窗帘布含水率对细颗粒物沉积性能的影响

范晓伟,魏艳雨,卢士艳,商良钺,张清志,王 艳

(1.中原工学院 能源与环境学院,河南 郑州 450007;2.郑州大学 土木工程学院,河南 郑州 450001;3.中原工学院 纺织学院,河南 郑州 450007;4.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院,陕西 西安 710055)

0 引 言

据相关统计数据显示,人们平均每天80%以上的时间是在室内度过的[1],而人类68%的疾病发生与室内环境污染有关。室内环境污染已被列入对公众健康影响最大的5种环境因素之一[2]。室内环境污染物多以细小颗粒物形式存在,在呼吸的过程中,带有细菌病毒的颗粒物进入呼吸道,对人体健康有极大的危害[3]。室内颗粒物的沉积能有效降低室内空气中的颗粒物浓度,减少人体对颗粒物的吸入量,从而改善室内人员的健康状况。然而,颗粒物的沉积取决于通风方式[4-5]、气流速度[6-7]、室内温度[8]、相对湿度[9-10]、粒子特性[11-12]等许多因素。除此之外,室内铺设物占据较大的室内表面积。相关研究表明,室内铺设物材质[13-15]、表面粗糙度[16-18]等对颗粒物沉积存在一定的影响。窗帘布属于室内铺设物的一种,在捕获室内外颗粒物的同时也不可避免受外界环境因素的影响而存在润湿现象。目前，关于窗帘布对颗粒物沉积影响的研究大多局限于窗帘布的表面特性,如粗糙度[19]，关于窗帘布湿润后对颗粒物沉积的影响未见报道。本文设计实验研究窗帘布含水率对颗粒物沉积的影响,以期完善室内颗粒物沉积影响因素相关研究。

1 实 验

1.1 窗帘布样品选择

市面上常见的窗帘布多为棉、麻、涤纶材质或由几种材质混纺而成。不同织物由于纤维内部亲水性基团、纤维结晶度、比表面积及内部空隙不同,导致纤维吸湿性不同,一般天然纤维的吸湿性大于合成纤维[20]。根据不同纤维吸湿性能的差异,从常见的窗帘材质中选择了涤纶和麻作为本实验的样品材质,根据GB/T 21655.1—2008《纺织品吸湿速干性的评定 第一部分:单相组合试验法》测量样品的最大含水率。含水率的计算方法为

(1)

式中:A为样品含水率，%;W1为样品湿质量,g;W0为样品干质量,g。

样品的基本性能参数见表1。所选的2种窗帘布样品均是平纹组织的单层织物样品,麻样品的吸水性能大于涤纶样品。

表1 窗帘布样品的基本性能参数

1.2 设备

实验在一个密闭的铝制沉积小室(如图1所示)内进行，其内部尺寸为0.8 m×0.8 m×0.8 m。实验台系统如图2所示。图中：1为氮气瓶；2为ATM 220 气溶胶发生器；3为干燥装置；4为颗粒物注入链接皮管；5为实验小室；6为六叶风扇；7为颗粒物浓度采集点；8为颗粒物采集皮管；9为GRIMM 11-A 光学粒子计数器；10为聚氨酯塑料泡沫；11为空气净化器。其他实验设备介绍见文献[19]，本文不再赘述。

图1 沉积小室

图2 实验台系统简图

1.3 实验原理

样品表面疏松多孔，无法直接测量样品表面颗粒物的沉积量，因此采用颗粒物浓度衰减法研究室内细颗粒物的沉积规律。在均匀混合的房间内，颗粒物满足如下质量平衡方程[13]:

(2)

式中：Cin为室内颗粒物浓度，个/m3；Cout为室外颗粒物浓度，个/m3；λr为房间的空气交换率，h-1；λde为颗粒沉积常数；λR为颗粒再悬浮系数；Di为颗粒物沉积浓度，个/m3。

由于实验中颗粒物的沉积及再悬浮无法单独评估，故采用λd表征二者在沉积过程中的整体效果。在沉积过程中箱体密封良好，式(2)又可表示为

Cin(t)=Cin(0)·exp(-λdt)

(3)

式中:λd为颗粒沉积损失率。

1.4 实验

沉积实验步骤如下：

1)样品调湿。通过控制喷壶的喷水量调节实验样品的含水率。

2)样品搭载。将调整好含水率的样品展开竖直放置在实验舱两侧壁面处。

3)小室净化。对实验小室裸露内表面进行清洁，然后关闭舱门，打开过滤器净化室内空气;打开粒子计数器，当内部总悬浮颗粒浓度降到10 000个/m3以下时关闭过滤器。

4)发尘。打开气溶胶发生器向小室内注入颗粒，同时打开小室内的风扇，使小室内的颗粒物充分混合；当小室内总粒子浓度达到所需浓度(5.5×108个/m3)时，停止发尘。

5)沉积。将风扇转速调至颗粒沉积所需转速，开始沉积；从此刻起监测并记录30 min内颗粒物浓度变化，并根据公式(2)、(3)计算颗粒物的沉积损失率。由于实验过程中存在样品散湿，取实验前后样品含水量的平均值计算样品的含水率。

2 结果与讨论

2.1 样品含水情况下的表面特性

利用VK-X110形状激光显微镜测量干湿样品的表面粗糙度。表面粗糙度计算公式为

(4)

式中：Ra为表面的算术平均高度,即粗糙度，μm；Hi为以最低平面作为参考平面的表面起伏高度，μm；n为统计范围内表面点的总个数。测量结果见表2。

从表2可以看出，2种样品的表面粗糙度随着样品润湿程度的增加而显著降低。

表2 干湿状态下表面粗糙度

通过激光显微镜对干态和饱和润湿状态下的织物表面放大200倍,然后进行三维扫描。扫描结果如图2所示,图中纵坐标表示样品表面最高峰到最低谷的垂直距离。可以看出,在2种干态样品表面均能看到长短不一的毛羽,随着样品的润湿,样品表面毛羽发生倒伏,表面波动幅度降低,毛羽量随着含水率的增加而有所减少,且毛羽高度有所降低。

(a)干涤纶样品

当2种窗帘布样品含水率相同(均为75%)时,利用激光显微镜对样品表面放大1 000倍观察表面水分布状态。结果发现,水在2种样品表面的分布情况差异较大,参见图4。

(a)麻样品

在样品含水率相同(均为75%)时,麻纤维会吸收更多的水分,而在麻样品表面纤维间的缝隙中只见少量的液体；涤纶纤维吸水性极差,水主要以液体的形式存在于纤维表面,水在涤纶样品表面形成大量的水膜,并且大部分纤维被淹没。

2.2 样品含水率的影响

在沉积实验过程中，小室内的温度始终保持在19.2～21.8 ℃，相对湿度为91.3%～94.5%。风扇转速设定为2 100 r/min，对应的近壁面平均风速为0.56 m/s。实验所研究的颗粒物粒径为0.425～1.15 μm，含水率在10%～75%。

在颗粒物粒径分别为0.425、0.475、0.615、0.675、0.750、0.900及1.150 μm的情况下，含水率对颗粒物沉积损失率的影响如图5所示。

(a)涤纶样品

从图5可以看出:对于麻样品,在研究的粒径范围内,颗粒物沉积损失率随着样品含水率的增加而降低,含水率从10%增加到75%,颗粒物沉积损失率降低幅度为12.3%～23.4%;对于涤纶样品,含水率从10%增加到25%,颗粒物沉积损失率有所增加,含水率从25%增加到75%,颗粒物沉积损失率降低,整体降低幅度为9.9%～26.4%。从图5还可以看出，含水率一定时，颗粒物粒径对沉积损失率的影响呈先下降后上升的V型分布。

随着样品被润湿,样品表面波动幅度降低,毛羽量有所减少,且毛羽高度有所降低。颗粒物在织物表面沉积过程中,织物近表面会形成一层很薄的浓度边界层。在没有静电力及热泳力的作用下,颗粒物的沉积过程可分为3步:①颗粒通过机械驱动的涡流向表面移动;②在靠近壁面的边界层内靠浓度梯度扩散;③粒子被表面捕获[21]。织物边界层内颗粒物的浓度要低于主流区的浓度。当织物处于干燥状态时,织物表面毛羽能进入甚至穿过颗粒物浓度边界层,使得织物表面毛羽暴露在更高浓度的粒子环境下,从而对颗粒物进行更多的截留、捕集。但随着织物含水率的增加,织物表面的毛羽发生了倒伏,伸展到颗粒物浓度边界层的毛羽量逐渐减小,使得颗粒物的沉积量有所降低。

除此之外,随着织物含水率的增加,样品表面粗糙度也发生变化。根据表2可知,随着样品的润湿,纤维间缝隙内的水分逐渐增加,甚至淹没部分纤维,从而会降低织物表面的粗糙度及外表面积。织物表面粗糙度的增加有利于增强颗粒物在织物表面的沉积[19]。织物含水率的增加在一定程度上降低了织物表面的粗糙度,所以颗粒物的沉积速率有所降低。对比2种样品材质性能,麻纤维的吸湿性较强,而涤纶纤维几乎不吸水[20]。当2种样品含水率从10%增加到75%时,涤纶样品纤维间水分的增加量要大于麻样品,进而涤纶样品含水率变化对颗粒沉积的影响稍大于麻样品。

2.3 样品材质的影响

在含水率分别为50%、75%的情况下,样品材质对沉积损失率的影响如图6所示。

图6 不同样品的颗粒物沉积损失率的变化

从图6可以看出：在含水率为50%时,各种粒径颗粒物在麻样品表面的沉积损失率大于涤纶样品,两者的差值为0.079 2～0.288；当含水率增加到75%时,颗粒物在2种织物表面沉积损失率的差值为0.138 6～0.309 3。即随着含水率的增加,颗粒物在样品上沉积损失率的差值增大。根据图4,在2种样品具有相同含水率时,相比于麻样品，涤纶样品纤维间会存留更多的水分,表面更趋于光滑。使得涤纶样品表面毛羽量、粗糙度及比表面积均小于麻样品，导致在相同含水率下,颗粒物在麻样品表面的沉积损失率大于涤纶样品。当含水率从50%增加到75%,2种样品表面的差异性增大,颗粒在2种样品表面沉积损失率的差值也进一步增加。

3 结 论

1)当窗帘布含水率相同时,颗粒物沉积损失率随粒径均呈现V型变化，且麻样品表面的沉积损失率大于涤纶样品。

2)随着样品含水率增加,织物表面的毛羽发生了倒伏,伸展到颗粒物浓度边界层的毛羽量逐渐减小,使得颗粒物的沉积损失率有所降低。

3)含水率的增加使更多的水分布在纤维表面或者是纤维与纤维间的毛细通道内,降低了织物表面的粗糙度及外表面积,从而减少了颗粒物在样品表面的沉积,使得颗粒物沉积损失率随样品含水率的增加整体呈现降低的趋势。

4)在选择窗帘布时,麻材质比涤纶材质更易吸附颗粒物,并且含水量越小的窗帘布对颗粒物的吸附性越大,从而有利于提高室内空气品质。