驻极体静电空气过滤器及其应用_殷平
聚合物驻极体气体和空气滤材在环境净化工程中的应用研究与进展
聚合物驻板体气体和空气滤材在环境净化工程中的应用研究与进展／夏钟福·５７·聚合物驻极体气体和空气滤材在环境净化工程中的应用研究与进展夏钟福（同济大学波尔固体物理研究所，上海２０００９２）摘要综述了用于环境净化工程中的聚合物驻极体空气（气体）过滤嚣的滤料的基本性质，并讨论了它们的应用现状和发展。
关键词聚合物驻极体气体和空气滤材环境净化工程ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＰｏｌｙｍｅｒｉｃＥｌｅｃｔｒｅｔＡｉｒ／ＧａｓＦｉｌｔｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓＡｐｐＩｉｅｄｉｎＥｎＶｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＣｌｅａｎ—ｕｐＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＸｉａＺｈｏｎｇｆｕ（ＰｏｈｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＰｈｙｓｌｃｓ．Ｔ。
“ｇＪ１Ｕｎｉｖｅｒｓｌ‘ｙ，Ｓｈａ“ｇｈａｌ２０００９２）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂａｓｉｃｐｒｏｐｅｒｔＩｅｓｏｆｐ０１ｙｍｅｒｌｃｅｌｅｃｔｒｅｔａ打（０７９８ｓ）皿蚀ｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｐｐｌｌｅｄｉｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａＩｃｈｅａｎ—ｕｐｅｎｇｉｎｅｅｒｉ“ｇｒｅｖｌｅｗｅｄ．Ｔｌｌ。
ｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｅａｎｄｐｒ０５ｐｅｃｔｓｆｏｒｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｄｌｓｃｕｓｓｅｄ．ＫｅｙｗｏｒｄｓｐｏＩｙｍｅｒｉｃｅｌｅｃｔｒｅｔ，ａ计／ｇａｓ矗ｌｔｅｒｍａｔｅｒｌａｌｓ，ｅｎｖｉｒｏｌｌｍｅｎｔａｌｃＩｅａｎ—ｕｐｅｎｇｉｎｅｅｒｉ“ｇ空气中粉尘是六种主要的污染源之一，尤其是在工业嚣和公共社交场所。
其浓度惊人。
粉尘中通常带菌（特别是病房及公共设施场所），它们严重地危及人类的健康，因此必须进行净化｝高精度的作业区，如微电子车问的超净室和光学工程车间的空气净化也是必不可少的。
近年来，由于工农业生产的高速发展．而引起人类生活环境的污染加剧使得人们对生活质量的改善和环境净化的要求十分迫切。
鉴于驻极体气体和空气过滤器具有低流阻，高效率及长寿命，高集尘能力及节省能源等优点，使得这类气体和空气过滤器的研究发展十分迅速。
静电过滤器简介
较大。采用电子式静电离方式，利用静电吸附，当灰尘集满后只需要将产品集尘器取下用水冲洗干净即可， 而且拆卸方便，一次安装，无后续投入。
2．与介质过滤器相比，投资回收最多 2 年
初始投资高于介质过滤器，但与介质过滤器相比，投资回收期仅为 2 年左右。2 年后，节约的运行费用足
够涵盖初始投资， 高出部分，对业主而言---省钱!!!
电场在外加高压的作用下，负极的金属丝表面或附近放出电子迅速向正极运动，与气体 分子碰撞并离子化。油烟废气通过这个高压电场时，油烟粒子在极短的时间内因碰撞俘获气 体离子而导致荷电，受电场力作用向正极集尘板运动，从而达到分离效果。
三．特点
1 高效率除尘净化：可吸入颗粒物净化率大于 95%； 2 高效率杀菌净化：空气细菌净化率大于 95%； 3 去除有害气体（甲醛、苯、TVOC 等）； 4 节约能耗：三万风量以下消耗功率小于 100w，由于风阻小(<50pa)，可以对变频风机起 到节能作用； 5 集尘量大（六面集尘壁），清洗周期长； 6 模块化设计，拆装方便，自来水即可冲洗，维护简单。 7 这种设备的投资少、占地小、无二次污染、运行费用低。由于易于捕捉粒径较小的粉尘， 净化效率高，可达 85~95%。它的净化机理与气体方法的区别在于：分离力是静电力，直 接作用在粒子上，而不是作用在气流上，因此具有能耗低，阻力小的特点。
?：风机效率，按 70% 计算； 电价：0.76 元/度)
回收期(年)=(静电过滤器初始投资-介质过滤器年运行费用)/节约能耗
介质过滤器年更换费用：5400 元
静电过滤器初始投资：16800 元
介质过滤器系统风机能耗：28288 度电 静电过滤器系统风机能耗：2829 度电
静电过滤器功耗：225 度电
驻极体非织造材料在空气过滤方面的应用特点
驻极体非织造材料在空气过滤方面的应用特点武松梅;袁传刚【摘要】The electret mechanism of air filtration material was briefly introduced. The characteris- tics of electret air filtration materials were elaborated in detail.%文章简要介紹了驻极体空气过滤材料的驻极机理,重点阐述了驻极体空气过滤材料的特点。
【期刊名称】《山东纺织科技》【年(卷),期】2012(053)001【总页数】4页(P50-53)【关键词】驻极体;过滤材料;静电作用【作者】武松梅;袁传刚【作者单位】安徽职业技术学院,安徽合肥230011;安徽职业技术学院,安徽合肥230011【正文语种】中文【中图分类】TS176.51 概述我国处于高速发展工业时期，生产方式以粗放型为主，能源消耗比较大。
其中重工业、能源工业及原材料工业的生产工艺及设备相对落后，造成严重的空气污染。
这些有害有毒的气体和粉尘微粒，严重地危及人类的健康。
粉尘是六种大气污染源之一，空气中99.9%的粉尘粒径是亚微米级的。
随着人们对空气质量和生活环境要求越来越高，如何处理有害粉尘，净化空气成为人们关注的焦点。
但传统的空气过滤材料对粒径小于1μm的微粒的过滤并不是十分有效[1]，因此，开发高性能、低成本新型过滤材料是当前非常重要的课题。
常用纤维材料过滤的机理，就是使尘粒与纤维碰撞而将它从气流中分离出来，尘粒与纤维碰撞的原因，主要依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、直接拦截等机械阻挡作用。
尘粒及纤维都有可能因某种原因而带上静电。
普通的过滤材料没有带静电荷，材料和尘粒之间静电吸附作用甚弱。
如果过滤材料带有电荷形成荷电纤维(即驻极体)，当尘粒经过纤维过滤材料时，过滤中除原有的机械阻挡作用外，荷电纤维(驻极体)利用电荷的静电力有效地吸附尘粒，大大提高了对粉尘粒子的捕集效率。
驻极体过滤器气相流场及初始压降的数值计算
∆p µ = V t α
（8）
2.2 边界条件
入口边界：给定沿入口截面法向的时均速度 V ＝0.05m/s，入口处为常压。 出口边界：压力出口。
2.3 驻极体过滤器模型
图 2 所示为本文计算的驻极体过滤器模型，图中 t 为过滤器深度，为了计算需要，将进口区域和出 口区域进行了适当的延长。
Velocity inlet
µ α
1 ρ vi vi ) 2
（2）
∆p 150 µ (1 − ε ) 2 1.75 ρ (1 − ε ) 2 = v∞ + v∞ 2 3 t df ε ε3 df
（3）
上式中， d f 为纤维直径， ε 为过滤器的孔隙率，且 ε = 1 − C ，其中 C 为填充密度或称固体体积份额 （solid volume fraction，SVF） 。 对于高效过滤器绝大部分都是工作在层流条件下，因此上式可以简化为如下的形式：
显的优点在于可以在相对便宜的情况下改变流动和结构参数同时可以获得比较准确的结果。 但是， 绝大 部分研究者在计算时都将过滤器简化成一种规则排列的纤维结构，其结果和实际情况会存在一定的差 距。实际上，驻极体过滤器内部是一种多孔介质（Porous medium），而且这些纤维大都为一种随机的 排列结构。 本文利用数值计算作为工具并基于多孔介质模型来研究结构尺寸及操作参数和气相流场的关系。 在 此基础上得出一个能研究驻极体过滤器内压力场和速度场的新方法， 该方法的探索将有助于优化驻极体 过滤器的结构设计。
∆p = f (C )
µtV
df2
（7）
式中 t 为过滤介质厚度， V 为迎面风速， f (C ) 为无因次压降，且 f (C ) = 64C 3 / 2 (1 + 56C 3 ) 。 考虑到 Davies[13]提出的关联式是由实验得出的，所以本文基于该关联式反推出驻多孔介质内的粘 性阻力系数。由（7）式，可以计算出不同 SVF 下过滤器的初始压降，这样便可通过 Darcy 定律得到多 孔介质内的粘性阻力系数，即：
新型驻电极空气过滤器容尘性能实验研究
新型驻电极空气过滤器容尘性能实验研究熊文浪;林忠平【摘要】新型驻电极空气过滤器的容尘性能实验结果显示,其初始阻力在1.0 m/s 和2.5 m/s迎面风速下分别为14 Pa和60 Pa,且阻力容尘后基本不变,初始PM2.5过滤效率分别为99.8％和97.6％.容尘过程中效率衰减缓慢,使用一段时间后PM2.5过滤效率仍在90％以上和50％以上,清洗后效率有较大提升.无明显臭氧产生,针尖放电高压稳定,功率较小仅为15W.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2018(037)001【总页数】4页(P40-43)【关键词】驻电极空气过滤器;容尘性能;效率衰减【作者】熊文浪;林忠平【作者单位】同济大学机械与能源工程学院;同济大学机械与能源工程学院【正文语种】中文0 引言现有大量医学研究报告指出，人体长期暴露在颗粒物浓度较高的环境中容易引发心血管、呼吸系统甚至癌症等疾病，且细颗粒物对于健康的威胁更大[1]。
对于室内和室外颗粒物浓度水平的长期监测结果显示，室内空气PM2.5浓度和大气PM2.5呈强相关性 [2]，室内的颗粒物污染源主要是大气环境，这一点已得到大多数学者的认同[3-5]。
雾霾的频发不仅给室外环境造成影响，也会引发社会对于室内空气质量的担忧，从而迫使公众寻求纤维过滤、静电除尘、负离子作用甚至生物过滤系统[6]等净化空气的手段来保证基本的健康需求。
自从将静电除尘技术应用到控制室内颗粒物领域从而得到静电式集尘过滤器（ESP），新技术、新构造就不断的涌现[7]，静电类过滤器（ESP）集尘效率不断提高，对细颗粒物的收集效果更好，其相对于传统纤维过滤器更是具有阻力小、风机能耗小的优势，因此广泛应用于室内空气净化设备中。
单区结构的静电式集尘过滤器（ESP）在收尘过程中会因为粉尘层表面电荷的累积产生反电晕效果[8-9]，这不利于对颗粒物的收集，而将对粒子电离和收集分为两个阶段，形成双区结构[10-11]，让粒子先带上一定量的电荷，再通过电场被收集，这样就能很好的解决反电晕的问题。
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
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0.05~3μm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 μm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≤0.1μm。
MPPS的改变，就是由于极化力所引起的[6,7]。
驻极体空气过滤材料静电驻极方法初探
偶极电荷
空间电荷
静电过滤器得到了开发和利用
!"#
。其直接的结果
的静电驻极机理十分清楚和技术成熟的话，它们 可能比电晕放电法和摩擦起电法更有生命力。
是导致了现在的静电驻极方法（工艺） 。这些方法 （工艺）的静电驻极机理等内容见表 $。 由表 $ 可见，驻极体空气过滤材 料 的 静 电 驻 极方法中，就其静电驻极机理及特性而言，电晕 放电法和摩擦起电法由自身的特性仍然是当前研 究的重点；而热极化法易受温湿度影响，故它限 制了其广泛应用；静电纺丝法和低能电子束轰击 法由于它们的静电驻极机理较复杂，就目前的技 术而言，要达到广泛应用困难还很大，如果它们
表$ 静电驻极机理及特性 特性 机理复杂， 技术不成熟。 电荷类型 尚不清楚
驻极方法 静电纺丝
驻极机理 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 起 空 气 的 局 部 击 穿 的 电 晕 放 电 产 生 的 离 子 工 业 驻 极 体 生 产 中 应 用 束轰击电介质并使它带电。 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 最广泛。 起电简单， 只适合纺织中 的梳理工序
电晕放电
摩擦起电
摩擦形式、表面平滑度、 摩 摩擦起电机理复杂；两种材料需要接触 擦速度、 摩擦力等。 和分离； 对材料的电性能有要求等。 极化电场直接影响热驻极体内捕获电荷
热极化
极化电场、 极化温度、 极化 时间等
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 (0$1 24.$0
"<$
。这也许就意味着这种电
新型蜂窝状驻电极空气过滤器性能思考
新型蜂窝状驻电极空气过滤器性能思考摘要空气过滤是将环境中的颗粒物去除，随着人们环保意识的提升，人们对空气过滤技术更加重视。
本文分析了新型蜂窝状驻电极空气过滤器的阻力、效率和性能等，并进行了一定的测试，从而提升空气过滤的效果。
关键词空气质量;空气过滤器;蜂窝状驻电极近年来，我国雾霾现象越来越严重，空气污染问题引起了人们的高度关注。
空气污染治理是一个非常艰巨的任务，需要采取有效的措施加以改善。
空气过滤是将环境中的颗粒物去除，有效地降低空气污染的危害。
驻极体材料可以长期储存空间电荷，是一种新型的过滤材料。
1 蜂窝状驻电极的工作原理1.1 原理分析驻电极是一类常见通过静电增强纤维过滤的材料，碳纤维在正负极材料间实现交替连接，确保材料不同层面都能接触正负电极。
借助微观纯电场集尘通道，在电场的正负极作用下，可以被驻电极模块补集，提升稳定性，防止二次污染的产生。
通过材料性能的改变，可以提升材料的强度和抗老化能力。
同时，在使用的过程中，要定期清洗过滤，这会在一定程度上延长使用寿命，但是，任何产品不可能永久性使用，因此，在到一定期限的时候，其寿命也会终止。
1.2 驻电极空气过滤器与传统静电过滤的对照一般情况下，过滤器的“过滤效率”是被捕集粉尘量与进入过滤器空气含尘量的比值：过滤效率=过滤器捕集粉尘量=1-下游空气含尘量-上游空气含尘量。
传统的静电过滤器，主要采用静电力将从空气中分离的悬浮粒子进行过滤，静电过滤装置主要包括电离段和集尘段。
在隔离段产生大量的空气后，在高电压的影响下，富集的金属丝表面会释放大量的电子，电子会迅速朝着正极运动，与气体产生碰撞，空气中的微粒在较短的时间内会将大量的气体离子获取，在集尘段将粒子收集。
在电离的环节中，空气中会产生大量的臭氧和氮氧化物。
驻电极空气过滤器与传统的静电过滤器相比，其没有结合电离的方式，就能形成非常稳定的静电场，不会导致臭氧等二次污染。
臭氧对人们的嗅觉会产生非常严重的刺激，对患者的呼吸道和中枢神经系统会产生损害。
驻极体电纺膜的荷电特性及其空气过滤性能
驻极体电纺膜的荷电特性及其空气过滤性能刘延波;赵新宇;刘健;陈文洋;杨媛媛;韦春华【摘要】为开发高效低阻且滤效持久的空气过滤材料,采用静电纺丝技术对PVDF、PI两种极性不同的驻极体进行不同比例SiO2纳米颗粒掺杂改性,并对所得SiO2/PVDF和SiO2/PI两种复合电纺膜的表面形貌、纤维直径、机械性能、荷电特性、过滤性能进行测试表征.结果表明:与SiO2/PI复合纳米纤维膜相比,SiO2/PVDF复合纳米纤维膜表面带有更高的初始表面电势,且电势衰减较慢;随着纳米SiO2比例的提高,SiO2/PVDF复合纳米纤维膜的荷电性能和过滤性能均先提高后下降;当SiO2/PVDF质量比达到10/100时,其荷电性能和过滤性能均达最佳,此时初始表面电势达到-8.7 kV;面速率为32 L/min时其过滤效率为99.328％@0.26μm,过滤阻力约70 Pa.而SiO2/PI复合纳米纤维膜的机械性能、荷电效果和过滤性能随着SiO2比例的提高严重下降.【期刊名称】《天津工业大学学报》【年(卷),期】2018(037)005【总页数】7页(P1-7)【关键词】驻极体;电纺膜;掺杂改性;荷电特性;空气过滤【作者】刘延波;赵新宇;刘健;陈文洋;杨媛媛;韦春华【作者单位】天津工业大学纺织学院,天津300387;武汉纺织大学纺织科学与工程学院,武汉430200;天津工业大学纺织学院,天津300387;天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室,天津300387;天津工业大学纺织学院,天津300387;天津工业大学纺织学院,天津300387;天津工业大学纺织学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】TS176.5近年来，雾霾对人类身体健康的危害不断加剧[1]，2010年全球肺癌死亡人数中有14%来自空气污染，且PM2.5质量浓度每增加10 μg/m3，肺癌的风险就会增加9%[2].为使雾霾区的人们更加安全舒适地进行呼吸，开发高效低阻且效果耐久的空气过滤材料很有必要[3-4].目前市场上用于PM2.5防护的过滤材料主要是熔喷静电驻极非织造材料（如美国3M、天津泰达洁净等）以及静电纺纳米纤维非织造材料（如厦门中科贝思达R、韩国 Blue NanoR等）.相比于传统过滤材料[5]，驻极体过滤材料可以长时间储存空间电荷和偶极电荷[6]，依靠静电效应对微小颗粒进行拦截吸附[7]，可在不显著增加过滤阻力的前提下有效提高驻极体材料的过滤效率[8-11]，但是熔喷非织造布本身的过滤效率只有60%～80%，静电驻极后滤效虽然可以达到80%～99%，却易受使用时间和环境温湿度的影响而导致过滤效果不稳定[12].而静电纺纳米纤维非织造材料具有小孔隙特征，仅仅依靠其本身的筛滤作用，过滤效率就可以达到90%～99%，但是阻力也相应地飙升到80～160Pa，严重影响了纳米纤维材料在PM2.5防护方面的商业化应用.目前市场上绝大多数所谓静电纺纳米纤维基PM2.5防护口罩的过滤效率远低于其标称值，根本达不到国标GB/T 32610-2016规定的防护效果.静电纺技术制备的纳米纤维膜本身具有孔径小、比表面积高、纤维均一性好等优点[13]，是一种非常有潜力的驻极材料[9].与普通驻极体过滤材料相比，静电纺纳米纤维驻极体材料可以在纺丝过程中对每根纤维进行充电驻极，使大量空间电荷被捕获到纤维内部，从而提高表面电势，降低电荷衰减率，达到高效低阻、滤效持久的目的.鉴于目前熔喷静电驻极技术存在的电荷和滤效不稳定以及电纺纳米纤维材料过滤阻力太大的问题，本文拟采用静电纺丝和静电驻极组合技术制备高效低阻、滤效持久的PM2.5防护滤材.选取PVDF和PI两种极性不同的有机驻极体材料[14-15]，分别与无机驻极体SiO2纳米颗粒进行不同比例的掺杂改性[16-17]，利用静电纺丝技术将它们制成纳米纤维基驻极体空气过滤材料[18-19]，并对PVDF/SiO2和PI/SiO2复合电纺膜的结构形貌、机械性能、驻极效果和过滤性能等进行对比分析.1 实验部分1.1 实验材料和仪器所用材料包括：Solef 6020型聚偏氟乙烯（苏威PVDF），分子质量700 ku，深圳市泰能新材料有限公司产品；聚酰亚胺P8579，分子质量约80 ku，美国杜邦公司产品；N，N-二甲基甲酞胺（DMF），分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司产品；N-甲基吡咯烷酮（NMP），天津市光复精密化工研究所产品；丙酮，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司产品；疏水纳米SiO2（德固赛R974），深圳市创辉磁材厂产品.所用仪器包括：多针头静电纺丝机，实验室自制；FA1004型电子天平，上海舜宇恒平仪器公司产品；DF-101S型数显式加热磁力搅拌器，河南巩义予华仪器公司产品；KQ2200DB型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品；LEO153DVP型场发射扫描电子显微镜，德国卡尔蔡司公司产品；FMX-004型静电测试仪，日本SIMCO公司产品；CHY-C2型薄膜厚度仪，济南兰光机电技术公司产品；TSI 8130型自动滤料测试仪，美国TSI公司产品；INSTRON-3369型万能强力机，美国英斯特朗公司产品.1.2 静电纺复合纳米纤维膜的制备取一定量的PVDF粉末溶于体积比为7∶3的DMF/丙酮混合溶剂中，常温搅拌，待其溶解后，使用超声波清洗器超声30 min，得到混合均匀质量分数为12%的PVDF溶液.取一定量的PI颗粒溶于体积比为3∶7的DMF/NMP混合溶剂中，在80℃加热搅拌，待其完全溶解后，使用超声波清洗器超声30 min，配成质量分数为24%的PI溶液.称取不同质量的疏水纳米SiO2颗粒，分别溶于上述PVDF、PI溶液中，使用磁力搅拌器搅拌4 h，随后将溶液置于超声清洗器中超声1 h，得到SiO2与PVDF、PI 质量比分别为 5/100、10/100、15/100、20/100 的混合均匀的纺丝溶液.按实验需求抽取一定量的溶液置于针筒中，在正电压17 kV、负电压-5 kV、接收距离20 cm以及纺丝速率1 mL/h的条件下进行静电纺丝.1.3 性能测试（1）表面形貌：使用LEO153DVP型场发射扫描电子显微镜（SEM）观察纤维的表面形貌.（2）拉伸断裂性能：采用INSTRON-3369型万能强力机对纳米纤维膜的机械性能进行测试，每组设置5份样品，样品尺寸为30 mm×100 mm.测试条件为：温度（20±1）℃，湿度65%±2%，负荷范围 5 kN.采用CHY-C2型薄膜厚度仪测量各个样品的厚度.根据拉伸时的断裂强力与薄膜厚度、宽度，计算薄膜的断裂应力，计算公式如下：式中：σ 为断裂应力（MPa）；Fd为断裂强力（N）；d为样品厚度（m）；b 为样品宽度（m）.（3）驻极性能：使用FMX-004型静电测试仪对驻极体纤维膜的表面电势进行测量.将静电纺丝膜裁剪成50 mm×50 mm的待测样品，将其放置于平放在桌面上的离型纸上，样品的另一面暴露于空气中，在规定的时间点测试其表面电势，可测试范围为0～±30 kV.每组10个样品，分10 d进行测量，每个样品选取其中5个位置进行测量，再取其平均值.（4）过滤性能：使用TSI8130型自动滤料检测仪对复合电纺膜的过滤性能进行检测，测试载体为盐型气溶胶NaCl，质量中值直径为0.26 μm，数量中值直径为0.075 μm，测试流量（面速率）为32 L/min.2 结果与讨论2.1 纤维表面形貌分析图1所示为含有不同比例SiO2的SiO2/PVDF和SiO2/PI复合纳米纤维膜中纤维的表面形态.图1 不同纳米SiO2含量的静电纺SiO2/PVDF和SiO2/PI复合纤维膜的SEM图Fig.1 SEM of electrospun SiO2/PVDF and SiO2/PI composite membranes with different SiO2contents由图1可知：SiO2纳米粒子均已成功附着在纤维表面呈不规则排布.未添加纳米SiO2时，纳米纤维表面较为光滑；随着复合膜中SiO2比例的增大，纤维表面附着的SiO2纳米粒子逐渐增多，在纤维表面的分布也越来越不均匀，出现团聚现象，而纤维表面的粗糙程度也逐渐增大.与SiO2/PVDF复合电纺膜相比，在经SiO2纳米颗粒改性后，SiO2/PI复合电纺膜表面更为粗糙，且纤维直径更大.这可能是由于PI相较于PVDF具有更高的玻璃化转变温度和熔点，结构更加规整、致密，这使得PI射流在电场中劈裂更为困难.因此，电晕放电处理时需要一定的温度（Tg<T<Tm）才能使电荷进入到纤维内部的势阱，并且在电纺膜表面有足够数量的电荷分布.2.2 纤维直径分析SiO2纳米颗粒掺杂浓度对复合纤维膜中纳米纤维直径的影响如图2所示.图2 SiO2含量对复合纳米纤维膜直径的影响Fig.2 Effect of SiO2content on diameter of composite membranes由图2（a）可知：随着纳米纤维膜中SiO2比例的增大，SiO2/PVDF纤维平均直径与直径分布的CV值均呈现先减少后增加的趋势；在SiO2/PVDF=10/100时，纤维平均直径及其CV值最小.这可能是由于在静电纺丝过程中，随着纺丝溶液中SiO2比例的增加，射流的介电常数有所增大，当SiO2/PVDF质量比小于10/100时，液滴的劈裂程度随着其所受电场力的增加而提高，从而使纤维变细，纤维分布较为均匀；当SiO2/PVDF质量比超过10/100后，由于液滴所受电场力过大，使得射流在电场中运动速度过快，导致一部分射流未来得及充分劈裂便沉积在接收辊上，最终导致纤维平均直径增大，纤维直径分布变得不均匀.由图2（b）可知：当SiO2/PI质量比从0增加到5/100时，SiO2/PI纤维的平均直径急剧增大，达到了1.8μm以上；而5/100到20/100时，纤维直径变化非常小，甚至可以忽略，但纤维直径分布（CV值）比较大，高达65.7%，且CV值变化无规律，表明纤维直径非常不均匀.这可能是由于纳米SiO2的介电常数高于PI 的介电常数，同时两者均带正电，当SiO2/PI射流在电场中加速运动时，PI大分子受到的电场力小于SiO2，且其同时受到来自SiO2的库伦斥力，随着SiO2的不断增多，PI大分子受到来自各个方向的力也越加不均匀，一部分射流受力过大，在电场中运动速度过快，未来得及完全劈裂就沉积在接收辊上，最终导致纤维直径分布不均.由图2可知，经纳米SiO2改性后，PI电纺膜的纤维平均直径明显大于PVDF电纺膜，并且其纤维直径分布非常不均匀.2.3 膜机械性能分析图3所示为SiO2含量对SiO2/PVDF和SiO2/PI复合纳米纤维膜膜力学性能的影响.图3 SiO2含量对复合膜力学性能的影响Fig.3 Effect of SiO2content on mechanical property of composite membranes由图 3（a）可知：随着 SiO2比例的提高，SiO2/PVDF纳米纤维膜的断裂强力不断减少，但减小的幅度比较小，且不同样品的断裂应力则变化不大.这说明纳米SiO2的加入对纳米纤维膜机械性能的影响比较小.由图 3（b）可知：加入纳米 SiO2后，SiO2/PI纳米纤维膜的断裂强力和断裂应力都急剧下降，接近于0，并趋于稳定，其机械性能基本不再变化.这是因为纳米SiO2带正电荷，PI大分子也带正电荷，两者之间既受范德华力相互吸引，又受库仑力作用相互排斥，这使得纺丝过程中PI大分子聚合物的链段受到SiO2作用变得容易断裂，无法形成长丝纤维，SiO2/PI复合纳米纤维膜主要是短纤维的聚集体，这使得纤维之间的缠结变得不再紧密，抱合力下降，容易滑脱分离，从而使得纳米纤维膜的机械性能严重下降.由图3可以得出，经纳米SiO2改性后，SiO2/PI纳米纤维膜机械性能严重下降，而SiO2/PVDF则保持较好的机械性能.2.4 膜驻极性能分析图4所示为SiO2含量对SiO2/PVDF复合纳米纤维膜的初始表面电势及电势衰减的影响.图4 SiO2含量对SiO2/PVDF复合纳米纤维膜初始表面电势和表面电势衰减的影响Fig.4 Effects of SiO2content on initial surface potential and surface potential decay of SiO2/PVDF composite membranes由图4（a）可知，SiO2/PVDF复合纳米纤维膜的表面电势均为负值.这是由于PVDF具有极强的电负性，在电场中极易吸收电子及负离子，从而在其表面积累大量负电荷，显现出较高的负表面电势.随着纤维膜中纳米SiO2比例的增大，膜初始表面电势的绝对值先增大后减小，当SiO2/PVDF质量比为10/100的时候，纤维膜的初始表面电势达到峰值.这可能是由于当SiO2/PVDF质量比小于10/100时，纳米SiO2粒子能较为均匀地分布在纳米纤维表面，从而对其驻极效果起到增强作用；当SiO2/PVDF质量比超过10/100后，其在纤维表面出现团聚现象，从而使其复合纳米纤维膜的驻极效果减弱.由图4（b）可知，纳米SiO2/PVDF纳米复合纤维膜的表面电势衰减均比较缓慢，在10 d的测试周期内均保存了大量的电荷.这是由于PVDF是极性有机聚合物，介电常数很高，在外电场的作用下容易延电场方向产生极化，且在外电场消失后，可以继续长久保持极化的状态.图5所示为SiO2含量对SiO2/PI复合纳米纤维膜初始表面电势及电势衰减的影响. 图5 SiO2含量对SiO2/PI复合纳米纤维膜初始表面电势和电势衰减的影响Fig.5 Effects of SiO2content on initial surface potential and surface potential decay of SiO2/PI composite membranes由图5可知，SiO2/PI复合纳米纤维膜表面电势为正.随着SiO2占比的增多，SiO2/PI纳米纤维膜的初始表面电势在小范围内来回波动，且复合膜的衰减速度逐渐提升.这可能是由于PI是耐高温的非极电介质，需要在较高温度下驻极才能使偶极子发生明显取向，所以其表面电势主要是由静电纺丝过程中捕获的空间电荷提供的.掺杂SiO2后，其一方面增加了复合膜对空间电荷的捕获，另一方面破坏了复合膜的结构，使电荷更加容易逸散，最终使初始表面电势变化不大，而衰减速度有所增加.综上所述，PI纳米纤维膜表面电势为正，PVDF纳米纤维膜表面电势为负，且PVDF纳米纤维膜表面电势绝对值较高，电势衰减较慢.纳米SiO2的加入提高了PVDF纳米纤维膜的驻极性能，对PI驻极性能有所削弱.2.5 膜过滤性能分析图6所示为SiO2含量对SiO2/PVDF复合纳米纤维膜过滤性能的影响.图6 SiO2含量对SiO2/PVDF纳米纤维膜过滤性能的影响Fig.6 Effect ofSiO2content on filtration performance of SiO2/PVDF composite membrane 由图6可知：随着SiO2占比的提高，SiO2/PVDF复合膜的过滤性能先增大后减小，当SiO2/PVDF质量比为10/100时，复合膜的过滤效率最高.当采用32L/min的风速时，复合膜的过滤效率可以达到99.328%（阻力为70 Pa）.随着SiO2比例继续提高，SiO2/PVDF复合膜的过滤效率有所下降.当SiO2/PVDF质量比从0增加到5/100，复合膜的过滤阻力大幅提高，随后变化较小.这是由于随着SiO2/PVDF的质量比从0增加到5/100，纤维直径略有增大（参见图1），电纺膜结构更加致密，孔隙变小，因此，过滤阻力急剧增大；随后，当SiO2/PVDF质量比继续增加到10/100时，纤维直径下降到约300 nm，因此，过滤阻力略有减小；当SiO2含量继续增加，纤维直径持续上升，此时过滤阻力呈现下降的总趋势. 本研究获得的SiO2/PVDF=10/100电纺膜具有高效低阻的特点，过滤阻力远优于现有不含驻极体的静电纺纳米纤维膜.而且，本研究所得SiO2/PVDF质量比为10/100时SiO2/PVDF电纺膜的厚度和面密度分别为33.4 μm和8.39 g/m2，说明很薄的电纺膜即可获得较为理想的过滤效果.实际使用时，电纺膜会与熔喷、针刺、水刺等非织造材料复合使用，面密度会下降到0.1～1.0 g/m2，而普通微米级静电驻极过滤材料的面密度一般在60 g/m2左右.图7所示为SiO2含量对SiO2/PI复合纳米纤维膜过滤性能的影响.图7 SiO2含量对SiO2/PI纳米纤维膜过滤性能的影响Fig.7 Effect ofSiO2content on filtration performance of SiO2/PI composite membrane由图7可知，随着SiO2占比的提高，SiO2/PI复合膜的过滤效率和过滤阻力均大幅度下降.当SiO2/PI质量比达到10/100及以上时，复合膜的过滤效率下降到10%以下，过滤阻力接近于零.由于SiO2的加入，使得复合膜的机械性能严重下降，在进行过滤性能的测试时，复合纳米纤维膜变得容易破损，导致其过滤效率和过滤阻力都严重下降.对比图6和图7发现，SiO2纳米颗粒的加入使得PVDF纳米纤维膜的过滤性能得到了明显提高，而PI纳米纤维膜的过滤性能则严重下降.3 结论本文通过静电纺丝的方法制备了SiO2掺杂改性的PVDF、PI两种极性不同的驻极体纳米纤维膜，研究了SiO2比例对二者驻极性能的影响及二者过滤性能的差异.主要结论如下：（1）随着纳米SiO2比例提高，复合纳米纤维膜表面附着的颗粒开始增多，并逐渐出现团聚的现象.与SiO2/PVDF复合纳米纤维膜相比，SiO2/PI复合纳米纤维膜表面变得更加粗糙，纤维直径更大且分布更不均匀.（2）随着纳米SiO2比例提高，SiO2/PI复合纳米纤维膜的机械性能严重下降，而SiO2/PVDF复合纳米纤维膜机械性能保持较好.（3）静电纺丝过程当中，作为驻极体的所有原材料均得到静电驻极处理，其中SiO2/PVDF复合纳米纤维膜表面带上负电，SiO2/PI复合纳米纤维膜表面带上正电，且前者初始表面电势相对较高、衰减较慢.（4）随着纳米SiO2比例的提高，SiO2/PVDF复合纳米纤维膜的驻极性能和过滤性能先提高后下降；当SiO2/PVDF的质量比为10/100时，SiO2/PVDF复合纳米纤维膜的驻极性能和过滤性能最佳；此时，其初始表面电势达到-8.7 kV.当测试风速为32 L/min时，测得过滤效率为99.328%@0.26 μm、过滤阻力为70 Pa.而SiO2/PI复合纳米纤维膜则由于机械性能和驻极效果随SiO2含量的增加而变糟，过滤性能也受到了严重的影响.（5）当SiO2/PVDF质量比为10/100时，SiO2/PVDF复合纳米纤维膜的过滤性能可以和市售熔喷静电驻极过滤产品相媲美，但是产品克重低8倍左右，且不需要附加的静电驻极设备和步骤，所得静电衰减较慢、电荷效应更耐久；即便静电效应完全消除后，仍然可以保留很高的过滤效果.【相关文献】[1]QUAN J，ZHANG Q，HE H，et al.Analysis of the formation of fog and haze in North China Plain（NCP）[J].Atmospheric Chemistry&Physics Discussions，2011，11（4）：11911-11937.[2] ZHAO X J，ZHAO P S，XU J，et al.Analysis of a winter regional haze event and its formation mechanism in the 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空气净化技术研究(1):纤维过滤
空气净化技术研究(1)：纤维过滤
殷平
【期刊名称】《暖通空调》
【年(卷),期】2024(54)5
【摘要】纤维过滤是目前使用最广泛的空气净化技术,主要滤材有无纺布、玻璃纤维、驻极体静电纤维、聚四氟乙烯(PTFE)膜和纳米纤维。
本文比较了国内外主要空气过滤器标准中的效率规格,介绍了这5种纤维过滤器的特点,分析了国内外文献报道的这些过滤器的主要性能和优缺点。
对3种空气过滤器,即用驻极体静电纤维、PTFE纤维和静电纺丝纳米纤维制造的空气过滤器进行了测试,其中静电纺丝纳米纤维和PTFE纤维空气过滤器虽然仍存在不足,但是已实现了高效低阻的目标。
面对全球肆虐不断的各种流行性疾病,空气过滤器不但需要实现高效率、低阻力,更应具备杀灭细菌和灭活病毒的功能,新的、性能更优的纤维过滤材料和空气过滤器有待开发和应用。
【总页数】12页(P13-24)
【作者】殷平
【作者单位】湖南大学
【正文语种】中文
【中图分类】TQ3
【相关文献】
1.活性炭纤维过滤器在室内空气净化中的试验研究
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