢、電場強度等電學特性進行模擬及計算。研究采用了靜電場分析方法，即濾材所形成的電場正比于表面負載的電壓。為進一步明晰電場在濾材織造結構內的分布，仿真幾何模型選取局部四根交織紗線作為模擬研究對象，主體包括紗線、過濾管道及空氣介質（計算區(qū)域尺寸簡化為直徑20 cm、高度60 cm的圓柱體），根據(jù)實際情況設置域內電荷守恒及紗線終端負載不同電壓、管道接地等邊界條件，以便后續(xù)進行參數(shù)化掃描。構建物理場控制網格，根據(jù)計算需要選擇細化四面體網格結構進行研究。

2結果與討論

2.1復合濾材形貌特征分析

由圖2所示，本研究所構筑濾材是由直徑約60 μm的單絲以平紋結構織造而成的織物作基底。濾材孔洞約65 μm，遠高于常規(guī)尺度纖維無紡布濾材（3～50 μm）［13-14］及靜電紡結構濾材（2～10 μm）［15］，且濾材僅為單層，這種超疏松和超薄設計，為超低壓降的過濾效果奠定了結構基礎。

靜電噴涂PVDF溶液的質量分數(shù)一定程度上影響濾材表面形態(tài)。如圖2（a）—（c）所示，單絲基底表面光滑，噴涂質量分數(shù)1%、2%的PVDF溶液后，表面形成薄膜，在交織點處易脫落。PVDF質量分數(shù)提至3%后，單絲表面覆膜完整，并出現(xiàn)幾百納米至幾微米的均勻分布的顆粒狀凸起（見圖2（d）），提高至4%后，纖維表面覆膜增厚，且部分顆粒狀凸起連塊（見圖2（e））。繼續(xù)增加PVDF質量分數(shù)至5%～6%，單絲表面覆層均勻度進一步降低，且在單絲間的孔洞出現(xiàn)絲狀、片狀甚至粒狀物質（見圖2（f）—（g））。由以上結果可知3%為PVDF靜電噴涂最佳質量分數(shù)參數(shù)。通過調整噴涂時間，同樣可調控纖維表面形態(tài)。經過1 min噴涂，PVDF以小顆粒形式少量附著于單絲表面（見圖3（a））。隨噴涂時間延長至2～3 min，PVDF顆粒在單絲表面的排布更密集（見圖3（b）－（c）），但顆粒尺寸并未如質量分數(shù)提升時一樣增大，且未出現(xiàn)細絲狀物。當噴涂時間增加到4 min（見圖3（d）），PVDF顆粒因覆疊而出現(xiàn)團聚，最終導致PVDF顆粒尺寸及尺寸不勻率增大，且易脫落，同時單絲之間出現(xiàn)少量細絲，因此噴涂時間需設置為4 min以下。調節(jié)噴涂時間可控制PVDF在織物上的附著量。由圖3（e）顯示，PVDF的附著量隨處理時間延長顯示出線性增加趨勢，從6.4 μg/cm2提升至19.2 μg/cm2，增加速率大致為6.4 μg/（cm2·min）。不同PVDF附著量的濾材厚度基本在0.08 mm （見圖4），無顯著差異，證明PVDF的附著極薄，不會對濾材厚度產生宏觀影響。

2.2復合濾材力學性能分析

在使用中，濾材承受來自空氣流體的單向壓力，其頂破強力影響濾材的可用性及其壽命。如圖5所示，復合濾材雖具有超疏松結構，但因其特殊的機織結構，濾材的頂破強力高達420 N，相較常規(guī)非織造濾料（50～400 N）［16］提高了數(shù)倍。由此結果可推斷，本研究所開發(fā)的機織結構濾材，可承受更高風速的過濾，也可提供更長的服務期。此外，濾材的頂破強力并未隨PVDF的附著量發(fā)生改變，證明該靜電噴涂工藝過程既不會破壞濾材基礎結構，或造成任何化學降解，所附層的PVDF也不會為濾材的力學性能提供額外的增強。

2.3復合濾材電學性能分析

鑒于本研究中高壓靜電需通過濾材導電層加載至濾材上，且濾材的儲電層也需要傳導至濾材上的高壓電場來極化。因此，濾材的導電性能對其后續(xù)過濾性能是十分重要的。但表面噴涂的PVDF材料本體導電性較差，需要對噴涂處理后的濾材進行導電性的評價，以調控噴涂工藝，從而在儲電和導電之間達到應用所需的合理設計。未處理的PET織造基底的表面比電阻過高，無法測得。但構建導電層后，濾材的表面比電阻可降至僅15.56 Ω/m2（見圖6）。當進一步構建PVDF儲電層時，表面比電阻隨PVDF附著量的提升而逐步提高，但提高幅度很小。少量的PVDF附著（6.4 μg/cm2）并未引起濾材表面比電阻的顯著變化（15.72 Ω/m2）。當PVDF附著量提升至12.8 μg/cm2時和19.2 μg/cm2時，濾材表面比電阻升高至16.06 Ω/m2和16.29 Ω/m2，相較未噴涂濾材，變化率僅為3.21%和4.69%。此結果證明了，即便附加非導電材料PVDF，復合濾材仍維持其優(yōu)異的導電性，并不會影響高壓靜電在織物上的負載。

2.4復合濾材的空氣過濾性能

2.4.1復合濾材的透氣性能

濾材的透氣性能直接影響濾材的濾阻及能耗。良好的透氣性有利于降低風機的能耗，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。在25 Pa壓力下，未經噴涂處理的濾材，其透氣率為1128.45 mm/s（見圖7），是普通非織造濾材的1～2倍［14］。靜電噴涂6.4～19.2 μg/cm2 PVDF涂層后，復合濾材的透氣率最低降至1096.01 mm/s，最大變化率僅2.87%，且經過統(tǒng)計分析，與未噴涂處理樣品間并無顯著差異。該結果證明噴涂處理并未明顯影響處理后濾材的透氣性，這主要是因為濾材基底本身的結構極其疏松，基礎透氣率較高，且PVDF噴涂顆粒層超薄，使得基材良好的透氣性能得以保留。

2.4.2復合濾材的過濾性能

與無儲電層的導電濾材相比，不同附著量PVDF處理后濾材的過濾性能如圖8所示。圖8（a）顯示了不同樣品在加載0～40 kV電壓時的過濾效率。在電壓未負載時，有無PVDF覆層的濾材顯示出較為接近且較低的過濾效率。無PVDF覆層濾材的過濾效率僅為21.47%，而覆層濾材的過濾效率隨PVDF附著量的增加，從24.66%微量提升至26.53%。此時的過濾效果僅依靠機械過濾。當10 kV的高壓靜電加載于濾材上時，無覆層和低附著量濾材的濾效分別提高至42.5%和44%，而中、高附著量濾材的過濾效率可提升至55%和67%，分別提高了2至3倍，由此可證明，即便加載了較低的電壓，只要濾材附著足量的PVDF，便可通過極化電場的附加作用，提升過濾效果。隨著電壓的升高，有無覆層濾材的過濾效率也逐步提升。在40 kV電壓加載下，中、高附著量濾材的過濾效率已較為接近，可達88.00%和94.29%，對比無電壓過濾效果，提高率可達62.68%和67.76%，而無覆層和低附著量濾材的過濾效率也較為接近，但僅有67.02%和73.91%，提高幅度為45.55%和49.25%。圖8（b）顯示了不同濾材在10 cm/s風速下的壓降，鑒于各濾材在加載不同電壓時，其壓降并無變化，在此僅顯示平均結果。有無PVDF覆層濾材的壓降都較為接近，約6.5～6.7 Pa，而常規(guī)非織造濾材的壓降在20～300 Pa［14， 17］，是本研究中濾材壓降的3～50倍。超低的濾阻主要得益于濾材超疏松的機織結構，這一結果與透氣率結果一致。品質因子由過濾效率和壓降計算得出，正比于濾效而反比于壓降，可綜合表達濾材的過濾效果。如圖9（c）所示，當負載電壓為0 kV時，因濾材濾效較低，所有樣品的品質因子僅為0.036～0.046 Pa-1。隨著負載電壓逐步提升至40 kV，無覆層濾材的品質因子提升至0.166 Pa-1，增加了3.59倍，而PVDF覆層的濾材品質因子可達0.207、0.321和0.427 Pa-1，分別提升了3.75、6.26和8.29倍。這一結果充分證明，不堵塞織物孔隙的PVDF覆層，可大幅提升濾材的綜合過濾性能。

為了進一步明確過濾性能提升的原因，本研究使用COMSOL Multiphysics軟件對PVDF覆層的濾材在管道中的電場強度分布進行了仿真模擬研究。如圖9（a）所示，隨著施加電壓的升高，濾材產生的電場覆蓋范圍逐步擴大，且越接近濾材平面處的電場強度越高。圖9（b）-（c） 顯示了電場強度最大值隨施加電壓和PVDF附著量的變化規(guī)律。電場強度最大值與施加電壓成正比線性關系，這符合電場與電壓成正比的規(guī)律。PVDF附著量的提升也會引起電場強度最大值近似線性的提升。這一結果說明，濾材所產生的電場范圍及強度可通過施加電壓及PVDF附著量進行線性調控，向濾材靠近的細顆粒物所受電場力也會隨著距離的縮短和供給電壓的提升而增加。

2.4.3復合濾材表面細顆粒物沉積特點分析

圖10展示了PVDF覆層濾材過濾前后及電壓施加前后表面積塵狀態(tài)。附著量為19.2 μg/cm2的濾材在濾前表面僅有均勻排布的PVDF凸起。在無高壓靜電負載條件下，經過5 h的機械過濾，被直接攔截的細顆粒物松散堆積在單絲表面，部分聚集的顆粒物形成較大塊狀物（見圖10（b）），在單絲交織點縫隙易堆積較多顆粒。在負載20 kV電壓過濾5 h后，濾材上細顆粒物的量明顯減少（見圖10（c））。值得關注的是，相較無電壓負載時，電壓負載濾材的濾效提升了2.55倍。計算可知，經過5 h過濾，電壓負載條件下從空氣中所清除的細顆粒物總量是無電壓條件下的3.55倍，但濾材表面積塵量情況卻正相反。由此可推斷，本研究所開發(fā)有源靜電負載過濾體系的過濾機理并不僅是機械過濾或靜電吸附。

分析可知，電壓負載為0 kV時，濾材的過濾效果僅依靠機械過濾作用，即慣性效應、重力效應、擴散效應和攔截效應。但超疏松的機織濾材結構所能產生的機械過濾作用有限，因此濾效較低，且濾材表面積塵量不多。因孔徑超大，即便經過5 h的長時間過濾，濾材表面依然無法形成完整的濾餅層，孔洞結構依然可見。當高壓靜電負載于濾材上，以濾材為中心，在其周圍形成了棗核形態(tài)電場（見圖9（a））。進入電場范圍內的顆粒物將依據(jù)荷電極性的不同而受到不同作用。負載相同電荷的顆粒物，會被濾材排斥，而負載異性電荷的顆粒物或產生鏡像電荷的顆粒物會被濾材捕獲，從而獲得更高效的過濾效果。但濾材上所負載為正極高壓靜電，在電場覆蓋范圍內甚至周邊空間，為缺電子空間，因此顆粒物更傾向表現(xiàn)為正電，從而受到靜電排斥力而遠離濾材表面。最終，雖然濾效在加載電壓時有顯著提高，但是濾材上的積塵量并未增加，反而有所降低。這不僅將大幅降低濾材的污染速度，延長濾材的清理周期，同時可減少過濾過程的總體能耗。

對濾材局部四根紗線結構的電場負載進行模擬后得知，鑒于濾材中單絲具有良好的導電性，每根單絲所負載電壓在各處強度基本相同，電場強度在最靠近單絲處最強（見圖11（a））。在單絲交織點上，兩根單絲所產生電場疊加，起到增強效果（見圖11（b）），細顆粒物在交織點所受靜電力更強，進一步降低了在交織點處的堆積程度（見圖10（c））。

3結論

本文采用表面原位化學改性及靜電噴涂技術，在構建了結合層、導電層的超疏松機織結構PET基底上進一步構建儲電層，形成多層功能層，實現(xiàn)靜電負載功能濾材的構筑，分析了PVDF噴涂工藝對濾材本體性能和負載靜電下過濾性能的影響，得到結論如下：

a）靜電噴涂PVDF溶液質量分數(shù)為3%，噴涂時長為3 min時，織物表面可均勻附著顆粒狀PVDF涂層，無成絲堵塞現(xiàn)象。

b）PVDF附著量在0～19.2 μg/cm2的范圍內，濾材的厚度、頂破強度、表面比電阻、透氣性無顯著變化。

c）過濾過程中濾材壓降不隨PVDF附著量而改變，維持在超低值6.7 Pa，但濾效和品質因子隨之增加，在附著量為19.2 μg/cm2，負載電壓為40 kV時，對PM2.5的過濾效率可達94.29%，品質因子達到0.43 Pa-1。

d）根據(jù)積塵減少的現(xiàn)象和電場模擬的結果，可推斷，靜電排斥可能是過濾作用方式之一，可大幅降低濾材污染速度，減少運行時壓降與耗能，延長濾材單次使用時長。

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Preparation of static-electrical assistant PET/PVDF woven structural filter with ultralow pressure drop and its air filtration properties

ZHAI Wen， HAN Shijiao， FAN Weisi， LU Lulu， LI Yuan， JIANG Qiuran

（College of Textiles， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： With the rapid development of industry， air pollution has gradually become a serious threat to public health. Fine particulate matter， such as PM2.5， is the main component of air pollutants and also the main carrier of other types of air pollutants. The efficient filtration technology of indoor fine particulate matter has received increasing attention. The traditional filtration technology mainly includes mechanical filtration and electrostatic assisted filtration. The improvement of mechanical filtration efficiency based on physical interception effect mainly depends on the increase in the thickness and fiber density of filters， but provokes the elevation of filtration resistance and energy consumption. Thereby， it is difficult to achieve high filtration efficiency while maintaining the low pressure drop. The electrostatic assisted filtration system includes electrostatic precipitator and electret filtration system. The removal of particulate matter depends on the electrostatic interaction between the fine particulate matter and filter material， which can greatly reduce the resistance to air. However， the traditional electrostatic precipitator shows low efficiency in capturing fine particulate matter， and the electret filtration system has limited capability to carry sufficient charges for long-time serving， and the decay in charges often occurs. Therefore， the development of long-term， stable， highly efficient and low-resistant filtration systems has long been an obstacle in the field of air filtration. Our team has developed an electrostatic assisted filtration system in the early stage. Using a high voltage power supply， the filtration system maintains stable charge loading during the whole serving life and establishes a strong electrostatic field which is able to charge fine particles and remove them through electrostatic interaction. This system can overcome the above-mentioned disadvantages of the traditional electrostatic filtration systems. However， the charging efficiency is still limited. The difficulty in further elevation of the filter charging capacity thwarts the improvement of the filtration efficiency.

To combine the electrical conductivity and storage capabilities， the current study first constructed a polydopamine binding layer and a silver conductive layer by in-situ chemical reaction on the super-loose woven polyethylene terephthalate （PET） substrate， and then constructed the micro-nano structure polyvinylidene fluoride （PVDF） electrical storage layer by using electrostatic spraying technology. This study successfully prepared a super-loose electrostatic loaded filter system by controlling the adhesion amount and structure of PVDF on the substrate through different spraying parameters， while retained the super-loose woven structure of the substrate fabric. We systematically characterized the basic properties of the PVDF attached filters， including surface morphology， thickness， mechanical properties， electrical properties and air permeability， and investigated the filtration performance and the particle distribution with different electrostatic voltage supplies. The filtration mechanism was deduced with the simulation of the electric fields.

The results proved that electrostatic spraying concentration and spraying duration could adjust the loading amount of PVDF and their accumulation morphology. The filters coated with 3 % PVDF for 3 min showed uniform high-loading of PVDF without fibrous structure. The PVDF amount exerted limited influence on the thickness， surface specific resistance， breaking strength， air permeability and pressure drop of the filters， but displayed significant effects on the filtration efficiency and quality factor of PM2.5. By raising the PVDF amount from 0 to 19.2 μg/cm2， the filtration efficiency could be enhanced from 42.5 % to 67 % at a low voltage （10 kV）， and from 67.02 % to 94.29 % at a high voltage （40 kV）， while still maintained an ultra-low pressure drop of 6.7 Pa. Hence， the quality factor was able to reach 0.43 Pa-1. The active electrostatic assisted filtration system loaded with PVDF could not only achieve a high filtration efficiency at an ultra-low pressure drop， but also reduce the amount of dust accumulation on the filter surface. The possible reason might be the existence of electrostatic repulsion.

The design of this system was based on the combination of electrical conductivity and storage. PVDF electrical storage layer was constructed on conductive substrates to incorporate the advantages of the conductive and the electrical storage materials. This design could achieve further enhancement in filtration performance by establishing more stable， stronger electrostatic field with larger coverage area.

In this work， we further improved the performance of woven filters with active electrostatic charging by loading PVDF. This work might promote the development of ultra-low resistance woven filters， and provide inspiration for the future development of the core filter design with low-carbon emission. This filter system has the potential to be applied for vehicle air cleaning， air conditioner and central ventilation system. Meanwhile， via the observation of dust accumulation and electric field simulation analysis， the filtration mechanism of the active electrostatic assisted air filtration system was revealed， which provided a theoretical foundation for the further development of filtration systems with high efficiency and low resistance.

Keywords： electrostatic assistant; air filtration; PM2.5; PVDF; electrostatic spraying; fabric filter

收稿日期：20220507

網絡出版日期：20220816

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（2232022D-13）

作者簡介：翟雯（1998—），女，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事靜電輔助空氣濾材方面的研究。

通信作者：蔣秋冉，E-mail：jj@dhu.edu.cn