异丙醇处理对熔喷聚丙烯驻极体空气净化材料性能和结构的影响

，，，，钢进(． ， 3008； ．金海环境技术股份有限公司， 387)

1 前 言

熔喷聚丙烯(Melt-blown polypropylene，MBPP)驻极体空气净化材料由于具有特殊的静电除尘机理，因而具有低流阻、高效率、除尘灭菌多功能的特点，是空气净化器和呼吸防护面罩中使用的主要过滤介质[1]。其优越的过滤性能主要源于所带的驻极体电荷[2,3]。为了准确标定材料的过滤性能，有关标准化组织在一般过滤器标准中已明确提出将异丙醇处理去电荷试验(IPA试验)列为规范性内容[4]。欧洲EN779等标准甚至规定，在过滤器试验报告中除给出正常情况下的过滤效率外，还要给出经IPA处理使电荷全部消除后的效率[5]。

已提出的异丙醇处理去电荷的方法主要有熏蒸和浸泡两种。法国CETIAT实验室联合欧洲不同国家的6个著名实验室进行了异丙醇浸泡试验，证实了异丙醇浸泡将使MBPP驻极体空气过滤材料的过滤效率显著下降[6]。本课题组前期实验证实，溶剂浸泡对MBPP驻极体净化材料过滤效率下降与驻极体电场的衰减密切相关，溶剂的溶胀作用是影响驻极体电场稳定性的主要因素[7-8]。早期标准主要推荐异丙醇浸泡法[9]，但是异丙醇浸泡对过滤器和空气净化器等产品的监测非常麻烦，在制订最新的国内外标准时，有人建议采用异丙醇熏蒸法[10]，但还没有对异丙醇熏蒸法的效果进行全面评价的报道。

本文报道异丙醇浸泡和异丙醇熏蒸对MBPP驻极体空气净化材料过滤效率和阻力的影响，采用热刺激放电方法研究了异丙醇浸泡和熏蒸前后电荷的存储性能，并对材料在异丙醇浸泡和熏蒸前后的微结构特征进行了分析表征。

2 材料及实验方法

本文所用的原料是熔体指数为1500、分子量分布为4～5、等规度≥97的等规聚丙烯粒子。本研究所用4种MBPP样品均在微型熔喷试验机上制备。通过调控熔喷过程的风量和接收速度实现对熔喷非织造布单位面积质量的控制，进而获得不同过滤效率和阻力的样品[11]。样品面积均为15cm×15cm。

MBPP的驻极体性能通过线对面电晕注极方法获得[12]。注极条件为：注极电压30 kV，线电极与面电极之间的距离为4cm。

MBPP驻极体空气过滤材料的电荷存储性能采用热刺激放电技术表征。本研究热刺激放电谱在热刺激电流测试仪上进行，采取短路测试的方式[13]。初始温度为30℃，升温速率为3℃ min-1，终止温度为150℃。

过滤效率的测试在过滤效率测试仪上进行。测试使用的气溶胶是氯化钠，粒径约为0.3μm，风量为32L·min-1。

MBPP晶相结构的测定采用广角X射线衍射技术，在DX-1500型X射线衍射仪上进行；形貌分析采用Hitachi S-4700 II型场发射扫描电子显微镜。

图1 异丙醇浸泡(a)和熏蒸(b)实验装置示意图Fig.1 Test device of isopropanol soaking (a) and fumigating (b)

MBPP驻极体空气过滤材料的浸泡和熏蒸试验所用的异丙醇为市售分析纯试剂，浓度99.95%。浸泡和熏蒸实验装置如图1，具体过程如下：

浸泡：将约100mL异丙醇溶液加入到一密闭容器中，然后将样品完全浸入异丙醇溶液中。浸泡3h后，取出样品，并置于通风橱中的绝缘平板上晾干。

熏蒸：将约100mL异丙醇溶液加入到一特定结构的密闭容器中，封闭1h后，将样品放入容器内的支架上，再封闭9h后取出样品。

3 结果与分析

3.1 异丙醇处理对MBPP驻极体空气净化材料过滤效率和过滤阻力的影响

表1列出了4种具有不同过滤效率和阻力的MBPP驻极体空气净化材料经异丙醇浸泡前后过滤效率和阻力的测试结果。由表1可见，异丙醇溶液浸泡后，4种样品的过滤效率均大幅下降，下降值分别为42%，20%，40%，36%。现有研究表明，MBPP驻极体空气净化材料的高过滤效率与材料中驻极体电荷密切相关[14]，因此，过滤效率下降说明驻极体电荷发生了衰减。表1结果还显示，4种样品的阻力没有发生显著变化。其原因可由达西(Darcy)定律得到解释。根据该定律，过滤材料的阻力与其所具有的体积、密度、厚度、纤维细度、纤维排列方式等结构因素及过滤速度和流体动力学黏度等有关。异丙醇溶剂浸泡没有改变这些因素，因而阻力并不会发生大的改变。

为了比较异丙醇浸泡和异丙醇熏蒸对驻极体空气净化材料过滤性能影响的差异，在与异丙醇浸泡相同的实验环境下进行了异丙醇熏蒸实验，结果如表2所示。

表1 异丙醇浸泡对MBPP驻极体空气净化材料过滤效率和阻力的影响Table 1 Influence of isopropanol soaking on the filtration efficiency and resistance for MBPP electret filtration materials

表2 异丙醇熏蒸对MBPP驻极体空气净化材料过滤效率和阻力的影响Table 2 Influence of isopropanol fumigating on the filtration efficiency and resistance for MBPP electret filtration materials

异丙醇熏蒸后4种样品的过滤效率均下降，下降值分别为72%，55%，75%，62%。前已指出，这是由于材料中驻极体电荷发生了衰减所致。与表1结果的比较可看出，异丙醇熏蒸后样品的过滤效率下降幅度明显高于异丙醇浸泡。与异丙醇浸泡一样，熏蒸后过滤阻力没有发生显著变化，这也说明熏蒸对材料结构没有产生影响。

用异丙醇溶液浸泡和熏蒸两种方法对驻极体材料进行处理，过滤效率均有所下降，但浸泡后样品的过滤效率值明显大于熏蒸样品。现有研究表明，无论异丙醇熏蒸还是浸泡，样品中电荷均会发生衰减，进而导致过滤效率下降。由于驻极体空气净化材料的过滤作用源于静电吸附作用和机械过滤作用的协同结果，排除静电作用的影响，异丙醇浸泡后样品的过滤效率比异丙醇熏蒸后大的原因应为机械过滤作用所致。

为了验证上述观点，在与前述异丙醇处理相同的实验条件下，用上述4种未充电样品进行了异丙醇浸泡试验，结果如表3所示。异丙醇浸泡后过滤效率均有所增加，而且增加值与充电样品浸泡后的效率值相同。证明了异丙醇浸泡后过滤效率增加的原因与机械过滤作用有关。

表3 异丙醇浸泡对MBPP非驻极体空气净化材料过滤效率和阻力的影响Table 3 Influence of isopropanol soaking on the filtrating efficiency and resistance of MBPP non-electret filtration materials

3.2 异丙醇处理前后MBPP驻极体空气净化材料的热刺激放电谱研究

热刺激放电技术是研究驻极体电荷存储性能和稳定性的常用方法。通过将驻极体样品线性升温，使捕获在驻极体不同陷阱能级内的空间电荷脱阱或使取向的偶极分子发生松弛，可在外电路上产生电流。通过对所获得的电流温度谱的分析可判断材料体内是否存在驻极体的束缚电荷，根据放电峰峰温可推测驻极体电荷的陷阱深度。

表1所列4种样品异丙醇处理前后的热刺激放电谱如图2所示。在异丙醇处理前所测的热刺激放电谱中，4种样品均有放电峰，峰温分别为110℃，105℃，90℃和90℃，峰形也存在差异，这说明材料中存在着的束缚电荷陷阱能级不同。其原因是由于材料的熔喷加工工艺条件不同，材料的微结构存在差异，导致驻极体电荷的陷阱深度不同。异丙醇处理后再进行热刺激放电谱的测量，发现4种样品的放电峰均消失。这说明异丙醇浸泡后驻极体过滤材料中不再有电荷存在，异丙醇浸泡起到了消除驻极体电荷的作用。这一结果与异丙醇处理使得过滤效率下降的结果相一致，进一步表明驻极体空气净化材料的高过滤效率源于体内存在的驻极体电场。

异丙醇处理的结果也表明，3.1节中异丙醇浸泡处理样品的剩余过滤效率比异丙醇熏蒸大，其原因不是由于材料中剩余电荷引起的，而是由于机械过滤作用所致。驻极体空气净化材料的过滤作用源于静电吸附作用和机械过滤作用协同的结果。

3.3 异丙醇处理前后MBPP驻极体空气净化材料的晶相结构分析

异丙醇浸泡和熏蒸前后的X射线衍射分析结果见图3。由于各样品的X射线衍射谱测试结果完全相同，图中只列出样品1的测试结果。图3结果显示，异丙醇处理前后样品的X射线衍射谱几乎没有发生变化，峰形和峰位置都相同。这说明异丙醇处理对MBPP的晶相结构没有产生影响。

3.4 异丙醇浸泡前后MBPP驻极体空气净化材料的扫描电镜分析

采用扫描电镜测试了异丙醇浸泡前后MBPP的形貌图。对比观察异丙醇浸泡前后照片(图4)可以看出，异丙醇浸泡前样品的纤维表面光滑，浸泡后样品的纤维表面相对粗糙。显然，这是由于异丙醇溶剂的溶胀作用所致[7]。异丙醇浸泡后纤维的溶胀使得相同流速相同数量的粒子通过时被纤维吸附的数量增多，因而过滤效率增加。

图2 MBPP驻极体空气净化材料经异丙醇处理前后的热刺激放电谱Fig.2 Thermal stimulating discharging spectrum of MBPP electret filtration materials before and after isopropanol disposal

图3 浸泡(左)和熏蒸(右)对MBPP驻极体样品X射线衍射谱的影响Fig.3 Influence of isopropanol soaking (left) and isopropanol fumigating (right) on the X ray diffraction spectrum of MBPP electret filtration materials

图4 未充电样品异丙醇浸泡前(左)和浸泡后(右)的扫描电镜照片Fig.4 Scan electron microscopy picture of MBPP non-electret filtration materials before isopropanol soaking (left) and after isopropanol soaking (right)

4 结 论

异丙醇浸泡与异丙醇熏蒸都可以使MBPP驻极体空气净化材料中的电荷完全消失，但不会使晶相结构发生变化。经过异丙醇浸泡后材料的剩余过滤效率比异丙醇熏蒸后的高，其原因是由于异丙醇浸泡会使MBPP纤维发生溶胀，纤维表面变粗糙所致。而异丙醇熏蒸时此现象不明显。异丙醇浸泡与异丙醇熏蒸处理对MBPP驻极体空气净化材料过滤阻力的影响不显著。

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