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熔噴布電氣石駐極的原理 駐極母粒的作用
2020/4/18 21:00:47
先科普 靜電。
基本常識，一般來講，絕緣性越好的材料越容易產生靜電。
靜電可以是正電荷也可以是負電荷，毛皮摩擦橡膠棒，橡膠棒所帶的靜電電荷為負電荷，毛皮上所帶的靜電電荷為正電荷。 正負是同時存在的，因為： 一方多了電子（負電），負電荷多了，所以對外顯負電； 一方少了電子（負電），負電荷少了，所以對外顯正電。
目前電氣石駐極體是熱門的研究對象
電氣石產生負離子多少與自身的自發極化效應強弱有關系，跟周圍環境的濕度、氧氣有關系。
隨著社會經濟的不斷發展，環境問題也日益突出?！办F霾”天氣的產生，使得廣大人民群眾以及國家對大氣污染問題也日益關注。PM2.5、亞微米級別病毒以及化學物質等在空氣中擴散、傳播，極大地危害了人民的身體健康。因此，有效的控制空氣中的細微顆粒物以及有毒有害的化學、生物物質至關重要?？諝膺^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滋生有害微生物，存在二次污染的可能。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。
一、駐極體
駐極體是指那些能夠長期儲存空間電荷和偶極電荷的電介質材料, 即從時間跨度上來看,它們是電荷衰減時間常數比形成周期大得多的材料。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?？臻g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。
二、駐極體材料
駐極體材料被廣泛應用于高效低阻空氣過濾材料領域。駐極體空氣過濾材料要求材料儲存電荷的密度大、壽命長及穩定性高。主要影響因素是材料性質、充電方法、電荷分布狀態、儲存的環境條件等。相關文獻表明,駐極體過濾材料過濾效率要遠遠高于常規過濾材料。眾所周知, 常用的纖維過濾材料, 其捕塵機理主要依靠直接攔截、布朗擴散、慣性碰撞和重力沉積等機械阻擋作用, 過濾材料和粒子之間靜電吸附作用甚弱, 對粒徑小于1 μm 的粒子過濾效果很差。如果在空氣過濾過程中增強靜電吸附, 除原有的機械阻擋作用外, 依靠庫侖力直接吸引氣相中的帶電微粒并將其捕獲, 或誘導中性微粒產生極性再將其捕獲, 過濾效率無疑將大大增強,且過濾阻力也有所下降。
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、有機駐極體和生物駐極體。
2.1 無機駐極體材料
二氧化硅是國內外研究比較多的無機駐極體材料，特別是它經過化學表面處理，可以制備高穩定性駐極體。鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)、氧化鋅(ZnO)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鋁(A12O3 )和氧化鈦(TiO2 )等氧化物，以及氮化硅(Si3N4 )等都是已研究的無機駐極體材料。黃志強等通過離子摻雜對二氧化硅進行改性，以提高其正電荷駐極性能和儲存穩定性，從而獲取所期望的正駐極體材料。他運用溶凝工藝在非晶態SiO2 薄膜駐極體中摻入質量分數為0.2的A12O3和質量分數為0.4的PbO。高溫恒柵壓正電暈充電及等溫電荷衰減等實驗表明，經Al3+和Pb2+離子摻雜改性的SiO2 薄膜具備較好的正極性駐極體性能，其正電荷儲存穩定性在210 d 后高于95%。另外還可用B3+、Zn2+摻雜對SiO2 薄膜駐極體改性。
天然礦物中，也有具有永久極性的材料，而其中電氣石是永久極性自發電極性最強的，其極化矢量不會受到外部電場的影響。1993年日本學者中村輝太郎發表了一篇《關于電氣石性能》的報告，許多學者對此產生興趣，并且研制出了電氣石駐極體纖維。Takahashi等將電氣石細微粉末加入到合成纖維中，并將這種纖維制成非織造布，然后將其用于空氣過濾材料。研究表明，加入電氣石后，過濾材料不僅提高了對灰塵的過濾效率，而且能夠殺菌和凈化空氣。
2.2 有機駐極體材料
以氟碳聚合物為代表的高絕緣性氟聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE )、氟化乙丙烯共聚物(PFA)、聚全氟乙丙烯(Teflon-FEP)、可溶性聚乙烯(PFA) 、聚偏氟乙烯(PVDF)等都是性能優良的有機駐極體材料。國內外這方面駐極體文獻報道很多，Reinhard等探討了聚四氟乙烯納米材料比常規聚四氟乙烯高的壓電性能和電荷存儲能力，在300時仍保持較好的電荷穩定性。夏鐘福等利用在室溫和高溫下的柵控恒壓電暈充電，探討了聚四氟乙烯多孔膜形成的正、負極性兩類駐極體都表現出最好的電荷儲存穩定性。聚丙烯是一種典型的非極性、疏水性高聚物，并且它的電阻率高，也是一種性能較好的駐極體材料，通常用作駐極體過濾材料。G. M. Sessler等分析了充電后的多孔聚丙烯膜所具有的很好的壓電性和電荷存儲能力。趙惠娟等用低溫等離子體對聚丙烯薄膜進行表面處理來提高聚丙烯薄膜的駐極體性能。Bozena等研究了高壓電暈放電駐極體丙綸織物的性能，研究表明：細而柔軟卷曲的纖維以及面密度較大的織物具有很好的駐極效果，其過濾效率和抗濕性能較好。 但有機駐極體材料電荷儲存性能比無機駐極體材料差，特別是在溫度較高或潮濕的環境下電荷很容易衰減， 影響產品的使用壽命。為了提高有機駐極體材料電荷存儲能力，許多學者將礦物駐極體與有機材料復合。例如聚偏氟乙烯和陶瓷鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛的復合(PVDF /BaTiO3 ，PVDF /PZT)、PVDF和壓電橡膠的復合，國內都已有研究成果和開發應用。
2.3 生物駐極體材料
生物駐極體包括天然生物駐極體和人工生物駐極體。巴西棕櫚蠟是第一個人工生物駐極體，它是一種蜂蠟、松香和樹脂的共混體的極性材料，用熱極化方法將它制成駐極體。
三、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1 μm的粒子過濾效果不理想。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100 nm。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90 nC/cm2。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。許多學者的研究結果證實了這一點，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%。
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118.6 Pa 和10.8 Pa。
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～-1 500 V 的聚四氟乙烯駐極體對金黃色葡萄球菌分別作用1～24 h。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。研究者選用表面電位為-300、-500 和-1000 V 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48～72 h 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。
四、駐極體過濾材料的不足
（1）駐極體材料帶電量以及電荷衰減快慢。
駐極體材料帶電量的多少和電荷衰減快慢在很大程度上影響產品的性能和使用壽命, 將無機或有機添加劑加入駐極體過濾材料中能改善駐極體的帶電能力, 提高駐極體過濾材料的過濾性能。熱刺激放電法（Thermally Stimulated Discharge，TSD）是研究駐極體電荷存儲和衰減過程的重要方法。
駐極體電荷衰減有兩條途徑：一是空氣中的離子被駐極體電荷吸至駐極體, 與駐極體的電荷中和；二是駐極體內的傳導電流的載流子與駐極體電荷的中和。
（2）駐極體過濾材料的靜電電勢。
我們知道在電廠、水泥廠、鋼鐵廠等高溫及高腐蝕煙氣的工況中，由于粉塵相互摩擦容易產生靜電，導致粉塵附著在濾袋上，加大了清灰難度；并且一些易燃易爆性粉塵在有靜電情況下會發生劇烈的爆炸和燃燒，從而產生巨大的破壞性。
駐極體過濾材料的靜電電勢能不能引起火災，需要進行實驗并結合使用中的情況而定。
五、駐極工藝
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。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%。
Peter等研究了用電暈放電、摩擦起電及靜電紡絲三種充電技術給不同聚合物類型的纖維或織物充電。其中聚丙烯熔噴和紡粘非織造布采用電暈放電方式施加電荷，聚丙烯和改性聚丙烯腈纖維混合織物利用纖維梳理過程摩擦靜電充電，并且用靜電紡絲方法紡出了聚氯化乙烯、聚碳酸酯和聚氨酯纖維。實驗結果表明摩擦充電僅適合于具有不同電負性的纖維充電， 兩種電負性不同的纖維混合在一起, 采用摩擦起電充電，其過濾材料的過濾效率比電暈放電處理的好，但電暈放電適用范圍較廣，且面密度大的織物充電效果要優于面密度小的織物。而靜電紡絲優點在于它的電荷儲存能力比其他兩者強。
5.1 電暈放電法
電暈放電的常用三種放電形式為：黑暗放電、發光放電和電弧放電, 其中以黑暗放電方式進行的電暈放電可被用于介電材料的靜電充電，得到駐極體。通常在一個大氣壓下，發光放電不會在空氣中發生，而如果對空氣施加較高的電場(對于空氣約30kV/cm)，就能產生電暈放電，但過高的電壓又會導致電弧放電的產生，因此常采用高電流低電壓的方式得到電暈放電。Ando Katsutoshi等用電暈放電的方式給多層非織造布充電，通過比較各層表面電荷密度、熱刺激放電曲線以及過濾效率來分析電暈充電的內部充電效果。結果表明，非織造布內部具有較好的帶電性能。M.Nifuku等用交流、直流以及交流加上直流等三種方式給熔噴聚丙烯非織造布充電。結果表明，慢速的交變電流充電后，再給熔噴非織造布表面充一次直流電能夠獲得較好的充電效果。
5.2 靜電紡絲
靜電紡絲設備主要由一根移液管(將蓄液器中的聚合物溶液移至紡絲板上)、一個落地接受器和一個高壓動力發送裝置組成，在紡絲過程中施加靜電。靜電紡絲工藝適合多種聚合物纖維的生產，可生產出微米級的纖維, 其直徑可達熔噴纖維直徑的十分之一至百分之一，這類纖維具有良好的電荷儲存性能，可用于各類空氣過濾器。這里需要說明的一點就是電荷儲存的能力主要取決于聚合物的電性能、纖維直徑和介質結構，而非施加電荷的技術。靜電紡絲可生產極細的纖維, 但生產速度較慢。
5.3 摩擦起電法
由摩擦起電產生的帶電介質有較高的電荷密度和過濾效率, 并且不同纖維制成的氈更容易摩擦起電，但該技術只適用于梳理工序,并且需要兩種不同負電性的纖維, 通常是聚丙烯和改性聚丙烯腈。I.Krucinska研制了聚丙烯和聚酰胺混合針刺非織造布，這種非織造布由于在纖維梳理和針刺過程中的摩擦作用而產生靜電，并儲存在織物中，形成了一種駐極體非織造布；還分析了纖維的線密度、針刺密度、針刺深度以及樣品面密度對駐極效果的影響。摩擦起電產生的靜電荷也會產生負效應，影響梳理和鋪網工藝，而且改性聚丙烯腈價格昂貴。
六、總結
（1）對于濾料纖維的處理
我們可以將礦物粉粒（常用的無機礦物有SiO2、氧化鋁(A12O3 )、氧化鈦(TiO2 )以及電氣石等）加入到纖維中，將細微粉?；烊爰徑z液共混進行紡絲（共混紡絲法、復合熔噴法）。
（2）PTFE后處理方面
我們可以將礦物粉粒（常用的無機礦物有SiO2、氧化鋁(A12O3 )、氧化鈦(TiO2 )以及電氣石等）加入到PTFE乳液中，并通過浸漬、涂層的方法加入到濾料表面或滲透到內部，然后通過電暈放電、摩擦起電、靜電紡絲、熱極化和低能電子束轟擊等駐極工藝的處理，使得濾料表面具有儲存電荷的能力，從而達到濾料具有靜電吸附粉塵的能力。
（3）PTFE覆膜駐極處理
首先，將聚丙烯薄膜和PTFE薄膜加熱熱壓復合膜；其次，利用直流電暈放電使得共聚物薄膜駐極法；然后，將獲得的膜駐極體在覆膜工藝粘附在濾料表面，形成覆膜濾料。同時，在覆膜工藝，為了增加其與濾料的粘合性能，我們使用粘合劑進行粘合處理。
為了使得膜具有較多的穩定電荷，在電暈放電之前，需對膜進行兩次加熱處理，以使得材料表面具有較大的電荷密度。