驻极体高效空气净化材料的制备


    驻极体是指具有长期储存电荷能力的介电材料。与传统的过滤材料相比,驻极体空气过滤材料具有独特的滤尘机理和低流阻、高效率的特点,尤其是除尘灭菌多功能及对亚微米粒子突出的捕获能力使其成为当今高效过滤材料的发展方向。
    自从20世纪70年代以来,各种荷电技术以及通过混合不同纤维的带电技术等各具特色的带静电过滤器得到了开发和利用。现在的静电驻极方法(工艺)和驻极机理见表1。

表1、驻极方法(工艺)和驻极机理

驻极方法
驻 极 机 理
特 性
电荷类型
静电纺丝
带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形,再经溶剂蒸发或熔体冷却而固化。
机理复杂,技术不成不成熟。
尚不清楚
低温等离子放电
利用非均匀电场引起空气的局部击穿的低温等离子体放电产生的离子束轰击电介质并使它带电。
工业驻极体生产中应用最广泛。
空间电荷
摩擦起电
两物体摩擦接触距离足够小时,产生热激发作用,这种作用使对电子吸引力不同的物体的电子发生相互间转移而使物体带电。
起电简单,只适合纺织中的梳理工序。
尚不清楚
热极化
高温电场下,电介质材料热活化的分子偶极子沿电场方向取向,低温相同电场下冻结取向的偶极子。
温湿度的影响较大,最早制造的驻极体。
偶极电荷
低能电子束轰击
利用低能电子束轰击电介质,被电介质捕获并储存而带电。
机理较复杂,不易实现工艺化。
空间电荷


    由于材料的静电驻极方法(工艺)不同,所形成的驻极体的性质亦大不相同。具体情况见表2。

表2、静电驻极体的性质

静电驻极体
控 制 参 数
特 点
存 在 问 题
静电纺丝
纺丝液体的黏度、表面张力和电导率;操作条件的电压、流体速度、温度等等
静电纺丝纤维形成的无纺布是一种有纳米微孔的多孔材料;射流具有不稳定性
只能得到无纺布;产量很低(1mg/h~1g/h);多数条件下,静电纺丝纤维的强度很低
低温等离子放电
极化电压、极化温度、极化时间等
实现高储存电荷密度(1.4×10-3C/m2);沉积电荷的密度出现明显的离散性;设备简单,操作方便,充电效率高等
充电电荷仅能沉积于样品的近表面;电荷密度的横向均匀性和充电电荷的稳定性比低能电子束轰击略差
摩擦起电
摩擦形式、表面平滑度、摩擦速度、摩擦力等
摩擦起电机理复杂;两种材料需要接触和分离;对材料的电性能有要求等
摩擦起电的产生机理至今还不完全清楚;相对湿度、纤维的吸水率、温度对纤维材料的静电性能有明显的影响
热极化
极化电场、极化温度、极化时间等
极化电场直接影响热驻极体内捕获电荷的活化能,热极化后出现异号电荷,储存(或老化)过程中异号电荷向同号电荷转化;热驻极体的电荷密度为3×10-6~1×10-4C/m2
热驻极体受存放温度的影响;最大电荷密度依赖于气压和相对湿度
低能电子束轰击
电子束电流密度、轰击时间等
通过控制电子束能量和注入的束电流能精确地控制注入沿厚度的电荷层平均深度及电荷密度,从而可能研究在受控条件下空间电荷的分布及其衰减规律
操作过程较为复杂等

 

    驻极体空气过滤材料要求材料的储存电荷密度大,其电荷密度的储存寿命长及储存电荷稳定性强等等。而储存电荷的稳定性主要取决于材料性质、充电方法、电荷分布状态、储存的环境条件等。根据上述要求,就静电驻极体的性质而言,从表2中可得,低温等离子放电法是目前最佳的静电驻极方法;热极化法在环境相对稳定时也是一种较好的静电驻极方法;摩擦起电法要在试验中进一步完善;静电纺丝法需要科技的进一步发展;低能电子束轰击法需要改进和简化静电驻极的工艺。
    近年来,高分子化学纤维生产技术的发展使得用驻极体纤维能生产出HEPA及ULPA过滤器。用作驻极体空气过滤器的材料需要优异的介电性能,如高体电阻和表面电阻,高介电击穿强度,低吸湿性和透气率等。这类材料主要以高聚物为主的有机驻极体材料,如非极性材料:聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟乙烯/聚四氟乙烯共聚物等;极性材料或弱极性材料:聚三氟乙烯、聚丙烯(共混)及聚酯等。
    低温等离子放电驻极方法所用的设备不是普通的表面极化处理电晕设备。电驻极设备中的电源为高压脉冲电源,对电源的频率、脉冲宽度、波形、幅度都有严格的要求。对电极也有特殊要求。苏曼公司的低温等离子体放电驻极系统可大幅度提高材料的气体过滤效率,使产品具有低阻、高效、高容尘等特点。

低温等离子放电驻极设备图
低温等离子放电驻极法放电驻极效果图