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1、熔喷聚丙烯驻极体非织造布空气过滤材料的过滤特性研究摘 要：熔喷聚丙烯驻极体非织造布空气过滤材料的过滤效率很大程度上依赖于材料所带的驻极体电荷。本文通过研究DEHS气溶胶对材料过滤性能的影响，分析了机械阻挡和静电吸附机理对气溶胶捕获能力的贡献；测定了材料暴露在汽油和透平油气氛下的过滤效率稳定性；比较了材料对不同试验气溶胶过滤行为的影响。结果表明：当非织造布较薄时，静电吸附机理是主要的，随着非织造布厚度的增加，机械阻挡机理作用增强，直至两种机理变得同样重要。MPPS现象仅仅出现在机械阻挡机理中。当材料暴露在汽油和透平油气氛下，气溶胶穿透性快速增加。材料的过滤效率受试验气溶胶带电性质的影响，试验气溶
2、胶荷电，过滤效率增加。关键词：空气过滤材料，熔喷聚丙烯非织造布，驻极体，溶剂浸泡，过滤效率1 引 言 众所周知，熔喷聚丙烯驻极体非织造布空气过滤材料由于具有特殊的静电吸附机理，而显现出低流阻、高效率等优点，尤其是对0.053m大小的粒子1，2。材料在特殊环境下的驻极体电荷稳定性已成为其能否被广泛应用的关键。与普通的非驻极体非织造布相比，无论是对带电和不带电的气溶胶粒子，驻极体非织造布在初期都显示出特别高的捕获效率，但随着材料被捕获粒子所覆盖，过滤特性会发生改变，机械阻挡作用增加，成为主要的捕获机理3。在我们前期的工作中已经研究了甲醛、乙醇、异丙醇、丙酮等溶剂浸泡对材料过滤性能的影响，证明了溶剂
3、的溶胀作用是影响驻极体电场稳定性的主要因素，而过滤阻力则是由材料结构所决定4,5。 熔喷聚丙烯驻极体非织造布空气过滤材料的另一个特点是其最易透过粒径（MPPS）。根据传统的机械过滤机理，材料的MPPS大约在0.3 m左右，但包括对N95和N99口罩在内的熔喷聚丙烯驻极体非织造布的研究表明，对未带电或具有Boltzmann荷电分布的气溶胶，驻极体滤材的MPPS为0.1m。MPPS的改变，就是由于极化力所引起的6,7。 本文通过研究DEHS气溶胶对材料过滤性能的影响，分析了机械阻挡和静电吸附机理对气溶胶捕获能力的贡献；测定了材料暴露在汽油和透平油气氛下的过滤效率稳定性；比较了材料对不同试验气溶胶过
4、滤行为的影响。2 材料和实验方法 本试验所用的熔喷聚丙烯驻极体非织造布空气过滤材料来自桐乡市健民过滤材料有限公司，产品门幅1.6m，生产速度1215 m/min。对比试验材料为市购产品。过滤效率稳定性试验系统如图1所示，试验气氛的流动速度为0.30.5 L/min，样品大小60 cm2。过滤效率和过滤阻力的测试在自行设计的试验台上进行，气溶胶为DEHS (Diethyl Hexyl Sebacate) ，气溶胶流动速度为5.3cm/s，测试粒径为0.30.5m；一封闭的Kr85源(Model 3054, TSI Inc., USA)被用于中和气溶胶到Boltzmann电荷分布。当试验气溶胶上游
5、浓度（Cu）和下游浓度（Cd）由一宽频粒子计数器(WPS，Model 1000 XP，MSP Corp.，USA)测定。过滤效率和穿透率由下式计算： 穿透率=(Cd/ Cu)(100%)； 过滤效率=（1-Cd/ Cu)x100%。3 结果和讨论3.1 气溶胶穿透特性 为了研究熔喷聚丙烯驻极体非织造布空气过滤材料的气溶胶穿透特性，分别测定了来自桐乡市健民过滤材料有限公司不同厚度和来自不同公司同样厚度样品对不同大小气溶胶粒子的捕获特性，结果列于图2和图3。由图2可见，对20 g/m2和40 g/m2的样品，穿透性随气溶胶粒子粒径的增加而减少，图3 呈现同样的结果。但图2 显示，对60 g/m2样
6、品，0.14 m粒径粒子具有最大穿透率。这一结果可从驻极体材料特殊的过滤机理得到解释。对薄的材料，静电吸附机理起主要作用，随着厚度的增加，机械阻挡的作用增加，两种机理同时发生作用，出现了机械阻挡作用特有的MPPS现象。为了考察机械阻挡和静电吸附机理对材料捕获性能的影响，图4 列举了同样条件下，驻极体和非驻极体熔喷聚丙烯非织造布的穿透性测试结果，结果显示，对0.10.5m粒径粒子，驻极体样品的穿透性比非驻极体样品要低约50%。这一结果也显示，熔喷聚丙烯非织造布的过滤效率强烈地依赖于其中的驻极体静电场。3.2 材料在油性气溶胶环境中的过滤效率稳定性 40 g/m2的熔喷聚丙烯驻极体非织造布暴露在汽
7、油和透平油气氛中不同时间后测定的气溶胶粒子的穿透性测定结果列于图5和图6。为了更详细地观察材料穿透能力的变化，图5和图6中还列出了前5分钟的变化情况。由图可看到，穿透能力在前15分钟内快速增加，几乎呈直线变化。然后在初始穿透率的65%处，维持在一个恒定值。此值与同样克重的非驻极体熔喷聚丙烯非织造布的穿透率相当。众所周知，驻极体过滤材料对气溶胶粒子的捕获除了惯性捕获、拦截和扩散机理外，还具有特殊的静电吸附机理。它的高过滤效率主要决定于它所具有的驻极体电场。因此，上面的结果表明，当材料暴露在汽油和透平油环境中15分钟，驻极体电荷已完全消除。由于DEHS是测定过滤效率时常用的气溶胶，为了考察其对材料
8、的穿透性的影响，图7列出了材料暴露在DEHS环境下5分钟后测定的穿透性。结果显示穿透性也快速的增加。因此，在测定熔喷聚丙烯驻极体非织造布的过滤效率时测定速度要尽可能的快。3.3 气溶胶性质对过滤行为的影响 为了比较不同试验气溶胶对过滤效率测定结果的影响，图8列举了透平油、KCl和DEHS为试验气溶胶时对40 g/m2的熔喷聚丙烯驻极体非织造布过滤效率测定结果。结果显示，KCl用作试验气溶胶时，过滤效率最大，试验气溶胶为DEHS时次之，试验气溶胶为透平油时，过滤效率测定值最小。究其原因可能与气溶胶粒子的荷电特性有关。KCl粒子是离子性的，而DEHS是极性化合物，它们所形成的气溶胶粒子是荷电的。这
9、种荷电粒子与驻极体静电场之间可发生强烈的相互作用，而更易被驻极体过滤材料捕获。而透平油是绝缘性物质，它与驻极体纤维之间是Van de Waals力作用，这种作用力比较弱，因此其过滤效率比较低。 为了进一步考察试验气溶胶的荷电特性对过滤效率测定结果的影响，图8还列出了DEHS用作试验气溶胶时，使用中和器和不使用中和器时过滤效率的变化。结果显示，两者没有显著差异。这表明中和器不能改变极性材料的荷电特性，DEHS气溶胶粒子本身所具有的极性电场是其与过滤材料驻极体电场发生静电相互作用的主要原因。4 结论 熔喷聚丙烯驻极体非织造布空气过滤材料的过滤效率很大程度上依赖于材料所带的驻极体电荷。当非织造布较薄时，静电吸附机理是主要的，随着非织造布厚度的增加，机械阻挡机理的作用增强，直至两种机理变得同样重要。MPPS现象仅仅出现在机械阻挡机理中。当材料暴露在汽油和透平油气氛下，气溶胶穿透性快速增加。材料的过滤效率受试验气溶胶带电性质的影响，试验气溶胶荷电，过滤效率增加。
