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駐極體過濾材料及其在空氣凈化領域的應用

 楊荊泉，田濤

摘要：駐極體過濾材料具有高效、低阻、節能、抗菌等優點，是一類非常有應用前景的新型空氣過濾材料。該文介紹了駐極體的概念、駐極體過濾材料的主要原材料及其特點、駐極方法、工藝及其對駐極體過濾材料電荷存儲特性的影響，闡述了駐極體過濾材料在空氣凈化領域的應用情況。

關鍵詞：空氣污染；駐極體；過濾；空氣凈化

隨著時代的進步，人們對環境質量的要求越來越高。但經濟的快速發展加劇了環境的污染，空氣中的粉塵、化學物質、有害微生物等對人們的健康產生了不良影響。因此，有效控制空氣中的有害物質是有待解決的重大問題。空氣過濾器和過濾材料的應用是凈化空氣的重要手段。普通空氣過濾材料對于細小微粒的去除不夠徹底，而且過濾材料上容易孳生有害微生物，存在二次污染的可能[1,2]。駐極體空氣過濾材料為解決這一難題提供了可能。駐極體空氣過濾材料具有高效、低阻、節能、抗菌等優點，是一類非常有應用前景的新型空氣過濾材料[3]。

筆者介紹了駐極體的概念、駐極體過濾材料的主要原材料及其特點、駐極方法、工藝及其對駐極體過濾材料電荷存儲特性的影響，闡述了駐極體過濾材料在空氣凈化領域的應用情況。

1駐極體

駐極體是指具有長期儲存電荷功能的電介質材料，具有在無外電場的條件下能自身產生靜電作用力的特性。根據駐極體電荷的來源和性質，駐極體材料中的電荷可分為空間電荷和極化電荷兩類。

空間電荷主要是從介質外面經施加的電場推斥，沉積到介質表面或注入到介質表層一定深度，被介質表面或內部的各種陷阱捕獲的帶電粒子(如電子、離子等)，也稱為駐極體的捕獲電荷。極化電荷是通過凍結取向偶極子和界面極化而形成的，這種電荷被束縛在分子內，不能脫離分子轉移到其他部位，故也被稱為束縛電荷[5]。

2駐極體材料

用作駐極體的原材料需要優異的介電性能，如高體電阻和表面電阻、高介電擊穿強度、低吸濕性和透氣率等。駐極體材料可分為無機駐極體、聚合物駐極體和生物駐極體[6]。用作空氣過濾材料的主要是高聚物駐極體材料。

高絕緣性氟聚合物，如聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙丙烯共聚物（FEP）、聚偏氟乙烯（PVDF）等都是性能優良的駐極體材料。聚丙烯（PP）無紡布駐極體在通常環境條件下的電荷穩定性能可與聚四氟乙烯駐極體相媲美。

3駐極體過濾材料的特點

3.1高效性和低阻性

普通的纖維過濾材料主要依靠布朗擴散、截留、慣性碰撞、重力沉降等機械阻擋作用來過濾空氣中的微粒，因此對粒徑小于1μm的粒子過濾效果不理想[7]。多數細菌、病毒微生物的大小都是微米級和亞微米級，例如SARS冠狀病毒只有約100nm。只有當過濾材料纖維十分細小和密實時才能高效地捕獲這些微小的顆粒，這導致過濾材料空氣阻力增大，進而導致空氣過濾器運行能耗和成本增加；應用于呼吸防護則使呼吸負擔增加。

駐極體纖維通常帶有幾百至上千伏電壓，而纖維的間隙非常小，從而形成了無數個無源電極，電極間電場達幾十MV/m甚至更高，等效面電荷密度高達90nC/cm2[8]。因此，駐極體空氣過濾材料除原有的機械阻擋作用外，還依靠靜電力直接吸引空氣中的帶電微粒并將其捕獲，或誘導空氣中的中性微粒產生極性再將其捕獲，從而更有效地過濾空氣中的亞微米粒子，在不增加空氣阻力的情況下顯著提高過濾效率[9]。許多學者的研究結果證實了這一點[10-12]，

例如某熔噴聚丙烯材料的過濾效率可由未駐極時的58.1%提高到駐極后的93.8%[13]。

由于電場力是長程力，在同樣的過濾效率時，駐極過濾材料空隙的幾何尺寸可以大于普通纖維或多孔材料，使駐極過濾器的氣流阻力比傳統過濾器顯著降低，因此可大幅度地節約能源。例如，在同等過濾效率條件下，某高效玻纖過濾器與駐極體過濾器的氣流阻力分別為118.6Pa和10.8Pa[14]。

3.2抗菌性能駐極體材料不僅過濾性能優良，而且對微生物還有抑制和殺滅作用。研究者將表面電位為-300～-1500V的聚四氟乙烯駐極體對金黃色葡萄球菌分別作用1～24h。結果顯示,不同駐極電位的駐極體對金黃色葡萄球菌有6%至97%的殺滅率。駐極體的表面電位越高，對金黃色葡萄球菌的抑菌效果越好。

研究者認為駐極體抑制細菌繁殖和滅菌作用的原理可能是靜電場和微電流刺激細菌，使細菌的蛋白質、核酸等變異，損傷細菌的細胞壁及細胞膜，破壞細菌的表面結構，使細胞膜內外的生物駐極態受到破壞，從而抑制細菌繁殖和殺滅細菌[15]。

研究者選用表面電位為-300、-500和-1000V的聚四氟乙烯駐極體作用于成纖維細胞24、48和72h，利用流式細胞儀和透射電子顯微鏡研究負極性駐極體對成纖維細胞凋亡的影響。結果顯示，駐極體作用成纖維細胞以后，與對照組相比，成纖維細胞的凋亡率從0.5%增至10%（部分可達15%）；駐極體作用成纖維細胞48～72h后，出現細胞凋亡特有的形態學特征，研究者得出負極性駐極體有促進成纖維細胞凋亡的作用[16]。

4駐極工藝與電荷存儲特性

空氣過濾材料的靜電駐極方法主要有電暈放電、摩擦起電、靜電紡絲、熱極化和低能電子束轟擊。其駐極機制如表1所示[17]。除了上述方法，有研究者采用陰離子表面活性劑預處理的方法來制備駐極體過濾材料。采用油酸鈉或十二烷基硫酸鈉處理聚丙烯纖維過濾材料使其帶上負電荷，處理后的過濾材料相比未處理過濾材料過濾效率提高了30%[18]。

使纖維或非織造布過濾材料帶電常用的方法有電暈放電、靜電紡絲和摩擦起電3種。研究者研究了這3種充電技術給不同聚合物類型的纖維或非織造布充電的效果。實驗結果表明，摩擦充電可達到更高的電荷密度和過濾效率，但僅適合于具有不同電負性的2種纖維在梳理過程時充電。電暈放電對材料的適用范圍較廣，且面密度大的織物充電效果要優于面密度小的織物。靜電紡絲的優點在于能生產非常微細的纖維，但其產率較低[19]。

研究者對電暈放電駐極體研究最多，發現影響駐極體電荷存儲特性的因素主要有兩類。一類是充電工藝參數，包括充電方式、充電電壓、充電和處理溫度、充電時間、極間距離等。一類是材料特性參數，包括材料表面結構、材料分子結構、材料厚度、填料等。

關于不同充電工藝參數對駐極特性的影響程度，研究者對聚丙烯駐極體薄膜的形成及其表面電位的衰減進行了研究。研究表明，駐極體薄膜的表面電位與充電電壓、溫度、極間距離、充電時間有關。充電電壓對實驗的影響顯著，且充電電壓越高，駐極體薄膜電位越高。溫度對實驗的影響為一般顯著，極間距離和充電時間的影響次之[20]。

關于充電方式的影響，研究者利用等溫表面電位衰減、熱刺激放電和掃描電鏡等實驗手段研究了恒流和恒壓電暈充電技術對聚四氟乙烯多孔薄膜駐極體駐極態的影響。結果表明，恒流電暈充電比恒壓電暈充電時駐極態的建立速率更快。恒流電暈充電的樣品內包含更高濃度的俘獲電荷，從而改善了駐極體的儲電能力。但是恒流電暈充電的駐極體的電荷儲存穩定性比恒壓電暈充電稍差[21]。研究者用交流、直流以及交流加直流3種電暈放電方式給聚丙烯熔噴非織造布充電。結果表明，慢速的交變電流充電后，再給非織造布表面充一次直流電能夠獲得較好的充電效果[22]。

關于充電和處理溫度的影響，研究者研究了不同電暈充電溫度下聚丙烯紡黏纖維非織造布的駐極性能，結果顯示，高溫下充電更利于纖維的極化[23]。研究者研究了后處理溫度對聚四氟乙烯薄膜駐極體電荷儲存特性的影響。結果表明，采用提高常溫充電的柵壓，同時組合適當高溫下的老化處理，可實現既改善電暈充電的電荷穩定性，又使其儲存較高的電荷密度[24]。

研究者研究了用作空氣過濾材料的聚丙烯無紡布駐極體的電荷儲存能力及其穩定性。發現熱處理（高溫充電或常溫充電后老化）能有效地改善其電荷儲存壽命，是因為這種處理提高了深阱俘獲電荷的比例。而熱處理引起無紡布中實際儲存電荷密度的下降可以通過合理的控制充電參數予以彌補[25]。

關于材料表面結構的影響，研究者對聚四氟乙烯多孔膜、聚四氟乙烯非多孔膜和氟化乙丙烯共聚物非多孔膜駐極體的電荷儲存穩定性進行了比較研究。結果顯示，聚四氟乙烯多孔膜駐極體比非孔膜材料駐極體表現出更好的電荷儲存穩定性。并認為這是因為多孔膜結構具有較大界面、較低的密度和更多更復雜的缺陷[26]。研究者研究了高壓電暈放電聚丙烯織物駐極體的性能，結果表明，細而柔軟卷曲的纖維以及面密度較大的織物具有更好的駐極效果，其過濾效率和抗濕性能較好[9]。

關于材料分子結構的影響，研究表明，要獲得高電荷密度和穩定性的聚丙烯非織造布駐極體空氣過濾材料，應選取等規立構結構的聚丙烯為原材料，通過摻雜改性，控制工藝條件，盡可能使材料形成微晶結構。另一方面，由于具有不同介電常數和電導率的材料構成的界面被駐極時，在界面上及結晶區和非結晶區之間都會產生界面極化，因此，可將聚丙烯與其他材料或不同工藝方法得到的聚丙烯進行多層復合，利用界面極化效應，達到存儲電荷的目的[27]。

關于材料厚度的影響。研究者研究了氟化乙丙烯共聚物薄膜駐極體電荷儲存及電荷動態特性的影響。結果表明，在充電參數一定的條件下，隨著薄膜厚度的降低，儲存電荷密度上升，但電荷穩定性有所下降[28]。關于材料填料的影響。研究者研制了一種含有特種電氣石微粒的復合駐極體聚丙烯熔噴非織造布。結果表明，加入特種電氣石之后，纖網的力學性能有所下降，復合駐極體非織造布的駐極效果大大改善，其表面電荷密度、過濾性能及抗菌性均有明顯提高[29]。

5駐極體過濾材料在空氣凈化領域的應用

駐極體過濾材料高效、低阻、節能、抗菌的優點使之在空氣凈化領域的應用越來越多。由日本松下、中國海爾等大公司生產的中央空調和家用空調設備現已較廣泛地采用駐極體空氣過濾器作為基本的空氣凈化系統[30]。駐極體濾料應用在奧克斯分體落地式KFR-46L/DS型空調機上，對可吸入性顆粒物的過濾效率能達到80%以上，從而能夠有效地改善房間內的空氣質量[31]。

我國從20世紀90年代后期開始將駐極體靜電過濾材料應用到商用空調機組中，取得了良好的凈化效果。根據廣州、天津、常州等地大型商場2a的運行結果，駐極體靜電空氣過濾器過濾效率明顯高于傳統的空調機組，可以保證商場內空氣中的灰塵和細菌含量低于國家標準的規定。駐極體空氣過濾器容塵量大，且積塵容易清除。將駐極體靜電空氣過濾器應用到醫院手術室專用空調機組中，對0.5μm大氣塵的過濾效率高達97.7%，空氣阻力僅為90Pa；凈化能力明顯優于一般空調機組，并且延長了高效空氣過濾器的壽命[14]。

駐極體空氣過濾器在軍事領域也應用于潛艇和封閉型水面艦艇的艙室、彈藥倉庫、坑道等場所的空氣凈化[14]。

我國某些地域的大氣污染嚴重，導致當地紡織企業出現“煤灰紗”現象。河北省大華紡織股份有限公司將駐極體袋式過濾器安裝在細紗車間6號空調系統上，對環境空氣中的微細顆粒物進行有效過濾，取得了較好的防治“煤灰紗”效果[32]。

研究者采用駐極超微細纖維制備了SARS防護口罩，對于40和60g/m2的超微細纖維過濾材料，駐極后其病毒透過率分別由12%,5.73%降為5.47%,2.53%。兩種規格的超微細纖維過濾材料駐極后氣流阻力基本沒有變化[33]。

美國AFFCO公司將駐極體過濾材料Flo-CleanEM2000應用于人員呼吸防護口罩、空氣過濾器、真空吸塵器、汽車空氣凈化、室內空氣凈化等。其對空氣中微粒的過濾效率達99.999%，其纖維經抗菌處理，可防止細菌和真菌的生長[34]。

隨著對駐極體過濾材料研究和開發的深入，其在空氣凈化領域的應用會更加廣泛。

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