驻极体过滤材料及其在空气净化领域的应用 - 广州佰伦空气过滤器制造有限公司

随着时代的进步，人们对环境质量的要求越来越高。但经济的快速发展加剧了环境的污染，空气中的粉尘、化学物质、有害微生物等对人们的健康产生了不良影响。因此，有效控制空气中的有害物质是有待解决的重大问题。空气过滤器和过滤材料的应用是净化空气的重要手段。普通空气过滤材料对于细小微粒的去除不够彻底，而且过滤材料上容易孳生有害微生物，存在二次污染的可能[1,2]。驻极体空气过滤材料为解决这一难题提供了可能。驻极体空气过滤材料具有高效、低阻、节能、抗菌等优点，是一类非常有应用前景的新型空气过滤材料[3]。

笔者介绍了驻极体的概念、驻极体过滤材料的主要原材料及其特点、驻极方法、工艺及其对驻极体过滤材料电荷存储特性的影响，阐述了驻极体过滤材料在空气净化领域的应用情况。

1驻极体

驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料，具有在无外电场的条件下能自身产生静电作用力的特性。根据驻极体电荷的来源和性质，驻极体材料中的电荷可分为空间电荷和极化电荷两类。

空间电荷主要是从介质外面经施加的电场推斥，沉积到介质表面或注入到介质表层一定深度，被介质表面或内部的各种陷阱捕获的带电粒子(如电子、离子等)，也称为驻极体的捕获电荷。极化电荷是通过冻结取向偶极子和界面极化而形成的，这种电荷被束缚在分子内，不能脱离分子转移到其他部位，故也被称为束缚电荷[5]。

2驻极体材料

用作驻极体的原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。驻极体材料可分为无机驻极体、聚合物驻极体和生物驻极体[6]。用作空气过滤材料的主要是高聚物驻极体材料。

高绝缘性氟聚合物，如聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙丙烯共聚物（FEP）、聚偏氟乙烯（PVDF）等都是性能优良的驻极体材料。聚丙烯（PP）无纺布驻极体在通常环境条件下的电荷稳定性能可与聚四氟乙烯驻极体相媲美。

3驻极体过滤材料的特点

3.1高效性和低阻性

普通的纤维过滤材料主要依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降等机械阻挡作用来过滤空气中的微粒，因此对粒径小于1μm的粒子过滤效果不理想[7]。多数细菌、病毒微生物的大小都是微米级和亚微米级，例如SARS冠状病毒只有约100nm。只有当过滤材料纤维十分细小和密实时才能高效地捕获这些微小的颗粒，这导致过滤材料空气阻力增大，进而导致空气过滤器运行能耗和成本增加；应用于呼吸防护则使呼吸负担增加。

驻极体纤维通常带有几百至上千伏电压，而纤维的间隙非常小，从而形成了无数个无源电极，电极间电场达几十MV/m甚至更高，等效面电荷密度高达90nC/cm2[8]。因此，驻极体空气过滤材料除原有的机械阻挡作用外，还依靠静电力直接吸引空气中的带电微粒并将其捕获，或诱导空气中的中性微粒产生极性再将其捕获，从而更有效地过滤空气中的亚微米粒子，在不增加空气阻力的情况下显著提高过滤效率[9]。许多学者的研究结果证实了这一点[10-12]，

例如某熔喷聚丙烯材料的过滤效率可由未驻极时的58.1%提高到驻极后的93.8%[13]。

由于电场力是长程力，在同样的过滤效率时，驻极过滤材料空隙的几何尺寸可以大于普通纤维或多孔材料，使驻极过滤器的气流阻力比传统过滤器显著降低，因此可大幅度地节约能源。例如，在同等过滤效率条件下，某高效玻纤过滤器与驻极体过滤器的气流阻力分别为118.6Pa和10.8Pa[14]。

3.2抗菌性能驻极体材料不仅过滤性能优良，而且对微生物还有抑制和杀灭作用。研究者将表面电位为-300～-1500V的聚四氟乙烯驻极体对金黄色葡萄球菌分别作用1～24h。结果显示,不同驻极电位的驻极体对金黄色葡萄球菌有6%至97%的杀灭率。驻极体的表面电位越高，对金黄色葡萄球菌的抑菌效果越好。

研究者认为驻极体抑制细菌繁殖和灭菌作用的原理可能是静电场和微电流刺激细菌，使细菌的蛋白质、核酸等变异，损伤细菌的细胞壁及细胞膜，破坏细菌的表面结构，使细胞膜内外的生物驻极态受到破坏，从而抑制细菌繁殖和杀灭细菌[15]。

研究者选用表面电位为-300、-500和-1000V的聚四氟乙烯驻极体作用于成纤维细胞24、48和72h，利用流式细胞仪和透射电子显微镜研究负极性驻极体对成纤维细胞凋亡的影响。结果显示，驻极体作用成纤维细胞以后，与对照组相比，成纤维细胞的凋亡率从0.5%增至10%（部分可达15%）；驻极体作用成纤维细胞48～72h后，出现细胞凋亡特有的形态学特征，研究者得出负极性驻极体有促进成纤维细胞凋亡的作用[16]。

4驻极工艺与电荷存储特性

空气过滤材料的静电驻极方法主要有电晕放电、摩擦起电、静电纺丝、热极化和低能电子束轰击。其驻极机制如表1所示[17]。除了上述方法，有研究者采用阴离子表面活性剂预处理的方法来制备驻极体过滤材料。采用油酸钠或十二烷基硫酸钠处理聚丙烯纤维过滤材料使其带上负电荷，处理后的过滤材料相比未处理过滤材料过滤效率提高了30%[18]。

使纤维或非织造布过滤材料带电常用的方法有电晕放电、静电纺丝和摩擦起电3种。研究者研究了这3种充电技术给不同聚合物类型的纤维或非织造布充电的效果。实验结果表明，摩擦充电可达到更高的电荷密度和过滤效率，但仅适合于具有不同电负性的2种纤维在梳理过程时充电。电晕放电对材料的适用范围较广，且面密度大的织物充电效果要优于面密度小的织物。静电纺丝的优点在于能生产非常微细的纤维，但其产率较低[19]。

静电驻极方法与机制

研究者对电晕放电驻极体研究最多，发现影响驻极体电荷存储特性的因素主要有两类。一类是充电工艺参数，包括充电方式、充电电压、充电和处理温度、充电时间、极间距离等。一类是材料特性参数，包括材料表面结构、材料分子结构、材料厚度、填料等。

关于不同充电工艺参数对驻极特性的影响程度，研究者对聚丙烯驻极体薄膜的形成及其表面电位的衰减进行了研究。研究表明，驻极体薄膜的表面电位与充电电压、温度、极间距离、充电时间有关。充电电压对实验的影响显著，且充电电压越高，驻极体薄膜电位越高。温度对实验的影响为一般显著，极间距离和充电时间的影响次之[20]。

关于充电方式的影响，研究者利用等温表面电位衰减、热刺激放电和扫描电镜等实验手段研究了恒流和恒压电晕充电技术对聚四氟乙烯多孔薄膜驻极体驻极态的影响。结果表明，恒流电晕充电比恒压电晕充电时驻极态的建立速率更快。恒流电晕充电的样品内包含更高浓度的俘获电荷，从而改善了驻极体的储电能力。但是恒流电晕充电的驻极体的电荷储存稳定性比恒压电晕充电稍差[21]。研究者用交流、直流以及交流加直流3种电晕放电方式给聚丙烯熔喷非织造布充电。结果表明，慢速的交变电流充电后，再给非织造布表面充一次直流电能够获得较好的充电效果[22]。

关于充电和处理温度的影响，研究者研究了不同电晕充电温度下聚丙烯纺黏纤维非织造布的驻极性能，结果显示，高温下充电更利于纤维的极化[23]。研究者研究了后处理温度对聚四氟乙烯薄膜驻极体电荷储存特性的影响。结果表明，采用提高常温充电的栅压，同时组合适当高温下的老化处理，可实现既改善电晕充电的电荷稳定性，又使其储存较高的电荷密度[24]。

研究者研究了用作空气过滤材料的聚丙烯无纺布驻极体的电荷储存能力及其稳定性。发现热处理（高温充电或常温充电后老化）能有效地改善其电荷储存寿命，是因为这种处理提高了深阱俘获电荷的比例。而热处理引起无纺布中实际储存电荷密度的下降可以通过合理的控制充电参数予以弥补[25]。

关于材料表面结构的影响，研究者对聚四氟乙烯多孔膜、聚四氟乙烯非多孔膜和氟化乙丙烯共聚物非多孔膜驻极体的电荷储存稳定性进行了比较研究。结果显示，聚四氟乙烯多孔膜驻极体比非孔膜材料驻极体表现出更好的电荷储存稳定性。并认为这是因为多孔膜结构具有较大界面、较低的密度和更多更复杂的缺陷[26]。研究者研究了高压电晕放电聚丙烯织物驻极体的性能，结果表明，细而柔软卷曲的纤维以及面密度较大的织物具有更好的驻极效果，其过滤效率和抗湿性能较好[9]。

关于材料分子结构的影响，研究表明，要获得高电荷密度和稳定性的聚丙烯非织造布驻极体空气过滤材料，应选取等规立构结构的聚丙烯为原材料，通过掺杂改性，控制工艺条件，尽可能使材料形成微晶结构。另一方面，由于具有不同介电常数和电导率的材料构成的界面被驻极时，在界面上及结晶区和非结晶区之间都会产生界面极化，因此，可将聚丙烯与其他材料或不同工艺方法得到的聚丙烯进行多层复合，利用界面极化效应，达到存储电荷的目的[27]。

关于材料厚度的影响。研究者研究了氟化乙丙烯共聚物薄膜驻极体电荷储存及电荷动态特性的影响。结果表明，在充电参数一定的条件下，随着薄膜厚度的降低，储存电荷密度上升，但电荷稳定性有所下降[28]。关于材料填料的影响。研究者研制了一种含有特种电气石微粒的复合驻极体聚丙烯熔喷非织造布。结果表明，加入特种电气石之后，纤网的力学性能有所下降，复合驻极体非织造布的驻极效果大大改善，其表面电荷密度、过滤性能及抗菌性均有明显提高[29]。

5驻极体过滤材料在空气净化领域的应用

驻极体过滤材料高效、低阻、节能、抗菌的优点使之在空气净化领域的应用越来越多。由日本松下、中国海尔等大公司生产的中央空调和家用空调设备现已较广泛地采用驻极体空气过滤器作为基本的空气净化系统[30]。驻极体滤料应用在奥克斯分体落地式KFR-46L/DS型空调机上，对可吸入性颗粒物的过滤效率能达到80%以上，从而能够有效地改善房间内的空气质量[31]。

我国从20世纪90年代后期开始将驻极体静电过滤材料应用到商用空调机组中，取得了良好的净化效果。根据广州、天津、常州等地大型商场2a的运行结果，驻极体静电空气过滤器过滤效率明显高于传统的空调机组，可以保证商场内空气中的灰尘和细菌含量低于国家标准的规定。驻极体空气过滤器容尘量大，且积尘容易清除。将驻极体静电空气过滤器应用到医院手术室专用空调机组中，对0.5μm大气尘的过滤效率高达97.7%，空气阻力仅为90Pa；净化能力明显优于一般空调机组，并且延长了高效空气过滤器的寿命[14]。

驻极体空气过滤器在军事领域也应用于潜艇和封闭型水面舰艇的舱室、弹药仓库、坑道等场所的空气净化[14]。

我国某些地域的大气污染严重，导致当地纺织企业出现“煤灰纱”现象。河北省大华纺织股份有限公司将驻极体袋式过滤器安装在细纱车间6号空调系统上，对环境空气中的微细颗粒物进行有效过滤，取得了较好的防治“煤灰纱”效果[32]。

研究者采用驻极超微细纤维制备了SARS防护口罩，对于40和60g/m2的超微细纤维过滤材料，驻极后其病毒透过率分别由12%,5.73%降为5.47%,2.53%。两种规格的超微细纤维过滤材料驻极后气流阻力基本没有变化[33]。

美国AFFCO公司将驻极体过滤材料Flo-CleanEM2000应用于人员呼吸防护口罩、空气过滤器、真空吸尘器、汽车空气净化、室内空气净化等。其对空气中微粒的过滤效率达99.999%，其纤维经抗菌处理，可防止细菌和真菌的生长[34]。

随着对驻极体过滤材料研究和开发的深入，其在空气净化领域的应用会更加广泛。

参考文献：

［1］MausR,GoppelsroderA,UmhauerH.Survivalofbacterialandmoldsporesinfiltermedia〔J〕.AtmosphericEnvironment,2002,35:105-113.

［2］沈晋明,许钟麟.空调系统的二次污染和细菌控制〔J〕.暖通空调,2002,32(5):30-33.

［3］Sae-limW,TanthapanichakoonW,KanaokaC.Structuralimprovement toquadrupleservicelifeofahigh-efficiencyelectretfilter〔J〕.ScienceandTechnologyofAdvancedMaterials,2005,6:307-311.

［4］夏钟福.驻极体〔M〕.北京：科学出版社,2001:1.

［5］陈钢进,肖慧明,王耀翔.聚丙烯非织造布的驻极体电荷存储特性和稳定性〔J〕.纺织学报,2007,28(9):125-128.

［6］康卫民,程博闻,焦晓宁,等.驻极体非织造布的研究进展〔J〕.产业用纺织品,2005,(2):1-5.

［7］KrucinskaI.TheinfluenceoftechnologicalparametersonthefiltrationefficiencyIofelectretneedlednon-wovenfabrics〔J〕.JournalofElectrostatics,2002,56:143-153.

［8］KestemanVN,PinchukLS,GoldadeVA.Electretsinengineering〔M〕.Boston:KluwerAcademicPublishers,2000:68.

［9］LowkisB,MotylE.Electretpropertiesofpolypropylenefabrics〔J〕.JournalofElectrostatics,2001,51-52:232-238.

［10］TanthapanichakoonW,ManeeintrK,CharinpanitkulT.Estimationofcollectioneciencyenhancementfactorforanelectretfiberwithdustload〔J〕.AerosolScience，2003,34:1505-1522.

［11］CiachT,GradonL.Highlyefficientfilteringmaterials〔J〕.JAerosolSci,1996,27:613-614.

［12］Sae-limW,TanthapanichakoonW,KanaokaC.Correlationfortheefficiencyenhancementfactorofasingleelectretfiber〔J〕.AerosolScience，2006,37:228-240.

［13］MyersDL,ArnoldBD.Mechanoelectretfiltrationmediasynergyofstructureandelectrostaticcharge〔J〕.Filtration&Separation,2003,7:24-27.

［14］黄翔,顾群,吴生.聚合物驻极体过滤材料（器）在空调中的应用〔J〕.洁净与空调技术,2003,(4):38-42.

［15］崔黎丽,江健,王振中,等.驻极体对金黄色葡萄球菌抑菌作用的观察〔J〕.中国医学物理学杂志,1997,14(4):199-201.

［16］江键,宋诚荣,崔黎丽,等.负极性聚四氟乙烯驻极体对成纤维细胞凋亡的影响〔J〕.第二军医大学学报,2001,22(5):409-411.

［17］谢小军,黄翔,狄育慧.驻极体空气过滤材料静电驻极方法初探〔J〕.洁净与空调技术,2005,(2):41-44.

［18］ShinhaoY,GraceWML.Filtrationcharacteristicsofafibrousfilterpretreatedwithanionicsurfactantsformonodispersesolidaerosols〔J〕.AerosolScience,2005,36:419-437.

［19］TsaiPP,Schreuder-GibsonH,GibsonP.Differentelectrostaticmethodsformakingelectretfilters〔J〕.JournalofElectrostatics,2002,54:333-341.

［20］孙熙,林秀丽,苑春苗，等.膜裂法驻极体纤维的实验研究〔J〕.沈阳建筑大学学报,2004,20（4）:312-314.

［21］吴越华,夏钟福,安振连，等.恒流电晕充电对聚四氟乙烯多孔薄膜驻极体驻极态的影响〔J〕.物理学报,2004,53(9):3146-3151.

［22］NifukuM,ZhouY,KiselAK，etal.Chargingcharacteristicsforelectretfiltermaterials〔J〕.JournalofElectrostatics,2001,51-52:200-205.

［23］KravtsovAG,BrünigH,ZhandarovSF.Analysisofthepolarizationstateofmelt-spunpolypropylenefibers〔J〕.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2002,124:160-165.

［24］张鹏锋,夏钟福,安振连,等.正充电聚四氟乙烯薄膜驻极体的电荷储存及其动态特性〔J〕.物理学报,2004,53(10):3560-3564.

［25］冀忠宝,夏钟福,沈莉莉,等.电晕充电的聚丙烯无纺布空气过滤膜的电荷储存及稳定性〔J〕.物理学报,2005,54(8):3799-3804.

［26］夏钟福,邱勋林,张冶文.聚四氟乙烯多孔薄膜驻极体的电荷储存稳定性〔J〕.物理学报,2002,51(2):389-394.

［27］陈钢进,肖慧明,王耀翔.聚丙烯非织造布的驻极体电荷存储特性和稳定性〔J〕.纺织学报,2007,28(9):125-128.

［28］吴贤勇,夏钟福,安振连,等.厚度对非极性聚合物薄膜驻极体电荷储存及电荷动态特性的影响〔J〕.物理学报,2004,53(12):4325-4329.

［29］程博闻,康卫民,焦晓宁.复合驻极体聚丙烯熔喷非织造布的研究〔J〕.纺织学报,2005,26(5):8-13.

［30］夏钟福.聚合物驻极体气体和空气过滤材料在环境净化工程中的应用研究与进展〔J〕.材料导报,2001,15(8):57-58.

［31］程灯塔,刘刚,陆斌.新型驻极体过滤材料在分体空调机上的应用〔J〕.洁净与空调技术,2005,(1):26-30.

［32］张威.驻极体袋式过滤器防治煤灰纱的实际应用〔J〕.山东纺织科技,2005,(6):16-18.

［33］张建春,郝新敏,周国泰,等.驻极超微细纤维高效过滤材料SARS防护口罩的研究〔J〕.西安工程科技学院学报,2003,17(3):212-217.

［34］AmericanFeltandFilterCompany.CleanerenvironmentsAFFCOfocusesonmediaandelectrettechnology〔J〕.Filtration&Separation,1997，5:320-323.

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