朱 尚 徐玉康 靳向煜

东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海201620

聚四氟乙烯针刺非织造材料摩擦起电性能研究

朱 尚 徐玉康 靳向煜

东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海201620

研究聚四氟乙烯(PTFE)针刺非织造材料与不同高聚物针刺非织造材料的摩擦起电特征，以及PTFE针刺非织造材料表观形态变化和表面静电压衰减特征。 结果表明：PTFE针刺非织造材料表面静电压和表观形态变化均与副磨料的材料类型、摩擦时间紧密相关；与黏胶针刺非织造材料摩擦9 min后，PTFE针刺非织造材料的表面静电压由2.4 kV增加至11.8 kV，且半衰期约为13.8 d，远高于驻极静电压的半衰期。该结果可为今后开发过滤效率更高、使用寿命更长的过滤材料提供理论依据。

聚四氟乙烯，针刺非织造材料，摩擦起电，静电压，半衰期

伴随着工业的快速发展，含有大量纳米/微米级颗粒物的工业粉尘被排放至大气中，严重污染空气质量、威胁人类健康。因此，提高对细微颗粒的捕捉能力，是当前过滤材料研发的热点。其中，材料带电是改善滤料过滤效率的一种有效方法。

材料带电常规的方法有摩擦带电、感应带电和接触带电等。其中，采用感应带电技术使非织造材料带上静电荷从而获得带电滤料的方法，目前较为常见[1-6]，[7]34。但这种感应带电滤料在使用过程中，纳米/微米级颗粒物的聚集会造成静电荷吸附能力降低[8]；此外，部分静电荷的散逸也会进一步降低对细微颗粒的吸附效果。

为改善目前带电滤料存储电荷能力低的不足，聚四氟乙烯(PTFE)材料引起了研究人员的高度关注。PTFE螺旋形分子链结构使其具有很多优异的性能，如耐化学腐蚀性好[7]34、热稳定性好[9]、摩擦系数低[10]、拒水性好[11]等，这些都赋予了PTFE广泛的应用前景[12-15]。 较低的摩擦系数和良好的拒水性使得PTFE与其他高聚物摩擦后易带上静电荷[16-18]，这一特征为研发持续带电且存储电荷能力高的滤料指明了方向。 因此，本文研究了PTFE与其他不同材料摩擦后的带电特征，以期为制备高效带电滤料提供理论依据。

1 试验部分

1.1 试验原料

选用位于摩擦起电序列不同顺序的5种纤维，分别为PTFE纤维、黏胶纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、棉纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维(涤纶)，纤维基本性能如表1所示。纤维经梳理和针刺加工后获得相应的针刺非织造材料，其中，通过混合PVA纤维与棉纤维(两者质量比为PVA纤维∶棉纤维=68∶32)获得PVA/棉针刺非织造材料。所得针刺非织造材料基本性能如表2所示。

表1 纤维基本性能

1.2 设备及测试标准

针刺涉及的设备：FZZG-I1600型预针刺机(针刺密度为200针/cm2、针刺深度为9.00 mm)，WFC -100型主针刺机(针刺密度为400针/cm2、针刺深度为12.00 mm)。

试验原料性能检测标准：纤维线密度检测参照GB/T 16256—2008《纺织纤维 线密度试验方法 振动仪法》标准；纤维强伸性检测参照GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》标准；材料厚度检测参照GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》标准；材料面密度检测参照GB/T 4669—2008《纺织品 机织物 单位长度质量和单位面积质量的测定》标准；材料透气量检测参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》标准；材料表面静电压检测参照GB/T 12703.1—2008《纺织品静电性能的评定 第1部分：静电压半衰期》标准，采用YG401织物感应式静电压测试仪，其测量原理如图1所示。

图1 YG401织物感应式静电压测试仪原理

2 结果与讨论

摩擦起电是指相互接触、摩擦的2块材料上自由电子发生转移，从而使2块材料分别带上等量异种电荷的一种现象。本文研究了PTFE与不同高聚物材料平磨带电的特征、摩擦后PTFE材料的表观形态、摩擦时间对静电荷累积的影响，以及PTFE材料表面静电荷的衰减特征等。选用PTFE针刺非织造材料为主磨料(标记为S0)、4种材料分别为黏胶针刺非织造材料、PVA/棉针刺非织造材料、涤纶针刺非织造材料和PTFE针刺非织造材料为副磨料(相应标记为S1、S2、S3、S4)。其中，主磨料S0和副磨料S4皆为PTFE针刺非织造材料，性能相同。

2.1 PTFE针刺非织造材料平磨带电特征

织物平磨仪如图2所示，主磨料和副磨料分别固定于磨台和磨头之上。基于织物平磨仪中磨头与磨台的相对运动，主磨料与副磨料相互接触、摩擦，造成电子转移，使得2块材料分别带上等量的异种电荷。

图2 织物平磨仪示意

主磨料S0与4种副磨料(S1、S2、S3、S4)平磨6 min 后的表面静电压如图3所示，平磨条件为加压载荷9 kPa、相对转速50 r/min。

图3 与4种副磨料接触并摩擦后，主磨料S0的表面静电压

由图3可知：

(1) 与副磨料S1、S2接触并摩擦后，主磨料S0表面静电压相较于未摩擦时自身所带的静电压，均显著增加，由2.4 kV分别增加至11.1和6.1 kV，其中与副磨料S1摩擦时主磨料S0表面静电压改善程度最大。产生该现象的主要原因是，PTFE大分子链中氟原子极强的电负性使其外轨道电子稳定性要远高于黏胶纤维、PVA纤维和棉纤维大分子链上的原子或基团[19]，因此，当与副磨料S1、S2接触并摩擦后，主磨料S0表面易累积大量由副磨料转移来的电子，从而使静电压增加。又因黏胶纤维由大量含羟基的黏胶基组成，且结晶度低于一般纺织纤维[20]；而棉纤维中虽有大量羟基的存在，但其具有较高的结晶度。故当副磨料S1、S2与主磨料S0接触并摩擦时，副磨料S2中棉纤维上的电子相较于黏胶纤维不易发生转移[21]。

(2) 与副磨料S3接触并摩擦后，主磨料S0表面静电压相较于未摩擦时自身所带的静电压，基本不变。究其原因在于，相较于纤维截面皆为扁平状的副磨料S1[图4(b)]和S2[图4(c)]，纤维截面为圆形的副磨料S3[图4(d)]与主磨料S0[同图4(e)]的接触面积较小，加之涤纶大分子链上原子或基团的最外层轨道电子的稳定性较好，故所得主磨料S0表面静电压无显著变化。

(3) 当磨料均为PTFE针刺非织造材料时，即主磨料S0与副磨料S4接触并摩擦后，主磨料S0表面静电压由2.4 kV增加至5.8 kV。其原因可能是摩擦过程中，含大量纳米/微米级颗粒的空气填充了PTFE针刺非织造材料接触介面，故而造成了电子转移，形成了静电荷。

(a) PTFE针刺非织造材料横截面

(b) 黏胶针刺非织造材料(副磨料S1)

(c) PVA/棉针刺非织造材料(副磨料S2)

(d) 涤纶针刺非织造材料(副磨料S3)

(e) PTFE针刺非织造材料(副磨料S4)

2.2 PTFE针刺非织造材料表观形态

图5为与4种副磨料S1、S2、S3和S4摩擦不同时间后，主磨料S0的表观形态特征：

(1) 当副磨料为S1或S2时，主磨料S0表面磨损度随摩擦时间增加而不断增加。相较于主磨料S0初始光滑的表观形态，摩擦3和6 min时主磨料S0表面的纤维出现了大量微米尺度的沟槽、块状或片状突起物；摩擦9 min时，主磨料S0表面微米尺度的沟槽、块状或片状突起物的数量无显著变化。

(a) 副磨料为S1

(b) 副磨料为S2

(c) 副磨料为S3

(d) 副磨料为S4

(2) 当副磨料为S3时，主磨料S0表面平整度先略有改善，后急剧降低。

(3) 当副磨料为S4，即主磨料和副磨料均为PTFE针刺非织造材料时，摩擦3 min时主磨料S0表面无显著变化；但随着摩擦时间的延长，摩擦6 min时，主磨料S0表面磨损度快速增加；摩擦9 min时，主磨料S0表面有微米尺度的片状突起物。

由此可推知，主磨料PTFE针刺非织造材料的表观形态与副磨料的材料类型、摩擦时间紧密相关。

2.3 PTFE针刺非织造材料表面静电压与摩擦时间的相关性

与4种副磨料S1、S2、S3和S4摩擦后，主磨料S0表面静电压随摩擦时间的变化特征如图6所示。

图6 主磨料S0表面静电压对副磨料及摩擦时间的依赖性

由图6可知：当副磨料为S1、S2时，主磨料S0表面静电压随摩擦时间的增加而不断变大，摩擦9 min时主磨料S0表面静电压由2.4 kV分别增加至11.8和6.2 kV；当副磨料为S3时，主磨料S0表面静电压随摩擦时间的延长先略微下降、后急剧增加，摩擦9 min 时主磨料S0表面静电压达到9.1 kV；当副磨料为S4即主、副磨料均为PTFE针刺非织造材料时，主磨料S0表面静电压随摩擦时间的延长呈“略微下降-急剧增加-降低”的变化趋势。

究其原因在于：

(1) 副磨料S1、S2中黏胶纤维、PVA纤维、棉纤维都含大量羟基，其大分子链上原子或基团外轨道电子的稳定性较差。当它们与主磨料S0摩擦后，主磨料S0表面会累积大量的电子，故而主磨料S0表面静电压不断变大；但若进一步延长摩擦时间，则主磨料S0表面会附有因摩擦而产生的转移膜[22-23]，这会造成主、副磨料间有效滑动略有降低，表现为材料表面静电压无明显增加。

(2) 副磨料S3中涤纶截面为圆形，初始摩擦时主、副磨料的接触面积较小，加之涤纶的纤维线密度小、比表面积大、表面粗糙，6 min的摩擦会使刚性大的副磨料S3与耐磨损性差[24]的主磨料S0间产生并存留较多的纳米级厚度的PTFE膜，这会减缓主磨料S0与副磨料S3间的摩擦，故摩擦6 min时主磨料S0表面静电压略微下降。但随着摩擦时间延长至9 min时，摩擦产生的热量使得PTFE膜软化，主、副磨料的接触面积增大，真实摩擦增多，故摩擦9 min时主磨料S0表面静电压快速增至9.1 kV。

(3) 当副磨料为S4即主、副磨料均为PTFE针刺非织造材料时，由于PTFE纤维具有更差的热传导性(相较于黏胶纤维、PVA纤维、棉纤维及涤纶)和冷流性，故在摩擦初期，PTFE纤维接触介面的摩擦热会使转移膜软化、流动并嵌入非织造材料的孔隙中[图5(d)]，造成主磨料S0表面静电压略微降低；但随着摩擦的继续，PTFE纤维因耐磨性差且黏附性弱，接触面处的PTFE部分转移膜脱落，主磨料S0表面静电压急剧增加；随后，又会产生额外的转移膜来减缓摩擦，故主磨料S0表面静电压随着时间的增加又有所降低。

基于上述分析可知，副磨料的材料种类和摩擦时间会共同影响主磨料即PTFE针刺非织造材料的摩擦起电性能和表观形态。

2.4 PTFE针刺非织造材料表面静电压衰减特征

副磨料为S1、S2时，主磨料S0摩擦起电的规律明显且稳定，相应的表面静电压较高且衰减的较稳定，而副磨料为S3、S4时主磨料S0的表面静电压低，无分析价值。故本文仅分析副磨料为S1、S2时主磨料S0表面静电压的衰减情况，相应的表面静电压衰减特征如图7所示。

(a) 摩擦时间为6 min

(b) 摩擦时间为9 min

由图7可知：

(1) 摩擦时间为6和9 min时，与副磨料S1摩擦后的主磨料S0表面静电压分别为11.1和11.8 kV。随着静置时间的增加，主磨料S0表面静电压呈规律性衰减，故对其进行函数拟合(拟合函数分别为u=0.249x3+13.740x2-506.400x+1.059e4和u=-4.657x3+104.900x2-979.300x+1.196e4)，对应的相关系数(即R值)分别为0.902 9和 0.847 6，曲线拟合度较好，拟合函数可反映主磨料S0摩擦后表面静电压随静置时间的变化规律。

(2) 副磨料为S1、S2时，主磨料S0表面静电压均随静置时间延长而缓慢降低，其表面静电压的半衰期均超过12.0 d(根据拟合函数计算得半衰期分别为13.8和14.1 d)，故可知半衰期与副磨料的材料性能无关。

另有研究[25]显示，采用驻极处理可赋予材料表面静电荷，但驻极静电荷的稳定性差、半衰期短(≤2.0 d)。相较于驻极过滤材料，PTFE针刺非织造材料的过滤效率和使用寿命均有改善。

3 结论

氟原子具有极强的电负性，常规PTFE针刺非织造材料表面静电压为2.4 kV。本文研究了PTFE针刺非织造材料与不同材料接触摩擦的起电特征，结果显示：PTFE针刺非织造材料表观形态的变化特征与副磨料的材料类型和摩擦时间紧密相关；PTFE针刺非织造材料与黏胶针刺非织造材料、PVA/棉针刺非织造材料接触并摩擦后，表面静电压开始随摩擦时间的增加而不断变大，摩擦6 min后趋于稳定；与黏胶针刺非织造材料摩擦9 min后，PTFE针刺非织造材料表面静电压由2.4 kV增加至11.8 kV，静电压半衰期超过13.0 d，远高于驻极静电压的半衰期2.0 d。

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Study on the triboelectric characteristic of PTFE needled nonwovens

ZhuShang，XuYukang，JinXiangyu

Engineering Research Center of Technical Textiles， Ministry of Education， Donghua University，Shanghai 201620， China

The triboelectric characteristic of polytetrafluoroethylene (PTFE) needled nonwovens against various polymer needled nonwovens， as well as the variation of surface morphology and the attenuation characteristic of surface electrostatic voltage of PTFE needle nonwovens， were studied. The results showed that the surface electrostatic voltage and the variation of surface morphology of PTFE needled nonwovens were closely related to the types of subsidiary abrasive material and the friction time. The surface electrostatic voltage of PTFE needled nonwovens increased from 2.4 kV to 11.8 kV after friction with the viscose needled nonwovens for 9 min， and the half-life was 13.8 days， which was much longer than that of electret static voltage. The results could provide a theoretical foundation for developing the filter material with higher filtration efficiency and longer service life in future.

PTFE， needled nonwoven， triboelectric， electrostatic voltage， half-life

*上海市产学研合作项目(沪CXY-2014-025)

2016-10-11

朱尚，男，1991年生，在读硕士研究生，研究方向为空气过滤材料

靳向煜，E-mail：jinxy@dhu.edu.cn

TS174.6

A

1004-7093(2017)05-0027-07