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摘要：駐極體空氣過濾材料是利用靜電力作用捕集塵粒，具有過濾效率高、阻力小和抗菌等優(yōu)點。因此，近二、三十年來在生命科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)及環(huán)境凈化工程等方面得到廣泛應(yīng)用。與此同時，靜電駐極方法及工藝也獲得了長足的進(jìn)展。目前的駐極方法主要有靜電紡絲法、電暈放電法、摩擦起電法、熱極化法、低能電子束轟擊法等。本文在對現(xiàn)有的駐極方法（工藝）進(jìn)行全面對比的基礎(chǔ)上，提出了既能很好地滿足空氣過濾的要求又符合我國目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的駐極方法，同時也對駐極體空氣過濾材料的選擇作了一些探討。最后指出了駐極體空氣過濾材料的靜電駐極方法及其材料選擇的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：駐極體空氣過濾材料靜電作用靜電駐極方法過濾性能

0前言

目前，全球的環(huán)境日益惡化，與人類息息相關(guān)的空氣環(huán)境更是如此，已經(jīng)嚴(yán)重地危及到人類的健康。與此同時?，F(xiàn)代高科技的某些關(guān)鍵部分對環(huán)境的凈化要求極高。因此，現(xiàn)代社會需要具有高效、低阻等優(yōu)點的空氣過濾器。傳統(tǒng)的空氣過濾材料不是過濾性能不理想，就是價格（成本）太貴。而駐極體空氣過濾材料具有眾多優(yōu)點，其發(fā)展十分迅速，在20世紀(jì)90年代已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。但是，由于目前駐極體理論相對于應(yīng)用滯后，這就使得駐極體空氣過濾材料的發(fā)展還很不成熟，現(xiàn)在的駐極體空氣過濾材料的靜電駐極方法（工藝）各有優(yōu)缺點，有必要進(jìn)一步探討。

1空氣過濾材料靜電駐極機(jī)理的對比與分析

1.1駐極體

駐極體是指那些能夠長期儲存空間電荷和偶極電荷的電介質(zhì)材料，即從時間跨度上來看，它們的電荷衰減時間常數(shù)比駐極體形成的周期長得多。駐極體的電荷可以是真實電荷（或稱空間電荷），也可以是偶極電荷，或者兩者都有之[1]。駐極體空氣過濾材料就是利用電荷的靜電力作用捕集塵粒。

1.2駐極體空氣過濾材料的靜電駐極機(jī)理對比

自從20世紀(jì)70年代以來，各種荷電技術(shù)以及通過混合不同纖維的帶電技術(shù)等各具特色的帶靜電過濾器得到了開發(fā)和利用[2]。其直接的結(jié)果是導(dǎo)致了現(xiàn)在的靜電駐極方法（工藝）。這些方法（工藝）的靜電駐極機(jī)理等內(nèi)容見表1。

由表1可見，駐極體空氣過濾材料的靜電駐極方法中，就其靜電駐極機(jī)理及特性而言，電暈放電法和摩擦起電法由自身的特性仍然是當(dāng)前研究的重點；而熱極化法易受溫濕度影響，故它限制了其廣泛應(yīng)用；靜電紡絲法和低能電子束轟擊法由于它們的靜電駐極機(jī)理較復(fù)雜，就目前的技術(shù)而言，要達(dá)到廣泛應(yīng)用困難還很大，如果它們的靜電駐極機(jī)理十分清楚和技術(shù)成熟的話，它們可能比電暈放電法和摩擦起電法更有生命力。

駐極方法

駐極機(jī)理

特性

電荷類型

靜電紡絲

帶電荷的高分子溶液或熔體在靜電場中流動與變形，

再經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化。

機(jī)理復(fù)雜，技術(shù)不成

不成熟。

尚不清楚

電暈放電

利用非均勻電場引起空氣的局部擊穿的電暈放電產(chǎn)生

的離子束轟擊電介質(zhì)并使它帶電。

工業(yè)駐極體生產(chǎn)中

應(yīng)用最廣泛。

空間電荷

摩擦起電

兩物體摩擦接觸距離足夠小時，產(chǎn)生熱激發(fā)作用，這

種作用使對電子吸引力不同的物體的電子發(fā)生相互間

轉(zhuǎn)移而使物體帶電。

起電簡單，只適合紡

織中的梳理工序。

尚不清楚

熱極化

高溫電場下，電介質(zhì)材料熱活化的分子偶極子沿電場

方向取向，低溫相同電場下凍結(jié)取向的偶極子。

溫濕度的影響較大，

最早制造的駐極體。

偶極電荷

低能電子

束轟擊

利用低能電子束轟擊電介質(zhì)，被電介質(zhì)捕獲并儲存而

帶電。

機(jī)理較復(fù)雜，不易實

現(xiàn)工藝化。

空間電荷

2空氣過濾材料靜電駐極體性質(zhì)的對比與分析

由于材料的靜電駐極方法（工藝）不同，所形成的駐極體的性質(zhì)亦大不相同。具體情況見表2。

駐極體空氣過濾材料要求材料的儲存電荷密度大，其電荷密度的儲存壽命長及儲存電荷穩(wěn)定性強(qiáng)等等。而儲存電荷的穩(wěn)定性主要取決于材料性質(zhì)、充電方法、電荷分布狀態(tài)、儲存的環(huán)境條件等。根據(jù)上述要求，就靜電駐極體的性質(zhì)而言，從表2中可得，電暈放電法是目前最佳的靜電駐極方法；熱極化法在環(huán)境相對穩(wěn)定時也是一種較好的靜電駐極方法；摩擦起電法要在試驗中進(jìn)一步完善；靜電紡絲法需要科技的進(jìn)一步發(fā)展；低能電子束轟擊法需要改進(jìn)和簡化靜電駐極的工藝。

近年來，報道了直流增加頻率的低脈沖電暈充電比直流電暈充電或僅有脈沖電暈充電能獲得更大的表面電荷密度[9]。這也許就意味著這種電暈充電的空氣過濾材料的過濾效率更高，但是相關(guān)理論和實踐有待于進(jìn)一步完善。

3駐極體空氣過濾材料的性能對比與分析

駐極體用作過濾材料，最初在1976年由于J·VanTurnhout等人將切割成小條狀的聚丙烯薄膜制成，將這種帶電小條加工折皺狀態(tài)形成駐極體纖維。隨后，各種荷電技術(shù)以及通過混合不同纖維帶電技術(shù)等各具特色的帶靜電過濾器得到了開發(fā)和利用[5]。與此同時，駐極體空氣過濾材料也獲得了進(jìn)一步的發(fā)展。尤其是2001年美國“9·11”事件以后，采用集中空調(diào)系統(tǒng)的建筑物不斷面臨安全性的考驗，其中包括恐怖主義分子的生化武器襲擊；2003年的“非典”疫情給全世界造成巨大損失和影響。引起“非典”的SARS冠狀病毒的主要傳播途徑之一就是空氣，這就使集中空調(diào)系統(tǒng)有可能直接成為SARS病毒和細(xì)菌的主要渠道。因此，“致病建筑物”又一次引起人們的普遍關(guān)注。集中空調(diào)系統(tǒng)再一次面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。這又迫切需要空氣凈化材料的更進(jìn)一步發(fā)展，而駐極體空氣過濾材料具有高效、低阻、抗菌（病毒）、節(jié)能等優(yōu)點，故它是適應(yīng)這一發(fā)展的迫切需要。

表2靜電駐極體的性質(zhì)[1,3,4]

靜電駐極體

控制參數(shù)

特點

存在問題

靜電紡絲

紡絲液體的黏度、表面張力和電導(dǎo)率；操作條件的電壓、流體速度、溫度等等。

靜電紡絲纖維形成的無紡布是一種有納米微孔的多孔材料；射流具有不穩(wěn)定性。

只能得到無紡布；產(chǎn)量很低（1mg/h～1g/h）；多數(shù)條件下，靜電紡絲纖維的強(qiáng)度很低。

電暈放電

極化電壓、極化溫度、極化時間等。

實現(xiàn)高儲存電荷密度（1.4×10-3C/m2）；沉積電荷的密度出現(xiàn)明顯的離散性；設(shè)備簡單，操作方便，充電效率高等。

充電電荷僅能沉積于樣品的表面與近表面；電荷密度的橫向均勻性和充電電荷的穩(wěn)定性均比低能電子束轟擊的差。

摩擦起電

摩擦形式、表面平滑度、摩擦速度、摩擦力等。

摩擦起電機(jī)理復(fù)雜；兩種材料需要接觸和分離；對材料的電性能有要求等。

摩擦起電的產(chǎn)生機(jī)理至今還不完全清楚；相對濕度、纖維的吸水率、溫度對纖維材料的靜電性能有明顯的影響。

熱極化

極化電場、極化溫度、極化時間等

極化電場直接影響熱駐極體內(nèi)捕獲電荷的活化能，熱極化后出現(xiàn)異號電荷，儲存（或老化）過程中異號電荷向同號電荷轉(zhuǎn)化；熱駐極體的電荷密度為3×10-6～1×10-4C/m2。

熱駐極體受存放溫度的影響；最大電荷密度依賴于氣壓和相對濕度。

低能電子束轟擊

電子束電流密度、轟擊時間等

通過控制電子束能量和注入的束電流能精確地控制注入沿厚度的電荷層平均深度及電荷密度，從而可能研究在受控條件下空間電荷的分布及其衰減規(guī)律。

操作過程較為復(fù)雜等。

由于駐極體空氣過濾材料的靜電駐極工藝大多數(shù)屬于技術(shù)保密，目前所見的其具體內(nèi)容報道不詳或根本無報道。就常見的駐極體空氣過濾材料的性能列于表3。

表3駐極體空氣過濾材料的性能[6,8]

材料

駐極方法（工藝）

定量

（g/m2）

過濾效率（％）

壓強(qiáng)

（Pa）

標(biāo)準(zhǔn)過濾效率(10g/m2)

應(yīng)用狀況

聚丙烯

紡粘電暈放電

34

26

0.98

8.5

一般

聚丙烯

熔噴電暈放電

34

84

28.4

41.7

多

聚丙烯

針刺電暈放電

100

48.1

1.96

6.3

較多

聚丙烯＋聚丙烯腈

針刺摩擦起電

100

66.3

2.94

10.3

一般

聚丙烯＋聚丙烯腈

摩擦起電

130

97.8

25.4

一般

聚環(huán)氧乙烷

靜電紡絲（未充電）

10

97.2

40.2

97.2

較少

從表3中可以看出，聚丙烯的電暈放電的三種靜電駐極工藝中，熔噴聚丙烯電暈放電的過濾效率最好，就是壓降較大；而聚丙烯和聚丙烯腈混合物摩擦起電的兩種靜電駐極工藝中，一般摩擦起電的過濾效率較針刺摩擦起電的過濾效率要好；聚環(huán)氧乙烷的靜電紡絲（未充電）過濾效率極高，如果對其充電，其過濾效率可能會更理想。在同一標(biāo)準(zhǔn)定量（10g/m2）下的過濾效率比較可知，聚環(huán)氧乙烷靜電紡絲（未充電）的過濾效率最高，但生產(chǎn)速度慢，難以在短時間內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，聚丙烯熔噴電暈放電的過濾效率次之，但實際應(yīng)用比較多，聚丙烯和聚丙烯腈的針刺摩擦起電的過濾效率最差，且實際應(yīng)用一般。

另外，有報道；駐極體空氣過濾材料還有聚碳酸酯和聚氨酯，它們在靜電紡絲過程中保留電荷，其初始過濾效率都很高，但容塵后其過濾效率下降[8]。

4靜電駐極材料的選擇

近年來，高分子化學(xué)纖維生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展使得用駐極體纖維能生產(chǎn)出HEPA及ULPA過濾器[5]。用作駐極體空氣過濾器的材料需要優(yōu)異的介電性能，如高體電阻和表面電阻，高介電擊穿強(qiáng)度，低吸濕性和透氣率等。這類材料主要以高聚物為主的有機(jī)駐極體材料，如非極性材料：聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟乙烯/聚四氟乙烯共聚物等；極性材料或弱極性材料：聚三氟乙烯、聚丙烯（共混）及聚酯等[2]。

超細(xì)纖維和卷曲（羊毛狀）纖維作為新結(jié)構(gòu)的駐極體濾材能大大地改善集塵效率，其平均效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的駐極體纖維從93％上升至99％（精細(xì)纖維），和從93％上升至99.4％（卷曲纖維）；與此同時，卷曲纖維的使用還大大地改善了濾材的容塵能力，即從0.48g粉塵/g過濾器到0.83g粉塵/g過濾器（卷曲纖維）和從0.48到0.51（精細(xì)纖維）。這些改善可能源于纖維間空間電荷隨機(jī)分布率的上升，導(dǎo)致容塵場所和過濾機(jī)構(gòu)更加完善；另外，精細(xì)駐極體纖維所形成的新結(jié)構(gòu)空氣過濾器性能的改善是因為濾材空間結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出較大的容塵空間和較強(qiáng)的電場散度。改性的聚丙烯和聚碳酸酯PC纖維的研制成功為高效長壽命和低成本駐極體過濾器的商品化提供了較完善的駐極體儲電結(jié)構(gòu)[7]。

近年來報道，由降冰片和乙烯單體經(jīng)催化共聚形成的環(huán)烯共聚物COC(CycloolefinCopoplymer)是一種典型的非極性的完全非晶態(tài)駐極體材料，由于其優(yōu)異的力學(xué)特性及突出的儲電能力和疏水特性，如用作駐極體空氣過濾器的高效濾材，則明顯地優(yōu)于上述的傳統(tǒng)駐極體纖維濾材PP，可能成為新一代駐極體過濾纖維[7]。

5結(jié)論

經(jīng)過對比與分析，可以得出：目前既能很好地滿足空氣過濾要求又符合我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的駐極方法（工藝）是熔噴電暈放電法，但靜電紡絲（帶電）法可能是最有前途的駐極方法（工藝）。靜電駐極材料的選擇主要是具有優(yōu)異的介電性能，目前最適用的材料是聚丙烯及其和其它高聚物形成的混合物，但由降冰片和乙烯單體經(jīng)催化共聚形成的環(huán)烯共聚物COC(CycloolefinCopolymer)可能成為新一代駐極體空氣過濾材料。

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