张煌忠

(三明职业技术学院，福建三明365000)

聚丙烯(PP)熔喷非织造材料具有纤维超细、比表面积大、孔隙小、空隙率高等特点，在一般性过滤中能够发挥高效、低阻、节能的优势，达到良好的滤除粉尘和细菌等有害颗粒的目的［1］。PP非织造材料广泛用于劳保及医疗口罩、中央空调过滤、企业排放过滤等，还可以在要求超高洁净度的场合用作亚高效以上的气体过滤，如半导体制造工场、原子力研究中心、无尘室、层流设备等。PP非织造材料的气体过滤市场越来越大，但同时也对材料提出了更高的过滤要求。作者通过对比不同纤维直径及面密度、驻极处理前后PP非织造材料的过滤效率，分析研究影响PP非织造材料过滤效果的主要因素，从而为熔喷PP非织造材料的生产企业和使用单位提供参考依据。

1 实验

1.1 原料及仪器

PP熔喷非织造材料:JH系列，纤维平均直径分别为 1，2，3，4，5 μm，面密度规格分别为 20.7，25.9，31.2，40.6，54.0 g/m2，福建省泉州市嘉和无纺制品有限公司产。

CLJ－03A激光尘埃粒子计数器:江苏吴江市瑞鑫净化设备厂制。

1.2 实验方法

(1)采用洁净度接近10 000级［1］的空气作为试验尘源，生产中的粉尘粒径(i)分别为0.3，0.5，1.0，3.0，5.0，10.0 μm，标记为 1#，2#，3#，4#，5#，6#试样，实验风速为 5.3 cm/s。通过大气 CLJ－03A激光尘埃粒子计数器测算过滤前后的平均尘埃粒子数:选取面密度为40.6 g/m2，不同纤维直径的PP非织造材料，分别测试其粉尘过滤效率(Gi);选取纤维平均直径为1.0 μm，不同面密度的PP非织造材料分别测试其Gi;在纤维平均直径为1.0 μm、面密度为 40.6 g/m2的条件下，分别对普通型和经电晕驻极处理型的PP非织造材料测试其Gi。

(2)电晕驻极处理。对纤维直径为1.0 μm，面密度为40.6 g/m2的PP非织造材料进行电晕驻极处理，处理电压为15 kV，处理隔距为4.5 cm，处理时间为1 s。

1.3 测试方法

反映材料空气过滤效果的主要指标是过滤效率，指某个粒径尺寸以上的粉尘颗粒被过滤材料捕集的效率。采用计数法来计数过滤前后空气中所含的粉尘颗粒数计算PP非织造材料的Gi。

材料对空气中粉尘颗粒的Gi按式(1)计算:

式中:Ai，Bi分别表示材料过滤前、后空气中大于某一粉尘粒径的颗粒数。

2 结果与讨论

2.1 纤维直径

从表1可知:纤维直径对PP熔喷非织造材料的过滤效果影响较大，随着纤维平均直径的减小，材料的Gi明显增大;当纤维平均直径由5 μm减小到2 μm时，Gi的提高比较平缓;由2 μm减小到1 μm时，Gi显著提高;对粒径小于1 μm的颗粒粉尘，材料的过滤效率普遍不高，粒径尺寸越小，过滤效率也越差。

表1 不同纤维直径的PP非织造材料对粉尘的过滤效果Tab.1 Dust filtration efficiency of PP nonwoven with different fiber diameter

纤维直径是影响PP熔喷非织造材料过滤效果的重要因素，这是因为纤维直径在一定程度上决定了熔喷非织造材料的孔径大小、孔径分布、孔隙率、透气量和容尘率等［2］。在纤维杂乱排列时，随着纤维平均直径的增加，随机排列的纤维网相对比较松散，纤维与纤维之间的空隙大大增加，造成对微粒的扩散作用和惯性作用的下降，结果使整个材料的过滤效率降低;随着纤维平均直径的减小，纤维的比表面积显著增加，纤维的毛细作用和纤维集合体之间形成的微细孔隙，能有效阻截颗粒粉尘，大大提高过滤效果，特别是纤维越细，效果越明显。

当然，要生产出较小纤维直径的熔喷非织造材料，对熔喷生产原料、生产设备、生产技术的要求也越高，包括材料的相对分子质量及其分布和熔体流动指数、喷孔直径、螺杆挤出速度、热空气喷射角度等，需要的拉伸高压热空气量也越大。同时在保持产品规格不变的条件下减小纤维直径，使过滤材料单位面积内的纤维根数增多，纤维之间的排列更加均匀，孔径和孔隙率都变小，必然会导致空气透过阻力的明显增加，所以只能在阻力允许的情况下减小纤维平均直径［3］。

2.2 面密度

从表2可知:面密度与PP熔喷非织造材料的过滤效果密切相关，随着面密度的增加，Gi随之提高;当面密度较小时，增加面密度，Gi提高较明显，面密度增加到一定程度时，再继续增加，Gi提高趋于平缓。

表2 不同面密度的PP非织造材料对粉尘的过滤效果Tab.2 Dust filtration efficiency of PP nonwoven with different basis weight

非织造材料的过滤作用主要是依靠数量多而尺寸小的微孔来捕获颗粒粉尘。面密度的增加使单位面积上聚集的纤维根数增多，纤维的杂乱铺叠使得部分孔径的孔隙进一步被堵塞，导致材料的孔隙尺寸和孔隙率减小，同时颗粒粉尘穿透过滤材料的路径变长且更加弯曲，因而增大了与纤维的接触面而易于被捕捉，所以材料的过滤效果得以提高。

在生产中，延长纤维的凝聚时间可以增加产品单位面积内的纤维根数，提高产品的定量和厚度，但产品的生产效率降低，生产成本上升，更重要的是会造成材料孔隙尺寸的减小和孔隙率的减少，导致空气透过的阻力呈几何倍数增大。经验表明，过滤效果的提高程度远远不如阻力的增大程度，因此要兼顾两者的平衡，找到一个最佳的材料定量值［4］。

2.3 驻极处理

从表3可知:驻极处理后的PP熔喷非织造材料的过滤效果明显提高，如驻极处理前i为1.0 μm时，Gi为 95.1%，而驻极处理后的Gi为99.4%;驻极处理后的材料对微细颗粒粉尘也能达到很好的过滤效果，如i为0.3 μm 时，Gi从85.6%提高到 96.2%。

表3 驻极处理前后PP非织造材料对粉尘的过滤效果Tab.3 Dust filtration efficiency of PP nonwoven before and after electret treatment

干燥的固体粉尘颗粒在扩散时，会与不同材料摩擦或接触而产生电荷，但通常荷电强度很弱，而且由于各种原因会使其强度逐渐减弱。而经驻极处理后的熔喷非织造材料由于能够长期储存空间电荷或极化电荷，通过静电作用可以吸附极化的微细粉尘颗粒［5］。即使是中性粉尘在靠近纤维时，也会感应产生符号相反的镜像电荷，从而在两者之间产生吸引力而被材料捕捉，进一步提高了过滤效率，因此具有优异的除尘杀菌作用，同时还具有良好的稳定性，不会因洗涤而使电极化强度衰减，即使经过烘燥和熨烫，也不会对其过滤性能造成较大的影响。因此，驻极处理是提高熔喷法非织造材料过滤效率的重要后整理技术，经过驻极整理的熔喷法非织造材料带有持久的静电，在普通滤尘机理的基础上附加静电效应，可以捕集更多微细尘埃而空气透过阻力却不增大，因此具有过滤效率高、阻力低等优点，具有极大的研究和推广价值。

3 结论

a.纤维直径和面密度对PP熔喷非织造材料的Gi有着直接的影响，随着纤维平均直径的减小、面密度的增加，材料的Gi明显提高。

b.纤维直径和面密度对Gi的影响在一定范围内具有互补性，即增大产品的面密度可以适当弥补纤维平均直径增大造成的过滤效率的降低。

c.纤维直径的减小和面密度的增加会造成空气透过阻力的增大，同时会导致生产效率的降低和生产成本的上升。

d.i为0.3 μm，Gi从85.6%提高到96.2%，驻极处理是提高熔喷非织造材料过滤效率最有效的办法之一。

［1］ 马建伟，陈韶娟.非织造布技术概论［M］.2版.北京:中国纺织出版社，2008:117－131.

［2］ 武松梅，袁传刚.非织造材料孔径与过滤性能关系的研究［J］.产业用纺织品，2010，28(1):12 －14.

［3］ 金小汉.过滤粉尘用纤维滤料基本特性的试验研究［J］.矿业安全与环保，2008(3):21－23.

［4］ 刘燕慧，陈龙敏，陈喆，等.熔喷非织造材料厚度对过滤性能的影响［J］.产业用纺织品，2012，30(11):17－20.

［5］ 刘超.驻极处理对熔喷空气过滤材料过滤性能的影响［J］.产业用纺织品，2013，31(5):34－37.